Die Siedlungswasserwirtschaft in Europa durchläuft aktuell einen kontinuierlichen Umbruch, der einhergeht mit den Anforderungen der EU an die Qualität der Gewässer und dem damit verbundenen hohen Standard der Abwasserreinigung. Begleitet wird dies von der in der in zahlreichen Mitgliedsstaaten geübten Praxis der Überwachung der Reinigungsleistung der Abwasseranlagen, die im Prinzip keine Störung des Betriebs der Abwasserreinigungsanlage (Kläranlage) zulässt. Wichtige, häufig als solche aber unterschätzte Störstoffe im Betrieb von Abwasserreinigungsanlagen, die aber in jeder kommunalen Abwasserreinigungsanlage vorkommen, sind die partikulären, nicht im Abwasser gelösten Inhaltsstoffe. Dazu gehören mineralische Bestandteile, die häufig als Sand zusammengefasst werden, außerdem „Fette“ sowie weitere organische Bestandteile.
Untersuchungen (z. B. Hirschbeck, 2010) zeigen, dass viele konventionelle belüftete Sandfänge den häufig geforderten Sandabscheidegrad ≥ 95 % bereits bei einer Sandtrennkorngröße 200 µm und größer, die eindeutig den oben genannten Störstoffen zuzurechnen sind, nicht erreichen können.
Zudem werden seit einigen Jahren vermehrt dezentrale Regenwasserbehandlungsanlagen ergänzend mit sogenannten Schrägklärern ausgestattet, da Fließgewässer vom erhöhten Eintrag von Fein- und Mittelsanden als auch Fett entlastet werden sollen. Diese Abscheideverfahren halten den Sand und auch Schlamm sehr solide in den Regenbecken zurück und konzentrieren die abgeschiedenen Stoffe folglich entsprechend in den Becken auf. Die hier abgeschiedenen Feststofffraktionen werden bei der notwendigen Regenbeckenspülung/ -reinigung zur nachgeordneten Kläranlage transportiert und belasten diese mit einer zusätzlichen Sandfracht sehr feiner Fraktion. Es ist daher absehbar, dass die Sedimente aus den Regenbecken in Zukunft in den Kläranlagensandfängen zu erhöhten Anforderungen führen. Ansonsten würde der Sand feinerer Zusammensetzung in die nachfolgenden verfahrenstechnischen Stufen gelangen und es dort zu sich negativ auswirkenden Betriebsergebnissen kommen.
Untersuchungen von Unterweger (2006) zeigen außerdem, dass der Wirkungsgrad der Fettabscheidung auf den untersuchten 24 Kläranlagen mit belüfteten Sand- und Fettfängen mit ca. 10 bis 15 % sehr gering ist.
Das Ziel des Projektes ist es, einen hydraulisch breitbandig einsetzbaren Kompakt-Leitwandsandfang zu entwickeln, der im Bereich von Q = 15 bis 100 l/s in mehreren Baugrößen kosten- und energieeffizient sehr hohe Fein- und Mittelsandabscheidegrade sowie hohe Fettabscheidegrade erreichen kann. Aus bisherigen Erkenntnissen der Projektpartner stehen folgende Entwicklungen im Fokus:
• Nutzbarmachung der Leitwandtechnik für einen großen Teil kommunaler Klärwerke welche die Kompaktanlagenbauformen präferieren.
• Nutzung der Leitwandtechnik und hydrodynamisch wirksamer Bauteile, um innerhalb eines einzigen Baukörpers in einer Baugröße ein Abwasservolumenstromverhältnis von bis zu 1:4 zu ermöglichen.
• Entwicklung mehrerer Baugrößen, um die Bandbreite von 15 bis ca. 100 l/s bei typischen Prüfsanden nach DWA abdecken zu können.
• Integration einer bereits existenten Rechenanlage mit Rechengutentnahme
• Integrierte Fettabscheidung, Fettoberflächentransport und Fettabzugsrinne in der Kompaktanlage
Kern der Entwicklung des neuen Sandfangtyps sind Untersuchungen an einer Versuchsanlage im realen Maßstab sowie begleitende CFD-Simulationen der Anlage.
Auf Basis der Erkenntnisse der Entwicklung des Leitwandsandfangs wurde eine virtuelle Basisvariante entwickelt und mit Hilfe von CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) bzgl. der Ziele Durchströmung, Absetzen von Sand und Aufstieg von Fett untersucht und die Auslegung der Versuchsanlage iterativ angepasst.
Darauf aufbauend wurde die Kompaktversuchsanlage geplant, gebaut und in einem Versuchsfeld auf dem Firmengelände von GWT in Ober-Mörlen aufgestellt. Die Versuchsanlage bestand aus einem Leitwandsandfang mit Vergleichmäßigern, Sandförderschnecken, einem vorgeschalteten Rechenfeld sowie einer Räumeinrichtung (Zwangsströmung) für Fette und einem Ablaufbereich. Die Versuchsanlage musste mit der maximal angedachten Wassermenge von 60 L/s über einen längeren Zeitraum (mehrere Stunden) beschickt werden können. Um dies umzusetzen wurde die Anlage über einen Vorlagebehälter, eine Pumpe und Rohrleitungen im Kreislauf betrieben. Die Durchlaufwassermenge konnte hierbei mit einem MID erfasst und über einen Schieber eingestellt werden. Der Sand wurde über eine Zugabestelle im Zulaufkanal der Anlage zugegeben. Hierfür wurde ein einfaches Zugabesystem, ähnlich einer Sanduhr, entwickelt, mit dem sehr konstant die gewünschte Sandmenge pro Zeiteinheit dosiert werden konnte. Ergänzend wurde noch ein gesonderter Schrägklärer nachgeschaltet, um die Bemessungsgröße Sand bis zu einer Siebkorngröße von 200 µm im Kreislaufbetrieb vollständig aussondern zu können. Im realen Betrieb wird die Rechenanlage und der Fetträumer automatisch betrieben. In der Versuchsanlage wären die Kosten für die Automatisierung viel zu hoch und auch nicht sinnvoll. Daher wurde darauf verzichtet.
Die Anlage wurde mit Brauchwasser betrieben und ein definierter Prüfsand im empfohlenen Sandkorngrößenbereich nach DWA (Hirschbeck, 2015) im Zulaufkanal vor der Anlage zugegeben. Es handelte sich hierbei um den „Quarzsand Frechen F 32“ der Quarzwerke GmbH. Die typische Korngrößenverteilung des Sandes liegt zwischen 100 und 400 µm. In den Versuchen wurden bei Durchflüssen zwischen 15 und 60 L/s Sandkonzentrationen zwischen 200 und 300 mg/L erreicht. Der Sandabscheidegrad pro Versuch konnte aus der Bilanzierung der zugegebenen Sandmenge und der im Schrägklärer zurückgehaltenen Sandmenge der Sandpartikel ≥ 200 µm berechnet werden. Die Bestimmung der Sieblinie des im Schrägklärer zurückgehaltenen Sandes erfolgte in einem externen Labor.
Ein wesentliches Ziel der Untersuchungen an der Versuchsanlage war es, für das Verfahren einfache, auf den Sandfang anzuwendende Bemessungsregeln für die Sandfanganlage bei verschiedenen Durchflüssen abzuleiten. Da nur eine Baugröße untersucht wurde, wurden alle weiteren Baugrößen in CFD simuliert und somit ausgelegt.
Folgende CFD-Modellierungen und –Simulationen wurden durchgeführt:
• CFD-Modellierung und Simulation der LW-Kompa-Entwurfsanlage für die Vorplanung der Versuchsanlage, inkl. Partikelsimulation
• Nachträgliche Kalibrierung des Modells (Anpassung von Rand- und Feldbedingungen) mit den Ergebnissen aus den Strömungs- und Absetzversuchen in der LW-Kompa-Versuchsanlage
• CFD-Modellierung und Simulation von weiteren Durchflüssen und Baugrößen für die zukünftige Anlagendimensionierung
Im Projekt wird die CFD-Software FLOW-3D verwendet.
Das wichtigste Ziel des Projekts war es einen unbelüfteten Sandfang für kommunaler Kläranlagen zu entwickeln, der bei einer typischen Durchflussspreizung zwischen Trocken- und Regenwetter von bis zu 1:4 Sandpartikel ≥ 200 µm in einem Baukörper weitgehend zurückhalten kann. Da die Anlagendimensionierung nicht allein über Versuche durchgeführt werden konnte, wurde die Anlage zusätzlich mit Hilfe von CFD-simuliert. Um zu ermitteln, inwieweit die CFD-Simulationen und die Messungen übereinstimmen, wurden insgesamt 6 Versuche in CFD nachsimuliert und jeweils 5 Kornfraktionen miteinander verglichen. Die absoluten Differenzen lagen bei 27 von 30 Werten der Einzelfraktionen bei unter 1 % und im Maximum bei 2,8 %. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Differenz bei der Einzelfraktion bei maximal 3 % und bei der Trennkorngröße 200 µm bei maximal 1 % liegt. Das Ziel das CFD-Modell mit Hilfe der Versuche zu kalibrieren wurde somit erreicht.
Bei der optimierten Anlagenvariante konnte für die Trennkorngröße von 200 µm bei einer durchschnittlichen Wassertemperatur von 12,8 °C im Versuch ein Abscheidegrad von nahezu 98 % erreicht werden. Dieses Ergebnis liegt deutlich über den Abscheideergebnissen sonstiger am Markt verfügbarer Sandfang- Kompaktanlagen. Das Ziel einen Baukörper für die Durchflussspreizung bis zu 100 L/s zu entwickeln wurde durch die Versuche und Simulationen erreicht.
Mit dem kalibrierten CFD-Modell wurde anschließend die Anlagendimensionierung für den Korngrößenbereich 63 bis 500 µm bei einer Wassertemperatur von 10 °C mit Hilfe von CFD-Simulationen durchgeführt. Da der Sandabscheidegrad der Einzelfraktionen bekannt ist, kann mit Hilfe der Anlagendimensionierung für eine beliebige Korngrößenverteilung eines Sandes der Abscheidegrad für einen bestimmten Durchfluss ermittelt und die Anlage entsprechend ausgelegt werden. Das Ziel der Anlagendimensionierung mit Hilfe von CFD wurde erreicht.
Die Fettabscheidung konnte durch die Versuche anschaulich dargestellt und darauf aufbauend verbessert werden. Quantitative Aussagen zum Fettabscheidegrad können leider nicht abgeleitet werden. Das Ziel die Fettabscheidung zu verbessern und die Verbesserung der Abscheidung quantitativ zu erfassen wurde teilweise erreicht.
Bedingt durch die wirtschaftliche Neuordnung der Arbeits- und Materialversorgungsabläufe nach der Corona Endemie als auch des russischen Einmarsches in die Ukraine ergaben sich erhebliche Schwierigkeiten in allen Belangen der Zeit- und Ressourcenplanung. Die Kostenkalkulation konnte trotzdem, unter Einsatz bereits vorher eingelagerter Materialien, eingehalten werden, wohingegen der zeitliche Verlauf um 16 Monate erweitert werden musste.
Erste Zwischenergebnisse nebst Realmodellabschnitt wurden bereits auf der IFAT – Weltleitmesse für Umwelttechnologien vom 30.05. bis 03.06.2022 in München auf dem Messestand von Grimmel Wassertechnik GmbH vorgestellt. Die Ergebnisse sollen neben dem Abschlussbericht in einer Fachzeitschrift der Siedlungswasserwirtschaft veröffentlicht werden. Als diesbezügliche Plattformen bieten sich die Veröffentlichungen in der Zeitschrift gwf Wasser Abwasser oder in der DWA-Fachzeitschrift Korrespondenz Abwasser an.
Eine wichtige Voraussetzung für die Einführung einer neuen Sandfanganlage ist die Glaubhaftigkeit bei der Anlagendimensionierung und deren Nachweis. Der Kunde erwartet, dass die versprochene Leistung auch tatsächlich abgerufen werden kann. Die Möglichkeit die Leistung einer neuen Anlage und deren Dimensionierung durch Versuchsergebnisse und nachweislich realitätsnahe CFD-Simulationen zu untermauern ist hierbei als ein sehr profundes Überzeugungskriterium wichtig. Dieser Nachweis wurde in diesem Projekt für die LW-Kompa“ erbracht.