Analyse und modelltechnische Nachbildung der Reinigungswirkung eines kombinierten Bauwerks zur Mischwasserbehandlung

Cleaning Efficiency of a Combined Sewer Overflow Structure – Analysis and Simulation of a Vortex Separator and a Subsequent Storage Tank with Overflow

  • Regenüberlaufbecken (RÜB) sind wichtige Bauwerke in Entwässerungsnetzen nach dem Mischverfahren. Sie tragen durch ihre Rückhaltewirkung dazu bei, den Schmutzaustrag in die Gewässer zu vermindern und die nachfolgende Kläranlage während der Niederschlagsereignisse zu entlasten. Obwohl nach einheitlichen Richtlinien bemessene Regenüberlaufbecken in großer An-zahl in Deutschland in Betrieb sind, ist über die Wirkung dieser recht teuren Bauwerke noch sehr wenig bekannt. Das gilt auch für alternative Anlagen wie hydrodynamische Abscheider und Kombinationsbauwerke, die in den letzten Jahren gebaut worden sind. Hier knüpft die vorliegende Arbeit an, deren Ziel es war, die Wirkung eines Kombinati-onsbauwerks in Bexbach/Rothmühle, bestehend aus Durchlaufbecken im Nebenschluss und zwei parallel beschickten hydrodynamischen Abscheidern als Trennbauwerke, zu untersuchen und modelltechnisch nachzubilden. Am Anfang der Arbeit steht ein Exkurs über Anlagen der Regenwasserbehandlung im Mischsystem und Faktoren, die für deren Reinigungswirkung maßgebend sind. Es wer-den die Grundlagen der Sedimentation und Ansätze zur Bilanzierung von Wirkungsgrad und Effektivität behandelt. Die Bedeutung des Bilanzierungszeitraums wird herausgestellt. Anschließend werden die Randbedingungen für die Untersuchungen des RÜB Bex-bach/Rothmühle sowie die Konzeption und der Betrieb des Bauwerks erläutert. Um die Wirkungsweise des Bauwerks zu ermitteln, wurden umfangreiche Messungen der Abflussquantität und -qualität an verschiedenen Punkten des Bauwerks durchgeführt. Die gemessenen Daten dienten dann als Grundlage zur Bestimmung der Wir-kungsgrade und Effektivitäten der einzelnen Anlagenteile sowie der Gesamtanlage für einige Entlastungsereignisse. Die Ergebnisse der Auswertungen über die Reinigungswirkung wurden mit den Resultaten ähnlicher Untersuchungen an anderen Anlagen verglichen und es wurde eine qualitative Wertung des untersuchten Bauwerks vorgenom-men. Im nächsten Schritt wurden sowohl die Ergebnisse der Untersuchungen als auch eines Tracerversuchs dazu genutzt, ein MATLAB/SIMULINK-Modell zur Nachbildung der Reinigungsvorgänge zu entwickeln. Durch die Verknüpfung dieses Modells mit dem Schmutzfrachtmodell WKosmoCOM gelang es, das Langzeitverhalten des Kombinati-onsbauwerks zu untersuchen. In einer vergleichenden Betrachtung der langfristigen Entlastungstätigkeit der unter-suchten Anlage mit der eines fiktiven Durchlaufbeckens im Nebenschluss herkömmli-cher Bauart wurde abgeschätzt, ob Speichervolumen durch den Einsatz der Kombinati-on von Wirbelabscheider und Durchlaufbecken eingespart werden kann. Die angesetzte Reinigungswirkung des fiktiven Durchlaufbeckens orientierte sich dabei an derjenigen, die für die Durchlaufbeckenstufe des untersuchten Bauwerks festgestellt wurde zuzüglich eines Aufschlags zur Verbesserung der Rückhaltewirkung. In mehreren Simulationsläufen auf der Basis des MATLAB/SIMULINK-Modells, gekoppelt mit dem Schmutzfrachtmodell WKosmoCOM, wurde das Volumen des fiktiven Beckens variiert, bis die Rückhaltewirkung der des realen Beckens entsprach. Der aus dem Vergleich resultierende Volumenunterschied ist ein Maß für das Einsparpotenzial. Die Simulationen erga-ben, dass die Reinigungswirkung des untersuchten Kombinationsbauwerks durch ein herkömmliches Durchlaufbecken erreicht wird, dessen Speichervolumen um etwa 17% größer ist.
  • In combined sewer systems stormwater tanks with overflow reduce the flow to waste water treatment plants during storm events and, if necessary, provide discharge into receiving waters. Due to construction costs the volume of stormwater tanks with overflow have to be limi¬ted. This often leads to a significant pollution of the receiving water by discharged combined wastewater during heavy rain events. Accordingly, it is necessary to find a compromise considering both, the economic dimensioning of the combined sewer overflow (CSO) structure, as well as the prevention of water pollution. Alternatively, vortex separators can substitute small stormwater tanks with overflow in combined sewer systems. In spite of a smaller storage capacity, compared to conven-tional CSO tanks, vortex separators show an increased removal efficiency of settleable solids. Thus the pollution of the receiving water with solids and harmful substances attached to solids in the discharged waste water can be reduced. The efficient removal capability of vortex separators is based on the flow course inside this structure. Besides the use of vortex separators as an alternative to small stormwater tanks with overflow, it is possible to locate stormwater tanks with overflow for settled combined sewage subsequent to vortex separators. By using this type of structure bigger tanks can be substituted. Such a combined structure was the focal point of this thesis. The objective was to investigate the removal efficiency of this structure. The study contains extensive measure-ments of flow and water levels, as well as analyses of the flow composition at significant locations of the structure. For several storm events causing discharges to the receiving water, the cleaning efficiency of the investigated structure and its single elements was evaluated. It was found that the structure’s cleaning efficiency is comparable to efficiencies of common CSO structures as verified by other studies. A model of the structure for the simulation of its cleaning performance under dynamic load conditions was based on MATLAB/SIMULINK. In conjunction with the program WKosmoCOM for hydraulic and pollutant load simulation of the upstream sewer systems, it was possible to simulate the long term performance of the structure under real load conditions. An additional MATLAB/SIMULINK-model was constructed to simulate the cleaning efficiency of a common stormwater tank with overflow for settled combined sewage. Several long term simulations were carried out for this fictive structure varying its storage volume. The long term simulations for the fictive structure relied on the same boundary conditions as the simulations for the observed structure. It was found that the cleaning efficiency of the structure consisting of the vortex separators and the subsequent tanks with overflow is comparable to the cleaning performance of a common stormwater tank with overflow which has a storage volume, approximately 17% bigger.

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Metadaten
Author:Kai Klepiszewski
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-19428
Advisor:Gero Koehler
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2006
Year of Publication:2006
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2005/04/08
Tag:Durchlaufbecken; Mischwasserbehandlung; Modellierung; Reinigungswirkung; Wirbelabscheider
Cleaning Efficiency; Modelling; Sedimentation Tank; Stormwater treatment; Vortex Separator
Faculties / Organisational entities:Fachbereich ARUBI
DDC-Cassification:690 Hausbau, Bauhandwerk

$Rev: 12793 $