Projekt 18593/01

Weiterentwicklung und Erprobung eines Schwallspülungssystems zur Reinigung von Stauraumkanälen und Regenbecken1. Projektphase: Untersuchungen zur Funktion der vorhandenen Pilotanlage in Offenbach und erste mathematische Modellierungsansätze

Projektdurchführung

LIWATECHForschungsgemeinschaft GbR
Heubergweg 73
64732 Bad König

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ablagerungen in Stauraumkanälen verfestigen sich, reduzieren auf lange Sicht die Leistungsfähigkeit des Kanals und verursachen Geruchsbelästigungen. So entsteht ein Bedarf für die Reinigung der Kanäle, die regelmäßig erfolgen muss. Das durch die Firma LIWATECH entwickelte Schwallspülungskonzept stellte eine kostengünstige Alternative zur herkömmlichen Hochdruckreinigungen dar, die sehr energieaufwändig sind und zu unbeabsichtigten Schädigungen der Kanäle führen können. Im Projekt sollten die Möglichkeiten und Anwendungsgrenzen des Reinigungskonzeptes praktisch (Messprogramm) und theoretisch (Numerische Modellierung) untersucht werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer praktische Teil des Projektes umfasste auf Seiten der Firma LIWATECH die Entwicklung bzw. den Einbau und Betrieb der Mess- und Kommunikationstechnik im Abwasserkanal Offenbach August-Bebel-Ring, die Aufnahme und Speicherung von Regenereignisdaten, die Organisation und Durchführung von Spülversuchen zur Bestimmung der Reinigungsleistung im Kanalbetrieb sowie die Aufnahme und Speicherung der Daten der Spülversuche. Die Auswertung der Betriebsdaten erfolgte gemeinsam mit der TU Darmstadt hinsichtlich der Optimierung des Anlagenbetriebes mit dem Ziel der Optimierung des Reini-gungsergebnisses. Die Ergebnisse der Auswertung dienten anschließend zur Erarbeitung von Vorschlägen zur Optimierung der Spülanlage in Offenbach. Im theoretischen Teil des Projektes entwickelte die TU Darmstadt ein vorläufiges, an die hydromechanischen Verhältnisse im Kanal angepasstes mathematisches Modell zur hydrodynamischen Beschreibung der Fliessvorgänge bei der Schwallspülung. Eine Literaturstudie bzw. Marktanalyse hinsichtlich der für diese Fragestellung anwendbaren hydrodynamischen Modelle (Dammbruchtheorie o ä.) sollte einen generellen Überblick geben und bei der Entscheidungsfindung helfen. Die bei Spülversuchen und bei Spülereignissen am Standort Offenbach gewonnenen Wasserstandshöhen und Wassergeschwindigkeiten wurden vom Fachgebiet Hydromechanik und Hydraulik ausgewertet und dienten einer ersten Kalibrierung des mathematischen Modells. Mit Hilfe der errechneten Schubspannungen am Boden des Stauraumkanals konnten die Grenzen des Reinigungssystems ermittelt und Bemessungsregeln für zukünftige Projekte gegeben werden.


Ergebnisse und Diskussion

Konstruktive Schwachpunkte der Klappenkonstruktion zeigten sich im bisherigen Betrieb nicht. Die An-lage ist betriebssicher und zuverlässig. Die entwickelte und eingesetzte Messtechnik erfüllt die in sie gesetzten Erwartungen und ermöglicht einen zuverlässigen dauerhaften Anlagenbetrieb. Die Bemessung der Spülwassermenge sowie insgesamt die Konstruktion und Auslegung der Anlage konnten als mängelfrei eingeschätzt werden. Die prognostizierte Spül-/Reinigungswirkung wurde erreicht. Bei Umsetzung der vorgeschlagenen Maßnahmen kann mit großer Wahrscheinlichkeit auch im Dauerbetrieb ein sehr gutes Reinigungsergebnis erzielt werden. Die aufgetretenen Probleme hinsichtlich der Anlagensteuerung sowie das z. Z. im Dauerbetrieb noch nicht befriedigende Reinigungsergebnis resultieren ausschließlich aus dem unzureichenden Informationsstand bei der Auftragsvergabe.
Die Erfahrungen mit dem Projekt Offenbach zeigten, dass es offensichtlich Betriebsfälle gibt, die auch ein Betreiber nach mehrjährigem Kanalbetrieb nicht genau kennen kann und bei denen die Reinigungsanlage zwar rein technisch optimal funktioniert, trotzdem aber nicht den erwünschten Reinigungseffekt erzielen kann.
Bei künftigen Projekten sollte ein besonderes Augenmerk auf eine ausführliche Prüfung der Einsatzbedingungen des Systems gelegt werden, wobei die Einbindung eines ortskundigen Fachingenieurbüros empfohlen wird. Zusätzlich erscheint es sinnvoll, derartige Vorhaben in Phasen abzuwickeln. Für weitere Projektphasen wären folgende Empfehlungen zu geben:

1. Weiterentwicklung des Kommunikationssystems.
2. Weiterentwicklung des numerischen Modells der TUD durch Vermessungen des Strömungsprofils
ohne und bei Einsatz der von LIWATECH entwickelten Vorrichtung zur Bermenreinigung mittels
Schwallspülung.
Da nunmehr die Möglichkeit besteht, den Staukanal August-Bebel-Ring im Hauptschluss zu betreiben, konnte eine Anschlussphase in Offenbach durchgeführt werden. Die erheblichen logistischen Einspa-rungen gegenüber dem bisher vorgesehenen Standort Leuna (Fahrtkosten, Fahrzeit) können für wissenschaftliche Leistungen genutzt werden, aber auch der weiteren Optimierung des Anlagenbetriebes in Offenbach dienen.
Zusammenfassung und Ausblick
Die Inhalte der Untersuchungen von Seiten des Fachgebietes für Hydromechanik und Hydraulik umfassten im Projekt zunächst Literaturstudien bzw. Marktanalysen zu den anwendbaren hydrodynamischen Modellen und den am Markt befindlichen Schwallspülsystemen. Im Anschluss wurde mit Hilfe eines aus-gewählten numerischen Modells der Stauraumkanal im August-Bebel-Ring in Offenbach abgebildet. Die Grundlage der Berechnungen waren die aus den Spülversuchen gewonnenen Daten, welche zur Kalibrierung des numerischen Modells verwendet wurden. Die Kalibrierung der modellierten Spülwelle erfolgte mittels der Gerinnerauheit an der Sohle und den Wänden des Stauraumkanals. Die Auswertung der ermittelten Schubspannungen an der Sohle des Kanals ermöglichte es, vereinfachte Bemessungsregeln für das Stauvolumen und die Stauhöhe abzuleiten, so dass ein guter Reinigungserfolg der Spülwelle gewährleistet war.
Es zeigte sich eine gute Übereinstimmung der modellierten Schwallwellen mit den realen Wellen aus den Spülversuchen. Eventuelle Abweichungen konnten mit eventuellen Messungenauigkeiten der Sonden bzw. Ungenauigkeiten der Auswertung der Wasserhöhe im numerischen Modell begründet werden. Die Tatsache, dass die Volume of Fluid-Methode bei der Berechnung des freien Wasserspiegels keine scharfe Grenze, sondern einen verschmierten Grenzbereich ermittelt, lässt einen gewissen Ungenauigkeitsspielraum für die Auswertung der Wasseroberfläche


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die TU Darmstadt sowie die LIWATECH Forschungsgemeinschaft beabsichtigen mehrere Veröffentlichungen der Projektergebnisse in Fachjournalen. Des Weiteren befindet sich ein Fachausschuss Ka-nalnetzsteuerung der DWA in Gründung, der auch die Offenbacher Ergebnisse berücksichtigen wird.


Fazit

Es zeigte sich im Rahmen der Untersuchungen im Offenbacher Projekt, dass mit der neuartigen Schwallspülklappe von LIWATECH Ablagerungen im Kanal erfolgreich gelöst und weitertransportiert werden können. Im Bereich der Kanalreinigung besteht nach den Erfahrungen der Projektpartner jedoch noch ein großes Potenzial für Neu- und Weiterentwicklungen sowie weiterer Forschungsbedarf speziell für die Bemessung von Anlagen zur Reinigung großer Kanalstrecken über 400 m bis zu mehreren Kilo-metern Kanallänge mit einer (Schwallspülungs-)Reinigungseinheit.