Prof. Dr.-Ing. W. Schulz Seite 1 von 13 180 Minuten Bearbeitungszeit, Hilfsmittel zugelassen Fehlende Angaben sind sinnvoll zu ergänzen Wichtig!!! Nachvollziehbare Zwischenrechnungen in lesbarer Schrift 1. Aufgabe Verbrauchszahlen Einwohner [E] 8000 Durchschnittlicher Wasserverbrauch ws [l/(e*d)] 135 Daten der zur Bedarfsdeckung benutzten Brunnenanlage Höhe des Grundwasserspiegels [m ünn] 363,5 Grundwassermächtigkeit [m] 18,5 Durchlässigkeitsbeiwert k f [m/s] 0,00525 Filterrohrdurchmesser [m] 1 a) Es soll über 24 Stunden gleichmäßig aus dem Vertikalfilterbrunnen Wasser gefördert werden. Geben Sie die zur Bedarfsdeckung benötigte Fördermenge in l/s an! Qd = 8000 * 135 / 1000 = 1080 m³ / d --> 1080 / (3.600 * 24) = 12.5 l/s 1 b) Geben Sie für eine Fördermenge von 200 l/s die erforderliche Absenktiefe im Filterrohr in münn an! Durch Einsetzen versch. Werte für s ergibt sich mit QE = 0,2 m3/s : Berechnungsreihenfolge gegeben Höhe des Grundwasserspiegels [m ünn] 363,5 münn gegeben kf= 0,00525 m/s 1 r 0,5 m 2 s 2,50 m gegeben hgw 18,50 m 3 h:=hgw-s = 16,00 m 4 Rmax=3000*s*sqrt(kf)= 543,43 m 5 QE = pi * kf * (hgw^2 h^2 / ln (R / r) = 0,203 m 3 /s 6 Absenktiefe im Filterrohr in münn 361,00 münn c) Überprüfen Sie, ob eine Fördermenge von 235 l/s zulässig ist!
Prof. Dr.-Ing. W. Schulz Seite 2 von 13 Qf = 235 l/s setzen, daraus s berechnen, mit s QE berechnen und mit Qf vergleichen. Ist Qf > QE, dann ist die Fördermenge nicht zulässig. gegeben QF=2*pi*r*h*Wurzel(kf)/15 235 l/s berechnet daraus h= 15,49 gegeben Höhe des Grundwasserspiegels [m ünn] 363,5 münn gegeben kf= 0,00525 m/s gegeben r 0,5 m gegeben hgw 18,50 m berechnet s=hgw-h = 3,01 m berechnet Rmax=3000*s*sqrt(kf)= 653,52 m berechnet QE = pi * kf * (hgw^2 h^2 / ln (R / r) = 0,235 m 3 /s Qf <= QE, also gerade noch zulässig 1 2. Aufgabe Das untenstehende Diagramm zeigt die Verbrauchs- und die aktuelle Zulauf-Summenlinie eines Trinkwasserspeichers über den Tag. Der Betreiber der Anlage will die fluktuierende Wassermenge verringern. a) Ermitteln Sie für einen kontinuierlichen Pumpbetrieb über 12 Stunden den Pump- Beginn, so dass die fluktuierende Wassermenge minimal wird! m 3 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 Lösg.1 Flukt. Wassermenge = 250 m3 alle Lösungen zwischen blau und rot ergeben eine Flukt. Wassermenge = 250 m3 Lösg.3 Flukt. Wassermenge = 250 m3 0 Verbrauch 6 12 18 24 Uhr
Prof. Dr.-Ing. W. Schulz Seite 3 von 13 b) Ermitteln Sie für den kontinuierlichen Pumpbetrieb unter a) den Leistungsbedarf der Pumpanlage bei einem Gesamtwirkungsgrad von 65 % und einer Förderhöhe von 40 m. Q= 1000/12/3.600 = 23.1 l/s P=Q*H/(0.65*102) = 23.1*40/0.65/102 = 13.9 kw c) Ermitteln Sie die Fördermenge in l/s für den Fall, dass nur zwischen 22 und 4 Uhr mit konstanter Fördermenge gepumpt wird sowie grafisch die zugehörige fluktuierende Wassermenge! m 3 Speicher leer Flukt. Wassermenge = 250+668 =918 m3 1000 900 800 700 Speicherfüllung Restmenge am Tagesbeginn 600 Zulauf =1000/6h =166 m3/h =46,3 l/s von 0-4 Uhr : 166*4=668 m3 500 400 300 200 100 Verbrauch Zulauf =1000/6h =166 m3/h von 22-24 Uhr : 166*2=332 m3 0 4 Uhr 22 Uhr 6 12 18 24 Uhr 3. Aufgabe Der häusliche Abwasseranfall in der Spitzenstunde beträgt 20 l/s in einem Entwässerungsgebiet. Ermitteln Sie die Einwohnerzahl im Entwässerungsgebiet! Spitzenabfluss überschlägig 0,004 l/(s*e) siehe Schneider etc. also E = 20 l/s / 0,004 = 5000
Prof. Dr.-Ing. W. Schulz Seite 4 von 13 4. Aufgabe Durch Innenbeschichtung eines Abwasserkanals DN 600, I = 4,55 m/km mit einem glasfaserverstärkten Kunststoffmaterial wird ein k b -Wert von 0,25 mm erreicht. Geben Sie den Nenndurchmesser an, der bei einem k b -Wert von 1,5 mm und dem gleichen Gefälle etwa die halbe Abflusskapazität hat! Q (DN600,I=4,55m/km, k b -Wert von 0,25 mm)=506 l/s und v=1,79 m/s Q halb =506/2=253 l/s Q (DN???,I=4,55m/km, k b -Wert von 1,5 mm)=253 l/s
Prof. Dr.-Ing. W. Schulz Seite 5 von 13 DN=500 5. Aufgabe Ermitteln Sie das Volumen für einen Regenrückhalteraum mit den unten stehenden Angaben allerdings nur für die angegebene Dauerstufe! A E,k 8 ha ψ m,b 0,7 q dr,k 12 l/(s ha) f Z 1,10 A E,b 6 ha Q t24 1,5 l/s n 0,1/a D 0,5 h Die Fließzeit im Einzugsgebiet beträgt 20, die im Kanal 5 Minuten. Niederschlagshöhe für die Dauerstufe 30 min und die Häufigkeit n=0,1 : 24,2 mm
Prof. Dr.-Ing. W. Schulz Seite 6 von 13 6*0,7=4,2 (96-1,5)/4,2=22,5 12*8=96 l/s 0,92 (134,47-22,5)*30*1,1*0,92*0,06=203,96 m³/ha (nur für Dauerstufe 30 Minuten) V=V s,u *A u =203,96 *4,2 = 856,63 m³ r D,n = 24,2 / 30 * 166,7 = 134,47 l/(s*ha) 6. Aufgabe An ein bestehendes Trennsystem soll ein Neubaugebiet angeschlossen werden. Der Abwasseranfall aus dem Neubaugebiet beträgt in der Spitzenstunde 200 m³/h. Das gesamte Abwasser aus dem Trennsystem und dem Neubaugebiet soll über einen bestehenden Düker zur Kläranlage abgeleitet werden. Dükerlänge 135 m k b 0,25 mm Durchmesser DN 300 Kinematische Zähigkeit ν 1,3*10-6 Fließgeschwindigkeit im Düker vor Anschluss des Neubaugebiets 1,5 m/s Differenzhöhe zwischen Dükerein- und -auslauf 1,8 m Ermitteln Sie rechnerisch, ob die vorhandene Höhendifferenz zwischen Dükerein- und -auslauf für den Anschluss des Neubaugebiets ausreicht!
Prof. Dr.-Ing. W. Schulz Seite 7 von 13 Q aktuell = v*a, mit A=D 2 pi/4=0.3*0.3*3.14/4 = 0.07065 m² Q aktuell = 1.5*0.07065 = 0.106 m³/s Q aus Neubaugebiet = 200/3600 = 0.055 m³/s Gesamt Q = 0.105975+ 0.055 = 0.16 m³/s v neu = Gesamt Q / A = 0.16 m³/s / 0.07065 m² = 2,265 m/s Re=v*D/nü = 2,265 * 0,3 / 1,3*10-6 = 522692 D/kb= 300 / 0,25 = 1200 λ= 0,019 h v =( lambda* l D v² 135 2,265² +1,5)* =( 0,019* +1,5)* =2,63m > 1,8m! 2g 0,3 2*9,81 λ=0,019
Prof. Dr.-Ing. W. Schulz Seite 8 von 13 7. Aufgabe Für eine Planung liegt die statistische Auswertung langjähriger Regenmessungen für die Häufigkeit n = 1 wie folgt vor : Dauer [min] 10 Höhe [mm] 7,2 Ermitteln Sie in l/(s*ha) den r 10 (0,5) und den r 20 (0,1)! gegeben : r10,1 = 7,2 mm -> 7,2 mm / 10 min * 166,7 = 120 l/(s*ha) r20 (0,1) = phi20 (0,1) * r10,1 / phi10 (1) = 1,8 * 120 / 1,25 = 172 l/(s*ha) r10 (0,5) = phi10 (0,5) * r10,1 / phi10 (1) = 1,7 * 120 / 1,25 = 163,2 l/(s*ha) 1,7
Prof. Dr.-Ing. W. Schulz Seite 9 von 13 8. Aufgabe B6-1 Ein Vorklärbecken hat eine Wasserspiegelfläche von 720 m². Die Oberflächenbeschickung soll 3 m/h betragen. a) Welches Volumen hat das Vorklärbecken mindestens? q A = Q t /O Q t =q A * O = 3*720 = 2160 m³/h V=0,5* 2160 = 1080 m³, wegen t R =0,5 beim Belebungsverfahren (siehe q A = 3 m/h) b) Wieviel Prozent der Zulaufkonzentration an TS wäre im Ablauf des Vorklärbeckens zu erwarten, wenn die nachfolgende biologische Stufe ein Tropfkörper wäre? tr=1,5-2 h CTS=25/70 =0.35 9. Aufgabe B6-2 a) Zeichnen Sie ein Schema mit den einzelnen für eine Kläranlage mit Stickstoffelimination benötigten Prozessbereichen! Verbinden Sie sie mit Linien und Pfeilen entsprechend den relevanten Stoffströmen und benennen Sie diese!
Prof. Dr.-Ing. W. Schulz Seite 10 von 13 b) Geben Sie die einzelnen Prozesse der biologischen Abwasserreinigung in der untenstehenden Tabelle und die erforderlichen Reaktionsbedingungen hinsichtlich Sauerstoff und Kohlenstoff an! Prozess erforderliche Reaktionsbedingungen Reaktion sbe dingu nge n 1) O 2 ge bund en = NO 3, SO 4... O 2 gelöst O 2 gebunden 1) Milieu Vorgang > 0 > 0 aerobnitrifikation = 0 > 0 anoxisch Denitrifikation = 0 = 0 anaerob Faulung c) Zeichnen Sie qualitativ den Konzentrationsverlauf für NO 3 von Prozess 1 bis zum Ende der Prozesskette in der biologischen Stufe! 100 % 80 % 60 % 40 % 20 % 0 % Prozess 1 Deni... Nitri............ 10. Aufgabe B6-3 Für die Bemessung eines Belebungsbeckens sind auf einer Kläranlage das Volumen und die Ablauffrachten der Vorklärung zu ermitteln. Aus der folgenden Tabelle sind die relevanten Daten zu entnehmen. Häusliches Abwasser Einwohner 16000 Spezifischer Abwasseranfall 165 l/(e*d)
Prof. Dr.-Ing. W. Schulz Seite 11 von 13 Spitzenstundenfaktor 1/10 Konzentrationen im häuslichen Abwasser : nach ATV-Arbeitsblatt A 131 Industrieabwasser BSB 5 (absetzbar wie häusliches Abwasser) 1200 mg/l N (100 % löslich) 40 mg/l TS (absetzbar wie häusliches Abwasser) 320 mg/l Industrieabwasser (Produktion von 8-20 Uhr) 40 l/s Kläranlagendaten Rücklaufverhältnis RV 0,75 Schlammräumung im Nachklärbecken durch Saugräumer Eindickzeit 2,5 h Reinigungsziel Denitrifikation t R in der Vorklärung für Belebungsbecken 0,75 h Schlammindex ISV 60 ml/g Faktor für Saugräumer 0,5 Fremdwasser =30% von Q tx l/s Folgende Frage ist zu beantworten : Wie groß muß das erforderliche Vorklärbecken sein? Qhx=16000*165/1000*1/10 =264 m³/h Qgx=40 l/s * 3.6 = 144 m³/h Qtx * =(264+144)=408 m 3 /h Qf=30 % Qtx, d.h. Qsx=Qhx+Qgx=0,7*Qtx *, also Qtx * /0.7 = 582 m³/h V=Qtx*tR = 582*0.75= 436.5 m³ 11. Aufgabe B6-4 Die Optimierung einer kommunalen Kläranlage ist geplant. Messungen im Belebungsbecken haben einen Trockensubstanzgehalt von 3,6 kg / m 3 ergeben. Berechnungsangaben : ISV= 80 ml/g Eindickzeit = 2 h Rücklaufverhältnis = 0,75
Prof. Dr.-Ing. W. Schulz Seite 12 von 13 Berechnen Sie den Prozentsatz, um den der Schlammräumer die Trockensubstanzkonzentration an der Nachklärbeckensohle beim Räumvorgang reduziert! TS BS =(1000/ISV)*t E ¹ /3 =(1000/80)*2^(1/3) =15.7 TS RS =TS BB *(1+RV)/RV = 3.6*(1+0.75)/0.75 =8.4 TS RS /TS BS =8.4 / 15.7 = 0.53 d.h. Reduktion um 47 % 12. Aufgabe B6-5 Wie groß wäre das erforderliche Volumen eines Belebungsbeckens unter folgenden Vorgaben : TS BB = 4 kg/m 3 ÜS C,BSB5 = 0,77 Reinigungsziel : B d,ts,zb = B d,bsb5,zb = Nitrifikation 600 kg/d 1000 kg/d Mit B d,ts,zb /B d,bsb5,zb = 600 /1000 = 0,6 und ÜS C,BSB5 = 0,77 aus Tabelle abgelesen : t TS = 10 d ÜS d,c = 1000*0,77=770 kg/d M TS,BB = t TS,Bem * ÜS d =10 * 770 = 7700 kg V BB = M TS,BB / TS BB = 7700/4 =1925 m³ 12. Aufgabe B6-6
Prof. Dr.-Ing. W. Schulz Seite 13 von 13 Die Höhe der Speicherzone eines Nachklärbeckens sei 1,32 m. Die Oberflächenbeschickung beträgt 1,34 m/h, das Rücklaufverhältnis 0,57, TS RS = 8,5 kg/m 3. Berechnen Sie mit den obigen Angaben den Schlammindex! TS BB = RV * TS RS / (1+ RV) = 0.57*8.5/(1+0.57)=3.08 q A =1,34, h 3 = daraus : 1, 5 0, 3 3,08 ISV 1,34 1 0,57 =1,32 m 50 0 1,32 50 0 1, 5 0, 3 3,08 1,34 1 0,57 =ISV ISV=1.32*500 /(1.5*0.3*3.08*1.34*(1+0.57))= 226 13. Aufgabe B6-7 Die Abstrahlungsverluste eines Faulbehälters mit 2000 m³ Volumen beliefen sich in einem Jahr mit extremen Wintertemperaturen während der 4 kältesten Monate auf insgesamt 371520 MJ. Die Betriebstemperatur war 35 C. Wegen zu geringer Gasausbeute aufgrund schlechter Betriebsstabilität des Faulungsprozesses musste mit Heizöl die fehlende Wärme (40% der Abstrahlungsverluste) erzeugt werden. a) Wieviel Liter Heizöl waren erforderlich? 1 kwh = 3,6 MJ 371520 / 3.6=103200 kwh Mit Heizöl abzudecken : 0.4* 103200 =41280 kwh entspricht 41280/11.36=3633.8 Liter leichtem Heizöl Heizwerte verschiede ner Brenn stoffe