Bachelorarbeit in der Gebäude- und Energietechnik. Hydraulische und verfahrenstechnische Konzepte für eine Trinkwasseraufbereitungsanlage

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1 Bacheorarbeit in der Gebäude- und Energietechnik Nr. BA-GET 14/06 Hydrauische und verfahrenstechnische Konzepte für eine Trinkwasseraufbereitungsanage Fako Haebach Abgabedatum: Gutachter: 2.Gutachter: Prof. Dr.-Ing. J. Mischner Dip.-Chem. G. König

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3 Zusammenfassung Die Trinkwasserverordnung, mit der Forderung nach nicht aggressivem Trinkwasser, macht die Instaation einer Entsäuerungsanage und damit den Umbau eines Wasserwerkes des Zweckverbands Wasser Abwasser Vogtand (ZWAV) notwendig. Für diese Panung ist eine Variantenuntersuchung zweier Entsäuerungsverfahren und die Ermittung der hydrauischen Verhätnisse in der bestehenden sowie der gepanten Anage durchgeführt worden. Durch die detaiierten Beschreibungen der Vorgehensweise bei diesen Untersuchungen und die kritische Betrachtung der Ergebnisse, bezügich Feherqueen und Methodik, kann diese Arbeit für ähniche Panungsaufgaben von Interesse sein. Abstract In the German order for drinking water is said that drinking water must be produced with out any aggressive carbonic acid. Because of it a water treatment pant from a regiona suppier must be rebuit with a process against the carbonic acid in the water. A examination from two kinds of processes against acid water and the hydrauic proportion of the od and the new water treatment pant was made for this panning. This paper coud be interesting above a for other pannings with the same aim. It consists of a description about the procedure for this examiation and the critica inspection of the resuts with regard to the methods and reasons for mistakes. I

4 Inhatsverzeichnis Abbidungsverzeichnis... IV Tabeenverzeichnis... IV Vorwort... V 1 Eineitung Einführung in das Projekt Wasserwerk Gippe Übersicht der Aufgaben Chemische Untersuchungen Notwendigkeit der Trinkwasserentsäuerung Ermittung des Geichgewichts ph-wertes Aufgabensteung Voruntersuchung zu Rechenverfahren C10 R Berechnung des Geichgewichts-Kohendioxids Berechnung des Geichgewichts ph-wertes Bewertung des ermitteten ph-wertes Feherbetrachtung Entsäuerung durch Fitration über akaische Medien Aufgabensteung Aufbau des Versuchsfiters Fitermateriaen Ergebnisse der Fiterversuche Feherbetrachtung Entsäuerung durch Beimischung von Kakmich Aufgabensteung Rahmenbedingungen Messreihen Auswertung der Untersuchung Feherbetrachtung Hydrauische Untersuchungen Aufgabensteung Druckverustmessreihe Ruppertsgrün / Esterberg Ermittung der Höhenagen Berechnungen zur Druckdifferenzmessung II

5 3.2.3 Feherbetrachtung Graphische Darsteung der Messwerte Ermittung der Rohrrauhigkeit k Rohreitungskenninie Wertung der Ergebnisse Beobachtung Untersuchungen der Anagendruckveruste Vorbetrachtung Festegung des Fiterwiderstandes Druckverustberechnung nach ZANKE Auswertung der Druckverustberechnung Auswertungen der hydrauischen Untersuchung Diskussion der Varianten Schusswort... VI Anagenverzeichnis... VII Literaturverzeichnis... VII Sebständigkeitserkärung... IX III

6 Abbidungsverzeichnis Abbidung 1. Versuchsfiter in der Pumpstation Gippe Abbidung 2. Grafische Darsteung der ph-wert Messreihen Abbidung 3. Rohrreibungsdruckgefäe im Bereich der Messstrecke Abbidung 4. Rohreitungskenninie der Überandeitung Tabeenverzeichnis Tabee 1. Ergebnisse der Voruntersuchung Tabee 2. Messwerte JURA PERLE Tabee 3. Messwerte HYDRO-CALCIT Tabee 4. Ergebnisse 1 % Lösung Tabee 5. Ergebnisse 0,25 % Lösung Tabee 6. Ergebnisse 0,1 % Lösung Tabee 7. Messwerte der Druckverustmessreihe Tabee 8. Längen der Teistrecken Tabee 9. Ermittung der ζ-werte Tabee 10. positive Argumente der Entsäuerungsverfahren Tabee 11. negative Argumente der Entsäuerungsverfahren IV

7 Vorwort Während der Praktika des Bacheor Studiums wurde ich mit der Ermittung einiger Werte im Vorfed der Panung einer Wasseraufbereitungsanage beauftragt. Bei der Bearbeitung dieses Themas wurde mir deutich wie sehr chemische und physikaische Grundagen hier in verknüpfter Form ineinander greifen. Eine bessere fachübergreifende Aufgabensteung eines wissenschaftichen und praxisorientierten Themas kann ich mir kaum vorsteen. Die Lösung der Aufgaben stete mich immer wieder vor neue Probeme und Herausforderungen, die ohne fachich kompetente Betreuung nur schwer zu bewätigen gewesen wären. Deshab ist es mir ein aufrichtiges Bedürfnis, mich bei meinen Gutachtern Frau Dip.-Chem. König und Herrn Prof. Dr.-Ing. Mischner herzich zu bedanken. Sie hafen mir über manche Hürde und ermögichten mit Weitsicht und engagiertem Verhaten das Geingen dieser Arbeit. Dank gebührt auch Herrn Dip.-Ing. Maier und Herrn Jordan vom Zweckverband Wasser Abwasser Vogtand, die mich in dieses interessante Thema eingeführt und bei der Bearbeitung betreut haben. Immer standen sie mir mit Rat und fachicher Kompetenz zur Seite. Besonders bedanken möchte ich mich für die Zusammenarbeit bei Herrn Spitzner. Er unterstützte mich bei den Messungen, dem technischen Versuchsaufbau und mit seinen Kenntnissen über die von ihm betreute Wasserversorgungsanage Ruppertsgrün / Esterberg. V

8 1 Eineitung 1.1 Einführung in das Projekt Wasserwerk Gippe Esterberg ist eine Keinstadt in ändicher Gegend. Geografisch iegt es im Mittegebirge in einem Ta ca. 300 Meter über dem Meeresspiege. Die umgebende Landschaft ist geprägt durch Nadewäder und andwirtschaftiche Nutzfächen. Geoogisch besteht der Boden größtenteis aus Lehm, Phyit und Schiefergestein. Typisch für diese Region sind weiche, saure Wässer da kaum Härtebidner im Erdreich vorhanden sind. Zur Versorgung der Bevökerung wird Oberfächenwasser aus der Tasperre Zeuenroda sowie oberfächennahes Grundwasser aus dem Einzugsgebiet Ruppertsgrün aus Horizontabrunnen genutzt. Das Tasperrenwasser muss das Versorgungsunternehmen vom Betreiber der Tasperre abkaufen und ist somit bestrebt so vie wie mögich Wasser aus eigenen dezentraen Queen, einerseits aus Kostengründen andererseits aus Gründen der Versorgungssicherheit, zu beziehen. Das historisch gewachsene Versorgungsgebiet Esterberg Ortstei Gippe und Görschnitz wurden zu großen Teien vom Wasser aus dem Einzugsgebiet bei Ruppertsgrün, über die Pumpstation in Gippe versorgt. Dieses Wasser ist ein natürich reines Wasser, weches außer der vorbeugenden Chorung, keiner weiteren Aufbereitung bedurfte. In den Hochbehäter Esterberg fießt das Wasser durch einen natürichen Höhenunterschied von ca. 10 Metern. Nach Görschnitz muss es ca. 80 Höhenmeter gepumpt werden. Der Zustand der bestehenden Anage ist technisch gesehen gut, es wurde jedoch aus optischen Gründen schon über eine Sanierung bzw. einen Umbau nachgedacht. Mit der Änderung der Trinkwasserverordnung 2001, die 2003 in Kraft getreten ist, musste das Unternehmen einige Anagen, die bisher nur eine Fitration oder keine Aufbereitung enthieten, auf Fitration über akaische Fitermedien umsteen. Das bewährte Verfahren sote auch zur Aufbereitung für das Wasser des Ruppertsgrüner Einzugsgebietes angewandt werden. Aus diesem Grund prüfte der ZWAV die örtichen Bedingungen und ieß die nötigen Voruntersuchungen im Rahmen der Panung durchführen. Technoogisch war eine geschossene Fiteranage vorgesehen, da die gesamte Anage, 1

9 abgesehen von einer Abzweigeitung, bisher ohne Pumpe arbeitet, siehe Ü- bersicht des Wasserversorgungssystem Esterberg im Anhang (3). As Grundage für die Untersuchungen ist man von einer Kapazität des Wasserwerkes mit 450 m³/d Reinwasserproduktion ausgegangen, da dies der maxima genehmigten Entnahmemenge des Einzuggebietes entspricht. As Fitermateria soten die Produkte Jurapere sowie Hydro-Cacit, je nach Eignung, eingesetzt werden. 1.2 Übersicht der Aufgaben Kernpunkt der Aufgabe ist es, grundegende Daten für die Panung dieser Wasseraufbereitungsanage zur Fitration und Entsäuerung zu ermitten, wobei die Funktion einer sochen Anage wie fogt beschrieben wird. Zitat : [4] Die Fitration zur Partikeentfernung, Adsorption und chemischen Entsäuerung ist das Verfahren bei dem im Prinzip die in der Natur bei der Versickerung von Wasser stattfindenden Vorgänge in ideaisierter, aber definierter Umgebung simuiert werden Daraus abgeeitet ergibt sich die zentrae Frage, wie man diese ideaen, definierten Umgebungsbedingungen schaffen kann, um ein Wasser mit den gewünschten Eigenschaften herzusteen. In Abhängigkeit der Wasserbeschaffenheit muss ein geeignetes Fitermedium ausgewäht werden. Hierzu gibt die DIN Auskunft über die vom Bundesministerium für Gesundheit genehmigten carbonatischen Fitermateriaien zur Wasseraufbereitung. Die Wasserbeschaffenheit natüricher Vorkommen ist nicht konstant, die kristainen Strukturen der Fitermedien weichen auch voneinander ab und in dessen Foge gibt es, unter Beachtung der Betriebssicherheit und Wirtschaftichkeit, bessere und weniger geeignete Fitermateriaien. Wie ein Fitermateria auf das vorhandene Wasser reagiert, kann näherungsweise berechnet werden vg. [5] (S ). Aus Erfahrungen des ZWAV ist es günstiger durch Versuche das beste Fitermateria zu ermitten, da die vieen Einfussfaktoren bei 2

10 der Reaktion kaum rechenbar sind. Im Zusammenhang mit dem Fitermateria ist die Kontaktzeit, so bezeichnet man die Zeit, in der das zu behandende Wasser in Kontakt mit dem caciumcarbonathatigen Stoff ist, eine zweite wichtige Größe. Sie ist zur Einsteung des ph-wertes erforderich und spiet somit eine entscheidende Roe bei der Dimensionierung von Fiteranagen zur Entsäuerung. Fazit : Zur Panung einer Entsäuerungsanage über akaische Fitermedien sind durch Versuche im Vorfed geeignete Fitermateriaien und die dazugehörigen Kontaktzeiten zu ermitten. Mit diesen Werten kann die Dimensionierung der technischen Ausrüstung und die Bemessung der Anagenteie vorgenommen werden. Die Entsäuerung durch akaisch wirkende Fitermateriaien ist nur eine verfahrenstechnische Variante um Trinkwasser zu entsäuern. Deshab so ein weiteres Verfahren theoretisch untersucht werden. Hierfür wurde die Neutraisation durch Beimischung von basischen Lösungen getestet. Dieses Verfahren wird viefach in der Wasseraufbereitung angewandt und ist as Systemtechnik von anerkannten Firmen in der Branche erhätich. Dabei wird die Neutraisation des sauren Wassers, meist mit Natronauge oder Kakmich durchgeführt. Wegen der schon erwähnten und erwünschten Schutzschichtbidung, wird in dieser Untersuchung die Neutraisation mittes Kakmich überprüft. Des Weiteren ist bei der Panung dieser Anage ein hydrauischer Grenzfa aufgetreten. Der gemessene statische Wasserdruck entspricht ca.10 Metern Wassersäue. Das Einzugsgebiet Ruppertsgrün iegt auf und der Hochbehäter Esterberg auf 330 Meter über dem Meeresspiege. Es wurde vermutet, dass der natüriche Wasserdruck nicht den gewünschten Voumenstrom fördern kann. Deshab so die bestehende Überandeitung sowie die gepante Anage hydrauisch bestimmt werden, um zu prüfen ob eine Druckerhöhungspumpe benötigt wird. Im Einzenen so durch messen des Druckes an verschiedenen Steen der Überandeitung bei verschiedenen Voumenströmen der Druckverust festgestet und eine Roheitungskenninie aufge- 3

11 nommen werden. Wenn mögich, ist aus diesen Werten eine Aussage bezügich Inkrustierung der Rohreitung zu treffen. Weiterhin muss berechnet werden, wie groß die Druckveruste der Anage bei dem geforderten Voumenstrom sind. Anhand dieses Beispies so der ungünstigste Strömungsweg bezügich der Druckverhätnisse untersucht und mit dem Berechnungsverfahren nach ZANKE überprüft werden. Mit den gewonnenen Ergebnissen der chemischen sowie der hydrauischen Untersuchung ist eine kontroverse Diskussion über die Vor- und Nachteie der beiden Varianten zu führen. 4

12 2 Chemische Untersuchungen 2.1 Notwendigkeit der Trinkwasserentsäuerung Die Einsteung des ph-wertes und des Kakkohensäuregeichgewichtes gehören zu den eementaren Aufgaben bei der Panung, Bau und Betrieb von Wasserversorgungsanagen. Sowoh der wirksame Korrosionsschutz im Verteinetz, as auch die Quaität des beim Verbraucher abgegebenen Wassers, hängen wesentich von der Einhatung der entsprechenden Grenzwerte des ph-wertes und des Kakkohensäuregeichgewichtes ab. Der Prozess der Entsäuerung ist wie fogt definiert. Zitat : [1] Die Entsäuerung ist die Verminderung des im Wasser geösten Kohendioxides durch Ausgasen oder Reaktion mit basischen Stoffen. Dies ist mit einem Anstieg des ph-wertes im Wasser verbunden Die Trinkwasserverordnung 2001, die seit dem gütig ist, fordert an dieser Stee in Anage 3 unter Nr. 18 in Bezug auf die Wasserstoffionenkonzentration. Zitat : [2] Am Ausgang des Wasserwerkes darf die berechnete Cacitösekapazität 5mg/ CaCO 3 nicht überschreiten. Diese Forderung git as erfüt, wenn der ph-wert am Wasserwerksausgang 7,7 ist. Die Korrosionsgeschwindigkeit von Metaen wird mit steigender Kohendioxidkonzentration im Wasser erhöht. Entscheidenden Einfuss hat das Kakkohensäuregeichgewicht und damit verbunden das Kohendioxid auf die Schutzschichtbidung in metaischen Rohren. Ist zuvie Kohensäure vorhanden kann sich keine Kakrostschutzschicht ausbiden. Zuwenig Kohensäure kann wiederum zu übermäßigen Kakabagerungen mit unerwünschten hydrauischen und technischen Fogen führen. vg. [3] 5

13 Auf die wirtschaftiche Bedeutung des Korrosionsschutzes in wasserführenden Leitungen wird hier nur insofern eingegangen, as dass die dadurch verursachten Schäden und deren Reparatur am Rohrnetz erhebiche sind, mit Verweis auf Fachiteratur wie zum Beispie die Werke [3], [4]. Mit konventioneen geeigneten Korrosionsschutzmaßnahmen wie Einsatz von korrosionsbeständigen Werkstoffen, organischen Schutzschichten und physikaischen Verfahren könnte dem Probem auch begegnet werden. Doch gerade in der Hausinstaation wo die meisten Gefahren auftreten, beispiesweise durch Atbestand von Beieitungen, kann das Versorgungsunternehmen kaum Einfuss ausüben. In Foge dessen muss der Verbraucher vor ü- berhöhten Schwermetakonzentrationen geschützt werden. Zitat : [1] Bei verzinkten Staheitungen und bei Kupfereitungen besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem ph-wert des Wassers und den im Trinkwasser, insbesondere nach Stagnation, auftretenden Zink- beziehungsweise Kupferkonzentrationen. Je niedriger der ph-wert, umso höher sind die Gehate dieser Schwermetae im stagnierenden Wasser. Bei weichen Wässern besteht in Bezug auf die Lösichkeit von Bei die geiche Tendenz Des Weiteren wird hierzu gesagt : Für den Übergang von Sand und Astbest aus zementhatigen Werkstoffen in das Trinkwasser ist nicht der absoute ph-wert aein entscheidend. Wichtig ist hier die Cacit-Lösekapazität des Wassers Hieraus geht hervor weche unerwünschten Stoffe in das Trinkwasser übergehen und die Quaität beeinfussen wenn es zu Stagnation von nicht im Geichgewicht befindichen Wässern kommt. Eine Erhöhung über einen ph- Wert von 7,8 ist aus technischen Gründen auch nicht vorteihaft, da das Wasser dann zum Ausfaen von Caciumcarbonat neigen kann, was wiederum schecht für den Betrieb von Warmwasseraufbereitungsanagen ist. Es ergeben sich Verengungen der Rohrquerschnitte durch Inkrustierung und den damit verbundenen hydrauischen Fogen. Darüber hinaus kommt es zu schechterem Wärmeübergangsverhaten durch abgeagerte Schichten mit niedrigen Wärmeeitwerten. 6

14 Zusammengefasst kann hierzu gesagt werden: Saure Wässer müssen entsäuert werden um Korrosion und den damit verbundenen technischen und gesundheitsschädigenden Auswirkungen entgegenzuwirken. Angestrebt wird ein Wasser, das weder kakabscheidend, noch kakaggressiv wirkt und eine Schutzschicht im Verteiernetz bidet. Dies ist nur dann der Fa, wenn im Wasser das Kakkohensäuregeichgewicht voriegt. Um dieses herzusteen muss das Wasser mit geeigneten technischen Verfahren entsäuert werden. 2.2 Ermittung des Geichgewichts ph-wertes Aufgabensteung Für die Quaität eines Wassers ist wichtig, dass es sich im Kakkohensäuregeichgewicht befindet und weder cacitösend noch cacitabscheidend wirkt. Um diese Eigenschaft zu besitzen, muss der ph-wert des Wassers annähernd dem Geichgewichts ph-wert entsprechen. Bei der Neutraisation schwacher Säuren verschiebt sich der Äquivaenzpunkt und stimmt nicht mit dem Neutrapunkt bei ph 7 überein. In Abhängigkeit der Wasserinhatsstoffe ist der Geichgewichts ph-wert variabe. Die DIN Tei 10 beschreibt verschiedene Berechnungsverfahren, weche zur Bestimmung des exakten Wertes genutzt werden können. Dafür stehen drei geichwertige Rechenverfahren, von denen zwei auch ohne Rechner und entsprechende Software auszuführen sind, zur Verfügung. Zie des Versuches ist es, den Geichgewichts ph-wert mit Hife eines geeigneten Berechnungsverfahrens nach DIN und die dafür erforderichen Parameter zu ermitten. Die nachfogende Untersuchung ist an ein Beispie der Literaturquee [2] angeehnt, das dem Berechnungsverfahren C10-R2 entspricht. Die Ergebnisse, sowie die Vorgehensweise, soen zum Verständnis für die Thematik beitragen. 7

15 2.2.2 Voruntersuchung zu Rechenverfahren C10 R2 Rahmenbedingungen zur Anwendbarkeit des Berechnungsverfahren C 10- R2 nach DIN Da das Berechnungsverfahren nur in gewissen Grenzen von Wasserinhatsstoffen eine Berechnung des Geichgewichts ph-wertes ermögicht, sind diese Bedingungen im Vorfed zu prüfen. Die Werte wurden in erster Nährung bisherigen Wasseranaysen des ZWAV entnommen. Um eine sichere Aussage zu treffen, waren diese Werte anaytisch zu bestätigen und die Auswahkriterien erneut zu überprüfen. Um das Rechenverfahren C10 R2 anwenden zu können müssen zunächst fogende Parameter und Inhatsstoffe bestimmt werden : K 25 c (SO 2-4 ) c (Ca 2+ ) c (Mg 2+ ) Eektrische Leitfähigkeit Konzentration der Sufat- Ionen Konzentration der Cacium- Ionen Konzentration der Magnesium- Ionen Fogende Rahmenbedingungen sind einzuhaten: 1. : 5 K [ms/m] K 25 = 51,9 ms/m (aus Wasseranayse: ) 2.: c (SO 4 2- ) 0,5 (c(ca 2+ ) + c(mg 2+ )) [mmo/] ρ (Ca 2+ ) = 60,1 mg/ (aus Wasseranayse: ) c (Ca 2+ ) = 60,1mg mmo 40,08 mg = 1,50 mmo 8

16 ρ (Mg 2+ ) = 23,1 mg/ (aus Wasseranayse: ) c( Mg 2+ 23,1mg mmo ) = 24,31mg = mmo 0,95 ρ (SO 4 2- ) = 71,7 mg/ (aus Wasseranayse: ) c (SO 2-71,7 mg mmo 4 ) = ( 32, ,999 ) mg = mmo 0,7464 mmo 0,7464 0,5 (1, ,95) mmo mmo 0,7464 mmo < 1,212 3.: 0,25 c (Ca 2+ ) 10 [mmo/] c (Ca 2+ mmo ) = 1,473 4.: 0,25 K s 4,3 10 [mmo/] K s 4,3 = 2,3 mmo (ermittet durch Titration nach SCHWARZENBACH) Daraus geht hervor, dass ae Auswahkriterien von Rechenverfahren C10-R2 in erster Betrachtung erfüt wurden. Zu anaysierende Inhatsstoffe und Parameter im Rahmen der Laboranayse : c (Ca 2+ ) c (Mg 2+ ) c (HCO - 3 ) c (SO 2-4 ) = Caciumionenkonzentration = Magnesiumionenkonzentration = Hydrogencarbonationenkonzentration = Sufationenkonzentration K s 4,3 = Säurekapazität 4,3 K 25 T = eektrische Leitfähigkeit = Temperatur 9

17 Messwerte und Umrechnungen : Die Werte unter Punkt 1. bis 3. wurden mit Hife des Verfahrens zur Wasserhärtebestimmung nach SCHWARZENBACH ermittet. Die genaue Vorgehensweise ist im Anhang (1), der Versuchsaneitung nachvoziehbar. 1. c (HCO - 3) 1. Wert 2,3 mmo/ K s 4,3 2. Wert 2,4 mmo/ Mittewert 2,35 mmo/ 2. c (Ca 2+ ) 1. Wert 9,1 dh 2. Wert 9,2 dh Mittewert 9,15 dh Umrechnung: c (Ca 2+ 9,15 dh ) 1,634 5,6 mmo 3. c (Mg 2+ ) 1. Wert 5,3 dh 2. Wert 4,7 dh Mittewert 5,0 dh Umrechnung: c (Mg 2+ 5,0 dh ) 0,893 5,6 mmo 4. Sufatkonzentration c (SO 4 2- ): Diese ist mit einem photometrischen Messgerät der Firma WINDAUS gemessen. ρ (SO 4 2- ) gemessen = 70 mg c (SO 2-70 mg mmo mmo 4 ) = = 0,729 (32, ,999) mg 10

18 Der Ergebniswert wurde aus einem zum Messgerät gehörigem Diagramm, as Massenkonzentration des Sufates abgeesen. Anzumerken ist hierbei, dass die Abesegenauigkeit keine Nachkommasteen zuässt, aber ausreichend genau ist, da der Wert nicht grenzwertig ist und keinen direkten Einfuss auf das Ergebnis hat. 5. ph-wert gemessen = 7,2 6. K 25 =38 ms/m eektrische Leitfähigkeit Die eektrische Leitfähigkeit und der ph-wert wurden mit dem aboreigenen Messgerät von IONNOVAL gemessen. Tabee 1. Ergebnisse der Voruntersuchung Testnummer 1 2 Mittewert ph-wert 7,2 7,2 7,2 Temperatur 17 C 17 C 17 C K 25 38mS/m 38mS/m 38mS/m K S 4,3 2,3mmo/ 2,4mmo/ 2,35mmo/ c (Ca 2+ ) 1,625mmo/ 1,643mmo/ 1,634mmo/ c (Mg 2+ ) 0,946mmo/ 0,839mmo/ 0,8925mmo/ c (SO 2-4 ) 0,729mmo/ / / Prüfung der Vorbedingungen 5 K ms/m erfüt 0,25 K S 4,3 10 erfüt 0,25 c (Ca) 10 erfüt c (SO 4 ) < 0,5 (c (Ca)+c (Mg)) erfüt 11

19 2.2.3 Berechnung des Geichgewichts-Kohendioxids Zur Berechnung des sich im Kakkohensäuregeichgewicht befindichen CO 2, muss die Temperatur und Leitfähigkeit bestimmt werden. Damit können die Werte L 5 und L 6 aus Tabeen ermittet werden. [2] Dies ist nötig, da sich in Abhängigkeit der Temperatur und der im Wasser geösten Saze, die CO 2 - Konzentration verändert. I² L 5 f(t) = mo² L 6 f(k 25 ) = 0,616 c (CO 2 ) = L 5 L 6 c² (HCO 3 ) c (Ca 2+ ) c (CO = I² mo² mo² ² mo ) ,616 2, , (CO ) = c 2-4 mo = mmo 0,152 Die Stoffmengenkonzentration des Kohendioxides im Geichgewicht entspricht 0,152 mmo/ Berechnung des Geichgewichts ph-wertes nach STROHECKER und LANGELIER (ph L) Um den Geichgewichts ph-wert zu berechnen, muss man Temperatur und Leitfähigkeit bestimmen und damit die Werte L 5 und L 6 aus Tabeen entnehmen. vg. [2] Die Konzentrationen sind in mo/ einzusetzen. Die Einheiten entfaen jedoch durch den Logarithmus. L 1 f(k 25 ) = 0,1763 L 2 f(t) = 1,9689 ph L = L 1 + L 2 ogc (HCO 3 ) ogc (Ca 2+ ) 12

20 -3 3 ph L = 0, ,9689 og 2,35 10 og 1, = 7,56 Der ph-wert des Kakkohensäuregeichgewichts nach STROHERCKER und LANGELIER beträgt 7,56. Die Werte L 1, L 2, L 5 und L 6 sind den Tabeen 8.3 und 8.4 [2] (S ) entnommen Bewertung des ermitteten ph-wertes ph < ph L - 0,05 Wasser ist cacitösend ph = ph L ± 0,05 ph > ph L + 0,05 Wasser ist im Kakkohensäuregeichgewicht Wasser ist cacitabscheidend 7,2 < 7,56-0,05 Wasser ist cacitösend Die Anayse ergab, dass das Wasser cacitösend ist und somit mit geeigneten Verfahren entsäuert werden muss, um den Anforderungen der Trinkwasserverordnung zu entsprechen Feherbetrachtung Mögiche Feherqueen : - ph-wert Messung - Temperaturdifferenzen - Abesefeher 13

21 Die mögichen Messfeher sind mit der Auswah des Verfahrens festgeegt und entsprechen den technischen Mitten. Um das Verfahren der Wasserhärtebestimmung nach SCHWARZENBACH genau zu beschreiben und Feherqueen in Betracht zu ziehen, ist die Vorgehensweise des Verfahrens im Anhang (1) einzusehen. 2.3 Entsäuerung durch Fitration über akaische Medien Aufgabensteung Mit dieser Untersuchung so unter reaen Bedingungen getestet werden, wie sich verschiedene Fitermateriaien zur Entsäuerung für das zu behandende Wasser eignen. Es git dabei in erster Linie die nötige Kontaktzeit zu ermitten. Das ist die Zeit, weche für die Neutraisationsreaktion benötigt wird. Sie ist maßgebend für die Dimensionierung der Fiter. Weitere wichtige Erkenntnisse so die Prüfung des Fiterverhatens bezügich Trübungsabbau, Fitrationsverhaten, Rückspüverhaten und Differenzdruckaufbau erbringen Aufbau des Versuchsfiters Der prinzipiee Aufbau der Versuchsfiteranage ist im Anhang (2) abgebidet und vergeichbar mit reaen Schnefitern. Es wurden zwei Fiter, mit den zu testenden Fitermateriaien parae betrieben. Dadurch sind die verschiedenen Fitermateriaien immer mit identischen Wasserwerten, wie ph-wert und Temperatur untersucht worden. Das wirkt sich günstig für die Genauigkeit und Vergeichbarkeit der Ergebnisse aus. Mit Hife eines Wasserzähers sowie eines Kugehahns, wurden die unterschiedichen Voumenströme eingestet. Die aus durchsichtigem Acry bestehenden Versuchsfiter ießen Einbicke in das Fiterinnere zu. Dadurch konnte das Verhaten der Fiter- 14

22 materiaien beim Rückspüen, bezügich Verkumpen und Ausspüen beobachtet werden. Abbidung 1. Versuchsfiter in der Pumpstation Gippe Aufbau der Versuchsfiter : - Innendurchmesser 196 mm - Schütthöhe 1200 mm - Freibord 300 mm - Fitervoumen 0,036 m³ Fitermateriaen Getestet wurden die Fitermateriaien HYDRO-CALCIT und JURA PERLE. Dabei handet es sich bei beiden Fitermateriaien um nahezu reines Caciumcarbonat. Sie unterscheiden sich durch ihre Hersteung und Struktur. 15

23 JURA PERLE ist ein natüricher, scharfkantig gebrochener Jurakakstein während HYDRO-CALCIT ein hochreaktives, carbonatisches Fitermateria ist und eine kugeige Form aufweist. Angewendet werden sie zur Entsäuerung und Aufhärtung in der Trinkwasseraufbereitung. Geichzeitig haben beide eine mäßige Enteisenungs- und Entmanganungswirkung Ergebnisse der Fiterversuche Am Beginn der Untersuchung erfogte eine intensive Spüung der Fiter mit anschießender Einarbeitungszeit. Durch Messungen bei festgeegten Voumenströmen und definierten Bedingungen, d.h. Messzeit von 6 Minuten je ph-wert Messung und dem gemitteten Wert aus jeweis 3 Messungen, entstanden fogende Ergebnisse : Tabee 2. Messwerte JURA PERLE Q Datum [/min] t [min] v [m/h] ph (Rohw.) ph (Reinw.) Bemerkungen , ,2 7,34 7, , ,2 7,33 7, , ,8 7,35 7, , ,0 7,36 7,55 Spüung , ,6 7,37 7, , ,3 7,35 7,56 genaueste Messung , ,9 7,36 7, , ,4 7,35 7,56 Bei dem Fitermateria JURA PERLE beegten die Messungen, dass trotz anger Kontaktzeiten kaum eine Anhebung des ph-wertes stattfand. In der Abbidung (2) ist zu erkennen, dass auch keine steigende Tendenz vorhanden war. Das kann an der geringen Reaktionsfreudigkeit des Fitermaterias iegen. Man betrachte jedoch die Rohwasser ph-werte, die zufäig nur um 16

24 wenige zehnte ph-wert Einheiten differieren und den ermitteten Geichgewichts ph-wert aus Punkt sowie die Messwerte der Messreihe JURA PERLE. Ein natüriches Kakgestein wird nicht mehr geöst, wenn ein Wasser seinen Geichgewichts ph-wert erreicht hat. Daher kann keine ph-wert Erhöhnung mehr stattfinden, da ein soches Wasser keine cacitösenden Eigenschaften besitzt. Somit ist die Bedingung der von der Trinkwasserverordnung geforderten Cacitösekapazität 5mg/ CaCO 3 erfüt. Zur vereinfachten Kontroe, Handhabung und aus Gründen der Sicherheit git darüber hinaus ein ph- Grenzwert von 7,7 vg. [2]. Aus diesem Grund ist bei dieser Anage von dem Produkt JURA PERLE abzusehen. Tabee 3. Messwerte HYDRO-CALCIT Q Datum [/min] t [min] v [m/h] ph (Rohw.) ph (Reinw.) Bemerkungen ,80 8 9,6 7,34 8,80 noch Staub in Fiter ,80 8 9,6 7,33 7, , ,2 7,35 7, , ,0 7,36 7,67 Spüung , ,8 7,37 7, , ,0 7,35 7,71 genaueste Messung , ,4 7,36 7, , ,9 7,35 7,73 Der Versuch ergab, dass die gewünschte ph-wert Steigerung auf 7,7 hier nur mit dem Produkt HYDRO-CALCIT erreicht wurde. Nach einer Überreaktion in der Anfangsphase, arbeitete der Fiter zuverässig und reagierte gut auf die Veränderung der Kontaktzeit. Weiterhin ist aus der grafischen Darsteung in Abbidung (2) ersichtich, dass es bei ängeren Kontaktzeiten zu keinen unzuässigen Überschreitungen des ph-wertes 7,7 kommt. 17

25 Die mechanische Arbeitweise der eingesetzten Fitermateriaien ist as stabi zu bezeichnen. Nach sechstägiger Betriebsdauer war keine Überstauerhöhung zu verzeichnen. Die entsprechend den Hersteerangaben durchgeführte Luft / Wasserspüung ockerte das Fiterbett gut auf, wobei nahezu keine Fitermateriaausspüung auftrat. ph-wert 8,90 8,80 8,70 8,60 8,50 8,40 8,30 8,20 8,10 8,00 7,90 7,80 7,70 7,60 7,50 7,40 7,30 Fiterversuche Kontaktzeit in min Hydro- Cacit Jura Pere Abbidung 2. Grafische Darsteung der ph-wert Messreihen Feherbetrachtung Mögiche Feherqueen : - ph-wert Abweichung - Voumenstrommessgeräte Wasseranaysen zeigten, dass es zu erhebichen Schwankungen des ph- Wertes in Abhängigkeit der Jahreszeit kam. Da die Lösichkeit von Gasen 18

26 von der Temperatur beeinfusst wird, ist bei katen Außentemperaturen mit höheren Kohendioxidkonzentrationen und somit niedrigen ph-werten im Jahresverauf zurechnen. Der Zeitraum der Untersuchung war begrenzt auf den August, was sich in reativ hohen Rohwasser ph-werten widerspiegete. Eine Langzeituntersuchung würde zu genaueren Aussagen führen. Weiterhin kann es zu Abweichungen der Voumenströme durch Messungenauigkeiten der verwendeten Wasserzäher gekommen sein. Mit präziseren Voumenstrommessern und Feinreguierventien kann die Genauigkeit der Messungen noch erhöht werden. 2.4 Entsäuerung durch Beimischung von Kakmich Aufgabensteung In diesem Versuch wird der ph-wert des zu testenden Wassers über den ermitteten Geichgewichts ph-wert, auf den von der Trinkwasserverordnung geforderten ph-wert von 7,7 angehoben, denn der Geichgewichts ph-wert differiert im Jahresverauf und git mit 7,7 as erfüt bzw. im zuässigen Bereich überschritten. Somit wird stöchiometrisch berechenbar, weche Menge Kakmich zur Entsäuerung einer bestimmten Menge Wasser benötigt wird. Dabei ist eine Überdosierung zu vermeiden, da sonst wasserunösiches Caciumcarbonat ausfät. Bei der Versuchsdurchführung ist jeweis eine Menge von 500m Wasser mit Kakmich der Konzentrationen 1%, 0,25% und 0,1 %, bis ph Wert 7,7 zu titrieren, da dies der reaen Bedingungen in der Praxis entspricht Rahmenbedingungen Kakmich ist teis Lösung, teis Suspension aus 96% reinem Caciumhydroxid und destiiertem Wasser. 19

27 Messgenauigkeit : - Massen 0,01 g - ph-wert Einheiten 0,2 - Temperatur 1 K - Voumen 1 m Ausgangswerte : - Wassertemperatur 13 C - Rohwasser ph-wert 7,2 Bei den ersten Versuchen stete sich heraus dass durch Messverzögerung, beim ph-wert messen, es nicht mögich ist auf den Punkt zu titrieren. Somit wurde durch systematische Annäherung die Menge ermittet, bei der sich nach einer Messzeit von 60 Sekunden der gewünschte ph-wert einstet. Mit Mengenvariationen über und unter diesen Wert, wurde die benötigte Menge Kakmich präzisiert und bestätigt. Für eine geichmäßige und konstante Durchmischung der Suspension und des Testwassers diente ein Magnetrührgerät. Die Kakmich wurde mit einer in m skaierten Bürette dem Testwasser zugegeben Messreihen Tabee 4. Ergebnisse 1 % Lösung Messung Masse Rohwasser [g] Kakmichvoumen [m] ph-wert gemessen 1 500,04 1,0 8,3 Bemerkung : Mit dieser Lösung konnten keine genauen Ergebnisse erziet werden, da eine geringe Menge Kakmich schon große ph-wert Änderung nach sich zieht. Überdies war eine rasche Sedimentation zu beobachten, was sich ungünstig auf die Messung ausgewirkt hätte, woraufhin diese Messreihe abgebrochen wurde. 20

28 Tabee 5. Ergebnisse 0,25 % Lösung Messung Masse Rohwasser [g] Kakmichvoumen [m] ph-wert gemessen 1 500,24 1,5 7, ,19 1,4 7, ,12 1,6 7, ,25 1,6 7,75 Mittewert : 3,05 m/. Bemerkung : Diese Konzentration war gut zu handhaben. Sedimentation konnte kaum wahrgenommen werden, da wahrscheinich ein Großtei des Caciumhydroxides in Lösung ging. Tabee 6. Ergebnisse 0,1 % Lösung Messung Masse Rohwasser [g] Kakmichvoumen [m] ph-wert gemessen 1 500,31 3,0 7, ,08 3,2 7, ,23 3,5 7, ,13 3,0 7,70 Mittewert : 6,35 m/ Bemerkung : Bei Messwert 1 könnte eine Messungenauigkeit, verursacht beispiesweise von einem eicht sedimentierbaren Teichen, voriegen Auswertung der Untersuchung Für die Ermittung des Mengenverhätnisses Wasser / Kakmich ist die 0,1% Suspension am besten geeignet, da die Dosiermenge in einem günstigen Messbereich iegt und an der Bürette gut abesbar ist. In der Praxis ist bei diesem Wasser, aus technoogischen Gründen die 0,25% Lösung zu bevorzugen, da die nötigen Anagen keiner und somit kostengünstiger ausgeegt werden können. Von der 1% Kakmich ist abzuraten, da sie sehr stark zur Sedimentation neigte. Eine genaue Dosierung und Handhabung ist somit schwer reaisierbar. 21

29 Der entsprechende Kakmichvoumenstrom zur Entsäuerung kann durch eine Verhätnisgeichung berechnet werden. Verhätnisgeichung : Neutraisation durch Kakmich V KM, Test = 3,05 m Ermittetes Kakmichvoumen im Test V ' RW = Rohwasservoumenstrom h V RW, Test = 1,0 Testvoumen Rohwasser V V V ' ' KM,Test RW = Berechneter Kakmichvoumenstrom zur KM VRW,Test V ' = 57,2 KM h Neutraisation Für die Entsäuerung mit Kakmich müssten den 18,75 m³/h Wasser, 57,2 /h Kakmich mit einer Konzentration von 0,25 % beigemischt werden. Das git nur für den aktueen Rohwasser ph-wert des Probewassers. Eine Kakmichentsäuerungsanage muss über eine, vom ph-wert as Regegröße gesteuerte Dosieranage verfügen, um den ph-wert am Wasserwerksausgang konstant zu haten Feherbetrachtung Mögiche Feherqueen : - Ungeichmäßige Konzentration der Suspension - Temperaturänderung - Messungenauigkeiten bei der ph-wert Messung Bei der Versuchsdurchführung stete sich heraus, dass die Kakmich zur Sedimentation neigt. Bei der 1 % Lösung war schon nach wenigen Sekunden 22

30 eine Entmischung in der Bürette zu beobachten. Um das zu vermeiden und eine gute Durchmischung zu gewähreisten, wurden die Probe und die Kakmich ständig gerührt. Durch die Zentrifugakraft wiederum kann es zu ungeichmäßiger Verteiung von Teichen unterschiedicher Masse kommen. Des Weiteren ist es nicht mögich die Kakmich in der Bürette in Bewegung zu haten, was zu Entmischung und Sedimentation führen kann. Der Messfeher wurde durch zügige Versuchsdurchführung minimiert. Schne absetzbare Caciumhydroxid Teichen können dennoch einen verfäschenden Einfuss auf das Ergebnis haben. Zwar war bei den niedriger dosierten Suspensionen dieser Effekt nicht eindeutig zu sehen, ist aber trotz zügiger Versuchsdurchführung und konstanten Messzeiten as größte Feherquee zu betrachten. Das Probewasser hatte am Versuchsbeginn 13 C. Während der Versuchsdurchführung ist es zu einer Erwärmung des Wassers um ca. 2K gekommen. Da der ph-wert auch bei Temperaturdifferenzen variiert, ist dies ein weiterer Grund für Messungenauigkeiten. Das Durchmischen der Probe mit der dosierten Kakmichmenge und die Reaktion des freien Kohendioxides mit dem Caciumhydroxid benötigen eine gewisse Reaktionszeit. Die Ergebnisse konnten deshab nur durch systematische Annäherung und Festegen eines Messzeitraumes ermittet werden, bei dem die Reaktion nahezu beendet war. 23

31 3 Hydrauische Untersuchungen 3.1 Aufgabensteung Zu den Vorbetrachtungen bei der Panung des Wasserwerkes Gippe, gehörte neben den chemischen Untersuchungen auch die Anayse der Druckverhätnisse im System. Beim Umbau einer vorhandenen Anage ändern sich meist Ausgangswerte wie Fießgeschwindigkeiten und ζ-werte. Der Einbau eines Fiters bewirkt, dass die Druckveruste zwischen den zykischen Rückspüungen durch zusetzen des Fiters mit Sediment, variieren. In erster Betrachtung musste daher die bestehende Anage auf Druckverhätnisse untersucht werden, insbesondere der Tei bei dem keine Veränderungen gepant sind. Bei dieser Arbeit wäre das die Überandeitung von Ruppertsgrün nach Esterberg. Hierzu wurde eine Druckmessreihe durchgeführt und damit eine Rohreitungskenninie erstet. Somit konnte ermittet werden wie vie verfügbarer Druck, in Abhängigkeit der Fießgeschwindigkeit vorhanden ist. Die Vorgehensweise und die ermitteten Werte dieser Untersuchung, sind unter nachfogenden Punkt 3.2 beschrieben und dargestet. Eine weitere Aufgabe war es, den zu erwartenden Druckverust des gepanten Wasserwerkes zu ermitten. Diesbezügich wurden Annahmen getroffen, wie die voräufige Dimensionierung der Rohreitungen, die Festegung des Fiterwiderstandes und die Auswah eines Wasserzähers. Mit diesen Annahmen ieß sich ein voräufiger Druckverust ermitten, anhand dessen geprüft wurde, wie die Druckverhätnisse im System voraussichtich sind. Mit einem Vergeich des verfügbaren Druckes und der voräufigen Summe der Druckveruste in der Anage, soten gegebenenfas Entscheidungen zur Dimensionierung von Rohreitungen und Apparaten oder anderen Maßnahmen getroffen werden. Im Fa des Wasserwerkes Gippe ist diese Untersuchung durchgeführt worden um zu prüfen, ob bei entsprechender Dimensionierung der Anage der Einsatz einer Druckerhöhungspumpe nötig wird. Diese Berechnung und Vorgehensweise, am Beispie des Wasserwerkes Gippe, ist unter Punkt 3.3 dokumentiert und beschrieben. 24

32 Zusammenfassung : - Es war zu ermitten wecher Überdruck gegen Druckveruste aus Rohrreibung und Armaturen zur Verfügung steht. - Dafür wurden an zwei Steen der Rohreitung Druckdifferenzmessungen durchgeführt. Die gewonnenen Werte wurden untersucht und interpretiert. - Aus diesen Werten ergab sich eine Rohrnetzkenninie, die die Druckverhätnisse in Abhängigkeit vom Voumenstrom darstet. - Wenn mögich, so der Inkrustierungszustand der Leitung beurteit werden. - Abschießend ist eine Entscheidung zu treffen, ob eine Druckerhöhungspumpe zum Überwinden der technoogisch bedingten Widerstände im Wasserwerk eingebaut werden muss. Bemerkung : Da unter Facheuten der Wasserversorgung die Druckeinheit Meter Wassersäue (mws) bevorzugt wird, wird bei den Endergebnissen von den SI- Einheiten abgesehen. Dies gewähreistet auch eine ausgezeichnete Vergeichs- und Kontromögichkeit der gemessenen und berechneten Werte. Dabei wird wegen der geringen Abweichung Pa = 1 mws umgerechnet. 25

33 3.2 Druckverustmessreihe Ruppertsgrün / Esterberg Ermittung der Höhenagen Im Rahmen der Untersuchungen sind die Höhenagen der zur Berechnung benötigten Anageteie und Messpunkte ermittet worden. Sie sind graphisch in Anage (3) dargestet. Die Höhenangaben sind aus fogenden Queen : - Oberer und unterer Queschacht aus Lagepan des ZWAV. Der derzeitige Wasserstand beim unteren Queschacht ist vom Zufussrohr bis Wasseroberfäche gemessen, wobei ein Voumenstrom von 310 /min foss. - Höhenage der Pumpstation Gippe aus Vermessungsarbeiten im Vorfed der Panung. - Höhenage der Pumpstation Ras Weg durch Höhendifferenzmessung mit zwei Höhenmessgeräten ermittet und den Mittewert der Messungen auf die Höhenage der Pumpstation in Gippe addiert. Hierbei ist mit einer Genauigkeit von ca. 1 m zu rechnen. - Die Höhenage des Hochbehäters Esterberg konnte an einer Tafe am Bauwerk abgeesen werden Berechnungen zur Druckdifferenzmessung Um den Zustand einer Wassereitung bezügich Inkrustierung und Druckverust zu beschreiben, errechnet man aus den Werten der Druckdifferenzmessung und der Streckenänge das Rohrreibungsdruckgefäe R. R = Δp Rohrreibung Messstrecke = Δp gemessen Δp statisch Messstrecke Δp Einzewiderstände 26

34 Annahme: Da es sich um eine erdveregte Wassereitung handet und die Einzewiderstände nicht ermittebar sind, wird der Druckverustantei aus Einzewiderständen mit 10% des Druckverustes aus Rohrreibung angenommen. Daraus ergibt sich : Δ p Rohrreibung = 0,9 ( Δp gemessen Δp statisch ) Die Rohreitungsänge ist mit Hife eines Lagepanes ermittet worden. Die Länge der Messstrecke ergab 1360 m. Beispierechnung : Δ p gemessen = Pa Δ p statisch = ρ g ( h h ) Rasweg Gippe Δ p statisch = kg 999,8 m³ m 9,81 ( 299,4 278,9 )m s² Δ p statisch = Pa Messstreck e = 1360 m ( Δp R = 0,9 gemessen Δp Messstrecke statisch ) ( ) Pa R = 0, m Pa R = 18,5 m 27

35 Tabee 7. Messwerte der Druckverustmessreihe V` [/min] p Gippe [bar] p Ras Weg [bar] Δp [bar] R [Pa/m] 120 3,80 1,79 2,10 5, ,97 1,80 2,17 10, ,00 1,80 2,20 12, ,10 1,81 2,29 18,5 Überprüfung der Ergebnisse : Da bei ungedrosseter Leitung sich ein Voumenstrom von 310 /min einstete, ist in diesem Punkt der statische Druck geich dem Druckverust aus Rohrreibung und Einzewiderständen. Damit ässt sich die Genauigkeit der Messung überprüfen und der Endpunkt der Kenninie bestimmen. Ausgangswerte : Die Länge der Leitung Ruppertsgrün / Esterberg wurde anaog der Messstrecke ermittet. Es ergaben sich daraus die Rohrängen der gesamten Leitung sowie die der Messstrecke mit : Ruppertsgrün / Esterberg = 3339 m Messstrecke =1360 m Der Druckverust des Wasserzähers ermittete sich aus Hersteerunteragen der Firma SPANNER-POLLUX, und wird vom Druckverust der Leitung abgezogen, da er nicht in der Messstrecke instaiert ist. Δ p WZ = 2250 Pa Δ p WZ = 0,225 mws 28

36 Der Gesamtdruckverust der bisherigen Anage ermittet sich wie fogt : Δ p ( 310 / min) = ( R + Z ) + Δp WZ Pa Δ p( 310 / min) = 1,1 ( 18, m ) Pa = Pa m Δ p ( 310 / min) = 7,02 mws Dies ist der Rechenwert des Druckverustes. Überprüfung des Ergebnisses : Höhendifferenz Ruppertsgrün / Esterberg = 8,47m (momentane Wasseroberfäche zum Zeitpunkt der Messung bei einem Voumenstrom von 310 /min und ungedrosseter Leitung) Δ p Statisch = Δp Druckverust = ρ g Δh kg m Δ p Statisch = 999,8 9,81 8,47 m = 8,31mWs m³ s² Das ist der reae Wert des Druckverustes der bestehenden Anage Feherbetrachtung Bidet man die Differenz des statischen Druckes und dem errechneten Druckverust, so erhät man die Abweichung der Messung. Δp Feher Δp Feher = Δpstatisch - Δ perrechnet = (8,31-7,02) mws Δ = 1,29 mws Δ p Feher = 15% p Feher Dieses Ergebnis ist reativ ungenau und die Abweichung ist im unsicheren Bereich, da weniger Druckverust berechnet wurde as tatsächich voriegt. 29

37 Im Fogenden werden die Feherqueen aufgeführt und die Gründe der Abweichung sowie die Bedingungen bei der Messung eräutert. Mögiche Feherqueen : - Rohrbrüche auf der Überandeitung - Unterschiede in Leitungsteien der Messstrecke - Messfeher durch unpräzise Messmitte - Art der Messung As kritische Feherquee muss ein Rohrbruch in der Leitung Ruppertsgrün / Esterberg gewertet werden. Wenn große Mengen Wasser vor der Pumpstation Gippe austreten wird ein geringerer Druckverust berechnet, wei die Fießgeschwindigkeit bis zum Rohrbruch eine größere ist as die der Messstrecke. Diese Tatsache ässt eine sichere Aussage erst nach Auffinden und Überprüfung des Rohrbruches auf Ort und Größe zu. Die bisher ermitteten Daten sind zu nutzen, wenn der Rohrbruch keine großen Veruste verursacht und nicht auf der Messstrecke iegt. Dann sind die Messwerte im Rahmen der Fehergrenzen aussagekräftig. Um sichere Angaben zu machen, muss der Rohrbruch repariert werden. Größtenteis besteht die Leitung aus Grauguss und wurde im Rahmen der Erschießung 1893 erbaut. Im städtischen Bereich Esterberg, wurden jedoch Teie der Leitung erneuert. Sie haben, da man sie gegen Poyethyeneitungen auswechsete, einen geringeren Druckverust. Cirka ein Dritte der Messstrecke ist ausgewechset worden. Demzufoge müsste der gemessene niedriger as der reae Druckverust sein. Somit ist das Messergebnis nicht der durchschnittiche, sondern ein spezifischer Druckverust. Weiterhin ießen die verfügbaren Messmitte (Feinmessmanometer, Wasserzäher) nur Messgenauigkeiten von ca. einem Meter Wassersäue zu. Die Messungen agen, bei konstantem Voumenstrom, ca. 20 Minuten auseinander, da kein zweites Manometer vorhanden war. Somit konnten die 30

38 Messungen nicht zum geichen Zeitpunkt abgeesen werden. Es ag immer der Zeitraum der Montage und des Weges zum anderen Messpunkt dazwischen. Dies wirkt sich ungünstig aus, da es auch zu Druckschwankungen im Netz, zum Beispie bei Entnahme, kommen kann. Um die Genauigkeit der Messung zu erhöhen, muss der Feher durch den Rohrbruch beseitigt werden. Des Weiteren wären Messungen an anderer Stee, z.b. an Leitungsstücken der Gusseitung mit geichem Durchmesser und Ater vorteihaft. Mit besserer Messtechnik und geichem Abesezeitpunkt ießen sich präzisere Ergebnisse ermitten. Nicht zu etzt kann die Messung der Höhenage präzisiert werden in dem man die Höhendifferenz mit größerer Genauigkeit bestimmt. Diese Abweichung kann das Ergebnis stark beeinfussen Graphische Darsteung der Messwerte Rohrreibungsdruckgefäe in (Pa/m) Rohrreibungsdruckgefäe Pumpstation Gippe / Hochbehäter Esterberg y = 8E-05x 2 + 0,0296x Voumenstrom in (/min) Abbidung 3. Rohrreibungsdruckgefäe im Bereich der Messstrecke 31

39 3.2.5 Ermittung der Rohrrauhigkeit k Die Rauhigkeit der Rohreitung k kann mit Hife der Geichung zur Berechnung des Druckverustes bestimmt werden. Δ p V = ( λ d ρ + ζ) w² 2 1. Ohne Berücksichtigung von Einzewiderständen, z.b. bei einer geraden Strecke ohne Einbauten und konstanter Fießgeschwindigkeit. λ = Δ ρ p V d 2 w² 2. Mit Berücksichtigung von Einzewiderständen und Richtungsänderungen. λ = Δ ρ p V d 2 w² ζ d Mit λ und der Reynods Zah Re, kann mit dem MOODY NOMOGRAMM oder einer für den Strömungsbereich geeigneten Forme, z.b. von ALTSCHUL, k ermittet werden. Bei der Durchführung der Messung traten jedoch Kompikationen auf die den Ermittungen hinderich waren. Die Leitungen im Messbereich bestehen aus drei verschiedenen Materiaien, Rohrdurchmessern und sind unterschiedich at. Dadurch ist nicht mit geichmäßiger Inkrustierung zu rechnen. Somit kann über die Rohrrauhigkeit keine genaue Aussage gemacht werden. Man könnte jedoch einen mitteren k-wert, wie fogt berechnen : λ Mitte Δp = Rohrreibung ρ d mitte 2 w mitte ² mit: d w mitte mitte 1 d1+ 2 d n = V' 4 = π d mitte ² 2 n d n 32

40 Re k mitte miitte = w = d mitte x mitte d ν mitte Nun kann wie oben beschrieben ein mitteres k berechnet werden. Da dies aber nicht dem tatsächichen Zustand der Leitung wiedergibt, wird auf eine Berechnung verzichtet. Wenn der Zustand der Leitung beurteit werden muss, sind Messungen an einem Teistück der Leitung durchzuführen, bei dem Ater und Durchmesser konstant sind. Der Aufwand um die technischen Voraussetzungen für soch eine Messung zu schaffen, entspricht in diesem Fa nicht dem daraus entstehenden Nutzen Rohreitungskenninie Rohreitungskenninie Ruppertsgrün / Esterberg 8 Druckverust aus Rohrreibung in (mws) y = 3E-05x 2 + 0,011x Voumenstrom in (/min) Abbidung 4. Rohreitungskenninie der Überandeitung 33

41 Berechnungsbeispie zur Ermittung der Kenninie : Δ p Druckver. ( Δp = gemessen Δp Messstrecke statisch ) ges ( 22,9 20,1065 ) mws Δ p( 310 / min) = 3339 m Δ pdruckver. = 6,86 mws 1360 m Der Wert des Druckverustes der Überandeitung bei einem Durchfuss von 18,6 m³/h beträgt 6,86 mws. Er erfasst nicht die Druckveruste des Wasserzähers, der Reduzierung und Armaturen der Pumpstation Gippe Wertung der Ergebnisse Die Berechnung ergab Druckverustwerte die geringer sind as der offensichtich vorhandene Druckverust. In der Feherbetrachtung ist auf mögiche Feherqueen eingegangen worden. Durch die Untersuchung wurde ersichtich, dass schon bei ungedrosseter Leitung nur ein Voumenstrom von 18,6 m³/h fießt, wobei 18,75m³/h gefordert werden und somit zuwenig Druck für die gepante Anage zur Verfügung steht. Weiterhin war bei der Begehung des Quegebiets ein Wasserstand von 1,2 Meter unter dem Überauf des unteren, druckbestimmenden Queschachtes gemessen worden. Wenn der Widerstand in der Leitung durch Einbauten erhöht wird, kann die Wasseroberfäche bis zum Überauf steigen. Damit ist eine Druckerhöhung um 1,2m Wassersäue mögich. 34

42 3.2.8 Beobachtung Im Einzugsgebiet Ruppertsgrün ist am unteren Queschacht (Höhenage 330 ü NN) ein Wasserstand von 1,2m unter dem Überaufrohr zu messen (vo geöffnete Ventie, ungedrossete Leitung, 310/min). Das bedeutet, dass auf der Strecke Ruppertsgrün / Esterberg der gesamte statische Druck für den Druckverust aus Rohrreibung verbraucht wird. Sote es mögich sein die Freispiegeeitung zwischen dem unteren und dem oberen Queschacht in eine Druckeitung umzubauen, entstünde dadurch ein Druckgewinn von ca. 12 mws. Dafür müsste der untere Queschacht wie fogt verändert werden. Momentan fießt das Wasser des oberen Einzugsgebietes frei in den unteren Queschacht und von dort zur Pumpstation Gippe oder durch den Überauf in die Vorfut. Es müsste eine durchgehende Leitung eingezogen werden, um die Freispiegeeitung vom unteren zum oberen Queschacht in eine Druckeitung umzubauen. Der Druckgewinn wäre ausreichend, um auf eine Pumpe im gepanten Wasserwerk zu verzichten. Dafür müssten Untersuchungen gemacht werden, ob ohne den in den unteren Queschacht mündenden Seitenbrunnen, die zur Verfügung stehende Wassermenge ausreichend ist. 3.3 Untersuchungen der Anagendruckveruste Vorbetrachtung Der benötigte Wasserdruck für die Anage setzt sich zusammen aus den Druckverusten durch Fiterwiderstand, Veruste aus Rohrreibung und Einzewiderständen in der Anage so wie des Druckverustes des Wasserzähers. Die Rohrängen und ζ-werte der Bauteie sind den Zeichnungen in den Anagen (5), (6) und den Werken [6], [7], [8] entnommen. 35

43 3.3.2 Festegung des Fiterwiderstandes Die Druckveruste eines Kiesfiters sind durch seinen großen Querschnitt, im Verhätnis zu anderen Bauteien der Anage eher gering. Nach einer gewissen Betriebszeit, setzen sich die Zwischenräume des Fitermaterias zu und verkeinern den Strömungsquerschnitt. Je nach der Feststofffracht des zu behandenden Wassers und nach Art des Fiters richtet sich der Zykus des Rückspüens. Bei bioogisch beastetem Wasser, z.b. Oberfächenwasser, muss aus hygienischen Gründen nach mindestes einer Woche zurückgespüt werden, um einer Verkeimung der Anage entgegen zu wirken. Somit kann man einen Zeitraum oder eine Druckdifferenz festegen, bei der zurückgespüt werden so. Die Fiterversuche im Vorfed ergaben, dass bei dem beprobten Wasser auch nach einer Woche kaum Differenzdruck am Fiter vorhanden war. Vergeichbare Anagen werden bis ca. 500 mbar Druckdifferenz gefahren, vg. [5]. Da die Anage aus hygienischen Gründen nach einer Woche zwangsäufig zurückgespüt werden muss, wird hier ein etwas niedrigerer Differenzdruck von 300 mbar zur Berechnung festgeegt Ermittung der Rohrängen und ζ-werte für die einzenen Teistrecken Tabee 8. Längen der Teistrecken TS Summe in [mm] ges in [mm] Bemerkung Abzügich Einbauänge Wasserzäher

44 Tabee 9. Ermittung der ζ-werte Teistrecke 1 : Bezeichnung Stck. ζ Bemerkungen TDT 1 0 Für den Fa das keine Pumpe äuft TAV 1 0,1 Für den Fa das keine Pumpe äuft Absperrkappe 1 0,4 Mittewert aus [5] und [10] Rundschweißung 5 0,15 Skript Strömungsehre FH - Erfurt 05 Fanschverbindung 2 0,1 Skript Strömungsehre FH - Erfurt 05 ζ=0,75 Teistrecke 2 : Bezeichnung Stck. ζ Bemerkungen TAD 1 0,0 Bogen 1 0,31 Rohrerweiterung 1 0,6 30 Rundschweißung 4 0,12 Skript Strömungsehre FH - Erfurt 05 ζ=1,03 Teistrecke 3 : Bezeichnung Stck. ζ Bemerkungen TAT 1 1,3 Bogen 1 0,31 Absperrkappe 1 0,4 Mittewert aus Mutschmann und Westermann Rundschweißung 4 0,12 Skript Strömungsehre FH - Erfurt 05 Fanschverbindung 2 0,1 Skript Strömungsehre FH - Erfurt 05 ζ=2,23 Teistrecke 4 : Bezeichnung Stck. ζ Bemerkungen TAV 1 0,9 Bogen 2 0,62 Rohrverengung 1 0,02 30 Rundschweißung 8 0,24 Skript Strömungsehre FH - Erfurt 05 Fanschverbindung 2 0,1 Skript Strömungsehre FH - Erfurt 05 ζ=1,88 37