Fachliche Grundlagen für den Betrieb von Regenüberlaufbecken

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1 Fachliche Grundlagen für den Betrieb von Regenüberlaufbecken Dr.-Ing. Ulrich Dittmer Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Universität Stuttgart

2 Inhaltsübersicht Grundlagen der Entwässerung im Mischsystem Prinzip MS Abflussmengen - Notwendigkeit von RÜB Funktion, Arten Anordnung - Betriebszustände Bauformen und Bauwerkskomponenten von RÜB Maschinen- und elektrotechnische Ausrüstung Bedeutung des Drosselabflusses Entlastungsaktivität

3 Grundlagen Prinzip des Mischsystems Konventionelles System Abwasser aus Haushalten, Gewerben und Industrie zusammen mit Fremdwasser und Niederschlagswasser Sammlung und Ableitung in einem gemeinsamen Kanal Bei Regen sehr große Abflüsse: Können nicht alle in Kläranlage behandelt werden Bauwerke zur Zwischenspeicherung notwendig! Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

4 Grundlagen - modifiziertes Mischsystem Modifiziertes System In Neubaugebieten Gering verschmutztes Niederschlagswasser wird versickert oder in Gewässer eingeleitet Stärker verschmutztes Niederschlagswasser wird zur Kläranlage geleitet Behandlungsbedarf des Niederschlagswassers abhängig von Herkunftsfläche Belastbarkeit des Gewässers Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

5 Grundlagen - Abflusskomponenten Q H Q G Q F Q R Häusliches Schmutzwasser aus privaten Haushalten, Schulen, Kleingewerbe Gewerbliches Schmutzwasser aus Industrie und Gewerbe Fremdwasser eindringendes Grundwasser, Bach-/Quellwasser und Außengebietszuflüsse Regenwasser bei Regen von befestigten Flächen abfließendes Wasser Q Ges Bildquelle: Dr. Percher AG

6 Grundlagen Abflussmengen: Regenspende Beispiel: Messstation Schömberg (Baden-Württemberg)

7 Grundlagen Abflussmengen: Regenspende Beispiel: Messstation Schömberg (Baden-Württemberg) über Anteil Dauer über Anteil Volumen Nachfolgende Vergleiche vernachlässigen Verlust bei Abflussbildung (Regen = Abfluss) Grundsätzliche Schlussfolgerungen sind davon unberührt Quelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

8 Grundlagen Abflussmengen: Regenspende Beispiel: Messstation Schömberg (Baden-Württemberg) Vergleich mit Bemessung der KA (Q M ): q R = 0,5 bis 2 l/(s*ha) 20 bis 40 % des Volumens werden ohne Zwischenspeicherung in der KA mitbehandelt großer Einfluss von Q M Reserven auf der KA unbedingt ausnutzen Vollständige Behandlung unwirtschaftlich q r Quelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

9 Grundlagen Abflussmengen: Regenspende Beispiel: Messstation Schömberg (Baden-Württemberg) Vergleich mit Kanalnetzbemessung (Q 0 ): r D,n = ca. 100 bis 200 l/(s*ha) Starkregen (n < 1/a) liefern nur geringen Anteil des gesamten Abflussvolumens (< 1 %) Quelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

10 Grundlagen Abflussmengen: Regenspende Beispiel: Messstation Schömberg (Baden-Württemberg) r krit Festlegung von r krit : Nicht alle abgeleiteten Abflüsse können behandelt werden. Sinnvolle Grenze unter Abwägung von ökol. und ökon. Belangen. Bei r krit = 15 l/(s*ha) werden nur 10 bis 20 Vol.-% enlastet. Verdopplung von r krit erhöht behandeltes Vol. nur wenig. Quelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

11 Grundlagen Notwendigkeit von Regenüberlaufbecken Bei Starkregen müssen Kanäle etwa 100 bis 200 l/(s ha) ableiten können An Regenüberläufen wird der Abfluss auf Q krit reduziert Kläranlagen können das 3 bis 9fache von Q S zuzüglich Q F aufnehmen Q M r bem r krit = ca. 100 bis 200 l/(s ha) = 15 bis 45 l/(s ha) = 3 bis 9 Q S + Q F Kläranlagen können damit im Mittel einen Regenabfluss von etwa 1 bis 2 l/(s ha) mitbehandeln (q r )

12 Grundlagen Notwendigkeit von Regenüberlaufbecken Der Abzuleitende Abfluss Q Ges ist sehr viel größer als Q M den die Kläranlage aufnehmen kann Regenwasserentlastungsanlagen zur Begrenzung des Abflusses sind nötig! Abflüsse, die den Bemessungszufluss der Kläranlage (Q M ) übersteigen, werden in Regenüberlaufbecken (RÜB) zwischengespeichert Nicht immer wird der Abfluss an einem RÜ oberhalb vorentlastet

13 Grundlagen Notwendigkeit von Regenüberlaufbecken Der Abzuleitende Abfluss Q Ges ist sehr viel größer als Q M den die Kläranlage aufnehmen kann Regenwasserentlastungsanlagen zur Begrenzung des Abflusses sind nötig! Nach dem Regenereignis wird das gespeicherte Volumen zur Kläranlage weitergeleitet und dort behandelt Bei größeren Regenfällen (nicht unbedingt Starkregen ) laufen RÜB über. Das ist unvermeidbar. Überlaufhäufigkeit: 18 bis 36 mal pro Jahr. Nicht verwechseln mit Überstau bei Überlastung des Kanalnetzes (n Soll < 1 pro Jahr)

14 Volumen- und Frachtbilanz ideale Standardnetze: Anteil CSB-Fracht ca. 40% bis 60% akute Wirkung / kleine Gewässer Relevanter Belastungspfad Das Standardnetz ist die Ausnahme Im Einzelfall wissen wir wenig 15% 40% 85% 60% Abflussaufteilung an RÜ und RÜB 8% 20% Landesverband Baden- Württemberg 92% 80% Kläranlage 8% 80% Gewässer

15 Grundlagen - Funktionen Arten von Regenüberlaufbecken Fangbecken Durchlaufbecken Fangbecken bei ausgeprägtem Spülstoß bei kleinen Einzugsgebieten bis 20 ha und kurzen Fließzeiten bis 15 min Durchlaufbecken bei gleichmäßiger Verschmutzungskonzentration Größere Einzugsgebiete Gebiete mit Entlastungsanlagen oberhalb

16 Grundlagen - Fangbecken Fangbecken speichern stark verschmutzte Abflussanteile zu Beginn des Regens (Spülstoß) Wenn das Becken voll ist, wird über den Beckenüberlauf in das Gewässer entlastet Anordnung des Beckenüberlaufs im Zulaufbereich, um Durchmischung mit stark verschmutztem Inhalt zu vermeiden

17 Grundlagen Durchlaufbecken (DB) Zusätzlich zur Zwischenspeicherung wird in DB der größte Teil des Entlastungsabflusses durch Absetzen gereinigt. Durchlaufbecken besitzen einen Klärüberlauf (KÜ) um vorgereinigtes Mischwasser in das Gewässer abzuleiten Der Abfluss über den KÜ und damit der Durchfluss durch das DB werden begrenzt. ausreichenden Aufenthaltszeit für Absetzvorgang Vermeidung der Aufwirbelung abgesetzter Stoffe Größere Abflüsse werden vor dem Becken über den BÜ entlastet.

18 Grundlagen - Verbundbecken Kombination aus Fang- und Durchlaufbecken Besitzt sowohl einen Fang- also auch einen Klärteil Zu Beginn eines Regenereignisses wird ankommendes Mischwasser mit verschmutzten Spülstoß im Fangteil gespeichert Nach Füllung des Fangteils durchfließt dann ankommendes weniger verschmutztes Mischwasser den Klärteil und wird mechanisch gereinigt Mechanisch vorgereinigtes Wasser wird über den Klärüberlauf ins Gewässer geleitet

19 Grundlagen Anordnung in Haupt- und Nebenschluss Im Hauptschluss durchfließt der Trockenwetterabfluss das Becken Übersteigt bei Regenwetter der Zufluss zum Becken den maximalen Drosselabfluss, füllt sich das Becken Beckenkammer und Kanalnetz füllen und entleeren sich zeitgleich (hydraulische Kopplung)

20 Grundlagen - Fangbecken im Hauptschluss Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

21 Grundlagen - Durchlaufbecken im Hauptschluss Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

22 Grundlagen - Anordnung Im Nebenschluss wird Trockenwetterabfluss durch ein Trennbauwerk am Becken vorbeigeführt Bei einem Regenereignis steigt der Wasserspiegel im Trennbauwerk Überlauf von Mischwasser in das Becken Nach Regenende muss zunächst der Wasserspiegel im Kanalnetz sinken, bevor das Becken entleert wird (hydraulische Entkoppelung) RÜB im Nebenschluss werden meist durch Pumpen entleert.

23 Grundlagen - Fangbecken im Nebenschluss Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

24 Grundlagen - Durchlaufbecken im Nebenschluss Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

25 Grundlagen - Betriebszustände Beispiel: Durchlaufbecken im Hauptschluss Bei Trockenwetter durchfließt der Trockenwetterabfluss in offener Rinne das Becken Weil der Zufluss zum Becken kleiner ist als Drosselabfluss, Q Zu kleiner als Q Dr...wird er komplett in Richtung Kläranlage weitergeleitet

26 Grundlagen - Betriebszustände Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

27 Grundlagen - Betriebszustände Wenn bei Regen der Zufluss zum Becken den Drosselabfluss übersteigt, Q Zu größer als Q Dr...kommt es zu Rückstau vor Drosselorgan Das Becken beginnt sich zu füllen

28 Grundlagen - Betriebszustände Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

29 Grundlagen - Betriebszustände Wenn der Zufluss zum Becken längere Zeit den Drosselabfluss überschreitet, Q Zu größer als Q Dr... erreicht irgendwann der Wasserstand im Becken die Höhe des Klärüberlaufs Der Klärüberlauf springt an Über den KÜ wird Mischwasser entlastet, das durch Absetzen der Feststoffe teilweise gereinigt ist. Damit das Absetzen funktioniert, wird der Abfluss über den KÜ begrenzt (hier durch einen Schlitz)

30 Grundlagen - Betriebszustände Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

31 Grundlagen - Betriebszustände Wenn das DB voll ist und der Zufluss den kritischen Mischwasserabfluss (Q krit ) überschreitet, Q Zu größer als Q Krit... steigt der Wasserstand im Becken auf die Höhe des Beckenüberlaufs BÜ) BÜ springt an völlig unbehandeltes Mischwasser wird entlastet Dieser Zustand ist sehr selten!

32 Grundlagen - Betriebszustände Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

33 Grundlagen - Betriebszustände Sobald der Zufluss den Drosselabfluss wieder unterschreitet, Q Zu kleiner als Q Dr... entleert sich das Becken selbstständig

34 Grundlagen - Betriebszustände Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

35 Grundlagen - Betriebszustände Die abgesetzten Stoffe müssen nach dem Regen zur Kläranlage weitertransportiert werden Dazu werden sie entweder am Ende der Entleerung durch Strömungserzeuger aufgewirbelt oder nach der Entleerung durch Schwallspüleinrichtungen ausgespült ( siehe Beispiel)

36 Betriebszustände - Spülung Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

37 Betriebszustände - Spülung zur Gliederung Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

38 Betriebszustände - Durchlaufbecken im NS Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

39 Betriebszustände - Durchlaufbecken im NS Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

40 Betriebszustände - Durchlaufbecken im NS Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

41 Betriebszustände - Durchlaufbecken im NS Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

42 Betriebszustände - Fangbecken im HS Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

43 Betriebszustände - Fangbecken im HS Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

44 Betriebszustände - Fangbecken im HS Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

45 Betriebszustände - Fangbecken im HS Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

46 Betriebszustände - Fangbecken im NS Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

47 Betriebszustände - Fangbecken im NS Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

48 Betriebszustände - Fangbecken im NS Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

49 Betriebszustände - Fangbecken im NS Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

50 Betriebszustände - Fangbecken im NS zur Gliederung Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

51 Maschinen- und elektrotechnische Ausrüstung Maschinentechnik Drosselorgane Reinigungseinrichtungen Elektrotechnik Messeinrichtungen Fernüberwachung und Fernwirktechnik

52 Maschinen- und elektrotechnische Ausrüstung - Drosselorgane Drosselorgan Zur Begrenzung des an die Kläranlage weitergeleiteten Abflusses Abfluss sollte möglichst konstant gehalten werden Wichtigste maschinentechnische Einrichtung des RÜB Bildquelle: bgu- Umweltschutzanlagen GmbH

53 Maschinen- und elektrotechnische Ausrüstung - Drosselorgane Unterscheidungsmerkmale von Drosselorganen Passive Drosseln (Rohrdrosseln und feste Schieber) können den Abflussquerschnitt nicht verändern Ablauf wächst mit Quadratwurzel des Wasserstandes (Torricelli) Kein Einsatz von Rohrdrosseln an RÜB Feste Schieber ungeeignet zur Drosselung (Verlegungsgefahr) Aktive Drosseln können den Abflussquerschnitt verändern Steilere Abflusskurven und konstanterer Durchfluss erreichbar

54 Maschinen- und elektrotechnische Ausrüstung - Drosselorgane Unterscheidungsmerkmale von Drosselorganen Steuerung Veränderungen des Wasserstandes vor Drosseleinlauf wird entgegengewirkt (hydraulisch oder hydraulisch-mechanisch) Kernproblem Steuerung: unbekannter Durchfluss Verlegungen können nicht erkannt werden, Drossel reagiert u.u. falsch Regelung Bestimmung des aktuellen Durchflusses Regelung kann Verlegung des Abflussquerschnittes aufgrund verändertem Durchfluss erkennen

55 Maschinen- und elektrotechnische Ausrüstung - Drosselorgane Unterscheidungsmerkmale von Drosselorganen Mit oder ohne Fremdenergie Ohne Fremdenergie wird Energie für Steuer- und Regelvorgänge dem Abwasserstrom entnommen Auswahl Drosselorgan abhängig von Verstellbarkeit des Abflusses Steilheit der Abflusskurve (Konstanz des Drosselabflusses) gleichzeitiger Durchflussmessung

56 Bildquelle: DWA A166

57 Bedeutung des Drosselabflusses Q Dr Drosselabfluss: Wassermenge, die an einer Regenwasserentlastungsanlage in Richtung der Kläranlage weitergeleitet wird Abflüsse größer als Q Dr werden entlastet oder gespeichert

58 Bedeutung des Drosselabflusses Q Dr Wird bei der Planung abhängig vom Bemessungszufluss der Kläranlage (Q M ) festgelegt Die Drosselabflüsse aller RÜB in einem Gebiet sind auf Q M und untereinander abgestimmt Der Drosselabfluss hat großen Einfluss auf die Gewässerbelastung Darf nicht ohne Genehmigung der Aufsichtsbehörde verändert werden! Muss regelmäßig auf Genauigkeit überprüft werden

59 Kriterien und Maßstäbe für das Verhalten Systembezogene Betrachtung RÜB 2 Fluss EZG 2 Kläranlage EZG 1 RÜB 1 EZG 3 RÜB 3 Idealisiertes Beispiel: homogenes Gebiet ideal bemessene RÜB (V S und q r einheitlich) 61

60 RÜB 2 Fluss EZG 2 Kläranlage EZG 1 RÜB 1 EZG 3 RÜB 3 einheitliches Einstau- und Entlastungsverhalten Optimale Speicherauslastung Minimale Emissionen bei gegebenem Speichervolumen 62

61 Kriterien und Maßstäbe für das Verhalten Systembezogene Betrachtung RÜB 2 Fluss EZG 2 Kläranlage EZG 1 RÜB 1 EZG 3 RÜB 3 Gewollte Abweichungen von der Gleichmäßigkeit: Besonders schutzbedürftige Gewässerabschnitte Ungleichmäßiges Gefälle ( Kanalablagerungen) Starkverschmutzer in einem Gebiet 63

62 RÜB 2 Fluss EZG 2 Kläranlage EZG 1 RÜB 1 EZG 3 RÜB 3 Ungewollte Abweichungen von der Gleichmäßigkeit: zu hohe Drosselabflüsse an RÜB 2 und 3 ineffektive Speicherausnutzung Drosselprüfung!!! unnötig hohe Emissionen 64

63 RÜB 2 Fluss EZG 2 Kläranlage EZG 1 RÜB 1 EZG 3 RÜB 3 Ungewollte Abweichungen von der Gleichmäßigkeit: zu hohe Drosselabflüsse + unvollständige Entwicklung 65

64 RÜB 2 Fluss EZG 2 Kläranlage EZG 1 RÜB 1 EZG 3 RÜB 3 Ungewollte Abweichungen von der Gleichmäßigkeit: zu hohe Drosselabflüsse + unvollständige Entwicklung ineffektive Speicherausnutzung Optimierungspotenzial!!! unnötig hohe Emissionen 66

65 Inhaltsübersicht Grundlagen Mischsystem, Abflussmengen, Verschmutzung, Kritischer Mischwasserabfluss, Notwendigkeit und Funktion von Regenwasserentlastungsanlagen Bauformen und Bauwerkskomponenten Maschinen- und elektrotechnische Ausrüstung Bedeutung des Drosselabflusses Entlastungsaktivität

66 Entlastungsaktivität Charakterisierung der Entlastungsaktivität durch Entlastungshäufigkeit und -dauer Zur Erkennung einer Entlastung Wasserstandsmessung im Becken Wenn Wasserstand Überfallhöhe überschreitet, wird Zeit gemessen Bei selbstregulierenden Wehren ist Zeitdauer entscheidend, in der das Wehr sich außerhalb der Ruhestellung befindet

67 Entlastungsaktivität Aussagekräftige Informationen nur mit Messdaten von 3 bis 5 Jahren gewinnbar. Für Planungsaufgaben noch länger Vergleiche mehrerer RÜB in einem EZG auch schon nach kürzeren Zeiten.. Grundsätzlich Archivierung der Daten als Rohdaten Verdichtung führt zu Informationsverlust Typische Entlastungsaktivitäten mit Ranking-Kurven und Rating- Tabellen Entlastungshäufigkeit: Tage mit Entlastung (d.h. ein Überlaufen von 23:55 Uhr bis 00:10 Uhr zählt als zwei Ereignisse)

68 Bildquelle: H.Brombach

69 Kriterien und Maßstäbe für das Verhalten Bewertung nach Brombach & Wöhrle (1997) Vergleich der Ranking-Daten mit geprüften Messdaten Referenzdatensatz enthält zahlreiche pervertierte Vorklärbecken durchschnittlich nach BROMBACH durchschnittlich in geprüften Daten DB FB Problem: Die Masse muss nicht immer Recht haben systematischer Fehler Kein gesicherter Maßstab für normales Verhalten seit 2017 neue Kurven

70 Entlastungsaktivität Mit Hilfe der Messdaten ist Einordnung eines RÜB möglich Vergleich mit der Gesamtheit aller RÜB. Keine Aussage zur Korrektheit von Bemessung und Betrieb Einfaches Prüfkriterium für Durchlaufbecken: Entlastungaktivität Klärüberlauf soll größer sein als die des Beckenüberlaufs Ungleichmäßige Verteilung der Entlastungsaktivitäten deutet auf nicht bestimmungsgemäß funktionierendes Abwassersystem hin Das insgesamt zur Verfügung stehende Speichervolumen wird nicht optimal genutzt Ein RÜB entlastet bereits, während in anderem noch nutzbares Speichervolumen zur Verfügung steht Kann nur von zentraler Erfassung und Auswertung erkannt werden

71 Kriterien und Maßstäbe für das Verhalten Praxisbeispiel eingemeindeter Ortsteil RÜB 102 RÜB 104 RÜB 106 PW RÜB 60 Kläranlage junges Gewerbegebiet RÜB 601 RÜB 33

72 Praxisbeispiel RÜB 102 RÜB 104 RÜB 106 PW Hohe Entlastungsaktivität an kontrollierten Drosselorganen ( Schlüsselbecken ) RÜB 60 Kläranlage RÜB 601 RÜB 33

73 Praxisbeispiel RÜB 102 RÜB 104 RÜB 106 PW Geringe Aktivität an RÜB oberhalb (wasserwirtschaftlich nicht bedeutsam?) Gebiete nicht voll (im MS) erschlossen Optimierungspotenzial RÜB 601 RÜB 60 RÜB 33 Kläranlage

74 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

75 Entlastungsaktivität Vergleich mit Simulation Schmutzfrachtmodelle werden in der Regel nicht kalibriert Absolutwerte sind nicht aussagekräftig Gilt für alle Größen, v.a. für Konz. und Frachten In der Planung nur Variantenvergleich Wesentliche Ursachen für Abweichungen: Unterschiedliche Regenbelastung Überschätzung der Flächen und ihrer Abflusswirksamkeit Unterschätzung des Retentionsvolumens im Kanal Unterschätzung des Fremdwasseranfalls (oder der Charakteristik)