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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Regenwasser
und eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens, die in Misch- und Trennsystemen und bei Straßenentwässerungen
Anwendung finden.
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Die
bekannten Regenwasserbehandlungsverfahren im Trennsystem beziehen
sich ausschließlich
auf den Rückhalt
von Feststoffen und auf die Minderung hydraulischer Überlastungen
für die
aufnehmenden Gewässer
(Deutsche Vereinigung für
Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. Merkblatt, (ATV-DVWK-M)
153; 2000: Handlungsempfehlungen zum Umgang mit Regenwasser. Gesellschaft
zur Förderung
der Abwassertechnik e. V. (GFA), Hennef, Seite 1–36). Bisher wurden vor allem
Absetz- und Rückhalteanlagen
realisiert. Diese weisen für
die gewässerschutzrelevanten
Feinpartikel keinen oder nur einen geringen Wirkungsgrad auf. Der
Ausbaugrad der Regenwasserbehandlung im Trennsystem und für Straßenabflüsse ist
vergleichsweise gering. Die Absetzanlagen, die als Geschiebeschächte, Sandfänge und
Regenklärbecken
ausgebildet sind, werden durch das spezifische Absetzvolumen und
den Bemessungszufluss charakterisiert. In den Veröffentlichungen
der Deutschen Vereinigung für
Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (ATV-A) 166; 1999: Bauwerke
der zentralen Regenwasserbehandlung und -rückhaltung, GFA, Hennef, Seite
1–52, ATV-DVWK-M
176, 2001: Hinweise und Beispiele zur konstruktiven Gestaltung und
Ausrüstung
von Bauwerken der zentralen Regenwasserbehandlung und -rückhaltung,
GFA, Hennef, Seite 1–70,
ATV-DVWK, A117; 2001: Bemessung von Regenrückhalteräumen. GFA, Hennef, Seite 1–23; Ministerium
für Umwelt
und Verkehr (MUV) 2002: Handbuch zur Ableitung und Behandlung von
Straßenoberflächenwasser.
MUV, Baden-Württemberg,
Seite 1–158,
werden die Hinweise zur Planung, zum Bau und Betrieb gegeben. Nachteilig
hierbei ist, dass die Geschiebeschächte und Sandfänge nur
dem Rückhalt
von Geschiebe und Sand dienen. Zur Entfernung der gewässerschutzrelevanten
Fein- Partikel ist
ein extrem hohes Absetz- und damit Investitionsvolumen erforderlich.
Weitere Nachteile sind, dass durch die Remobilisierung von dem Sediment
bei der teilweise vorhandenen Betriebsweise im Dauerstau kontraproduktive Stoßbelastungen
der Gewässer
entstehen. Bei den bekannten Regenklärbecken, ist der geringe Wirkungsgrad
für feinpartikuläre Stoffe
von ungefähr 10%
von Nachteil. Die zusätzliche
Ausrüstung
der Regenklärbecken
mit technischen Lamellen bewirkt eine Wirkungsgraderhöhung auf
maximal 25%.
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Die
bekannten Regenrückhalteanlagen
sind als offene und geschlossene Becken zur temporären Speicherung
von Regenwasserabflüssen
ausgebildet (ATV A116, 1999: Bauwerke der zentralen Regenwasserbehandlung
und -rückhaltung,
GFA, Hennef, Seite 1–55;
ATV-DVWK, A 117, 2001: Bemessung von Regenrückhalteräumen, GFA, Hennef, Seite 1–32).
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Die
Becken werden in der Regel auf den Rückhalt von großen Niederschlagsereignissen
ausgelegt, die einmal in 5 bis 10 Jahren auftreten. Aufgrund des
sehr großen
spezifischen Absetzvolumens besitzen sie ein hohes Rückhaltevermögen für gewässerschutzrelevante
Feinpartikel. Dieses Potenzial wird nicht gezielt genutzt und es
erfolgt keine Reinigung von Regenwasser. Eine Steuerung der Ablaufmenge
zur Verlängerung
der Sedimentationszeit wird nicht durchgeführt.
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Des
Weiteren sind Retentionsbodenfilteranlagen als zweistufige Bauwerke
der Regenwasserbehandlung, bestehend aus einer Sedimentations- und Filtereinheit
(DWA M178, 2005: Empfehlungen für Planung,
Konstruktion und Betrieb von Retentionsbodenfilteranlagen zur weitergehenden
Regenwasserbehandlung im Misch- und Trennsystem, GFA, Hennef, Seite
1–52),
bekannt. Die Filtereinheit besteht aus einem Dränagesystem zur Fassung und
Ableitung der filtrierten Regenabflüsse und einer darüber liegenden
Filterschicht aus Sand. Integraler Bestandteil des Verfahrens ist
die Bepflanzung des Filters mit Schilf. Zur Sicherstellung eines
dauerhaften Betriebes werden Retentionsbodenfilter immer intermittierend
betrieben. Der Filterablauf wird hierbei stark gedrosselt, so dass
bei Regenwasserzufluss eine Zwischenspeicherung stattfindet. Das
hierbei erforderliche Volumen wird direkt über der Filterschicht angeordnet
(DWA, M178, 2005: Empfehlungen für
Planung, Konstruktion und Betrieb von Retentionsbodenfiltern zur
weitergehenden Regenwasserbehandlung im Misch- und Trennsystem,
GFA, Hennef, Seite 1–52).
In den Veröffentlichungen
der Druckschriften
DE
44 22 496 A1 und
DE
199 59 969 A1 wird die Filtration zur Regenwasserbehandlung über einen schilf-
oder grasbewachsenen Filterkörper
beschrieben. Des Weiteren wird eine Kombination von Sedimentation
in den Becken mit einer anschließenden Filtrationsstufe in
den Druckschrift
DE
196 22 727 C1 ,
DE
101 52 671 A1 und
DE
39 18 803 C2 erläutert.
Die Nachteile der Retentionsbodenfilteranlagen sind durch den hohen
Flächenbedarf
und den hohen Investitionsaufwand begründet.
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Die
in der Patentschrift
DE
196 22 727 C1 beschriebene Anlage besteht aus einem Rückhaltebecken
mit Dauerstau, in welchem neben der Retention auch eine Sedimentation
stattfinden soll, und einem Bodenfilter, der ringförmig am
Rand des Rückhaltebeckens
angeordnet ist. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass nur eine vergleichsweise
geringe Filterfläche
am Rande des Rückhaltebeckens
zur Verfügung
steht, die somit hydraulisch und stofflich hoch belastet wird. Weiter
wird das Rückhaltebecken
im Dauerstau betrieben, das unter bestimmten Randbedingungen zu
Remobilisierung des Sedimentes und zu Rücklösungen von im Sediment abgelagerten Stoffen
führen
kann.
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In
der Druckschrift
DE
198 06 317 A1 wird ein Retentionsbodenfilter mit einem
speziellem Ablaufbauwerk beschrieben. Bis zu einem gewissen Wasserstand
im Bodenfilter wird durch die erste kleine Ablauföffnung ein
nur geringer Abfluss aus dem Bodenfilter zugelassen, so dass der
Filterkörper schnell
einstauen kann. Steigt der Wasserspiegel bis auf einige Zentimeter über die
Filteroberfläche
an, läuft
durch eine zweite Ablauföffnung
mit deutlich größerer lichter
Weite gegebenenfalls unterstützt durch
eine Heberwirkung wesentlich mehr Wasser gefiltert aus dem Bodenfilter.
Durch diese Konstruktion wird eine gleichmäßige und schnelle Füllung des Porenraumes
in Filterkörper
bei gleichzeitiger hoher hydraulischer Leistungsfähigkeit
erzielt.
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Der
in der Druckschrift
DE
100 10 109 A1 beschriebene Kompakt-Bodenfilter-Reaktor
ist eine kleine Bodenfilteranlage mit einem Absetzraum und Sammelbehälter, aus
dem schwallweise über
eine Pumpe das zu reinigende Wasser auf den mit Schilf bewachsenen
Filter aufgebracht wird. Die komplette Anlage kann vormontiert angeliefert
werden. Als Abmaße
werden eine Gesamthöhe
von max. 3 m, eine Filterraumlänge
von max. 8 m und eine Breite von max. 3 m genannt. Damit ist diese
Anlage nur für
die Abflüsse
von sehr kleinen Flächen
geeignet (z. B. Abflüsse
von Einzelgrundstücken),
die Abflüsse
ganzer Einzugsgebiete können
nicht gereinigt werden. Auch nach Studium des Berechnungsbeispiels
bleibt in der Patentschrift unklar, wie bei den kompakten Maßen die
Jahres-Regenwasserabflusssumme gespeichert werden kann.
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Auch
Constructed Wetlands werden seit mehreren Jahren zur Behandlung
von Regenabflüssen
und für
die Nachbehandlung von Mischwasser eingesetzt (U. S. EPA, 1983:
Results of National Urban Runoff Program, Vol. 1, Final Report;
Water Planning Divison U. S. EPA NTIS No. P884-185552, Washington
D. C.; U. S. EPA, 1988: Design Manual, Constructed Wetlands and
Aquatic Plant Systems of Municipal Wastewater Treatment, U. S. EPA/625/1-88/022,
Washington D. C.). In Deutschland wurden derartige Flachwasserteichsysteme
bisher nur vereinzelt für
die Nachbehandlung von Mischwasser eingesetzt (Rödder, A., 1997: Wirkung und Bemessung
von Rückhaltestrecken
nach Regenentlastungen, Forum Siedlungswasserwirtschaft und Abfallwirtschaft,
Universität
Essen, Heft 11, Seite 1–269).
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Aufgrund
der vorhandenen Dauerstaubereiche zeigen Wetlands analog den Flachseen
eine sehr stark witterungs- und jahreszeitabhängige Reinigungsleistung für die Parameter
Feinpartikel und insbesondere Phosphor.
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Durch
die nicht gezielte und flächendeckende
Beschattung des Wasserkörpers
und durch höhere
Pflanzen kommt es zur Algenbildung und warmen Sedimenten, die zu
negativen Abfiltrierbare Stoffe (AFS)- und Phosphor (P)-Wirkungsgraden
führen können. Diese
Sekundärbelastung
durch Algenbiomasse und die P-Rücklösung aus
dem Sediment lassen den ganzjährigen
AFS-Wirkungsgrad bis auf 25% abfallen. Bei älteren Anlagen mit einem Sedimentdepot
treten, ganzjährig
bilanziert, negative Wirkungsgrade auf.
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Im
Bereich des Regenabwasserabflusses für Trennsysteme sind großtechnisch
realisierte Fällungs-
und Flockungsverfahren nicht bekannt.
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Die
Eliminierung von Phosphor ist nur als Nebeneffekt aus den Anwendungen
in den Abwasseranlagen durch die Flockungsverfahren bekannt (Vetter,
O., 2003: Verbesserung der Absetzwirkung von Durchlaufbecken durch
Fällung
und Flockung, Stuttgarter Berichte Siedlungsswasserwirtschaft, Bd. 160,
Seite 1–182;
Müller,
K und Dohmann, M.; 1998: Verbesserung des Stoffrückhaltes mittels Fällung/Flockung,
Bericht Institut für
Siedlungswasserwirtschaft, TH Aachen, Seite 1–39; Pfeifer, R.; 1998: Schmutzstoffrückhalt durch
chemisch-physikalische Regenwasserbehandlung im Trennsystem, Schriftenreihe
des ISWW, Bd. 92, Universität
Karlsruhe, Seite 1–194;
Heinzmann, B., 1993: Beschaffenheit und weitergehende Aufbereitung
von städtischen
Regenabflüs sen,
VDI-Fortschrittsberichte, Reihe Umwelttechnik, Nr. 113, VDI-Verlag,
Düsseldorf,
Seite 1–185).
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Nachteilig
hierbei ist, dass durch die Konzentrierung auf die Flockung eine
hohe Dosiermenge von Flockungsmitteln und eine nicht beherrschbare Verfahrenstechnik
benötigt
wird. Auch ist die Gefahr der Re-Stabilisierung und der damit vollständigen Wiederaufhebung
des Flockungseffektes bei Regenabflüssen sehr groß.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Behandlung von Regenwasser
und eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens zu schaffen, die eine effektive Entfernung feinpartikulärer Feststoffe
und somit eine Verringerung der Gewässerbelastungen ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass bekannterweise das Regenwasser über einen Zuleitungskanal in
einen integrierten Sandfang und anschließend in ein Retentionsbecken
gelangt.
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Durch
eine Sedimentation in einer dichten Schilfbepflanzung in Verbindung
mit einer Sedimenffiltration wird das Regenwasser bei großer steuerbarer
Verweilzeit im Retentionsbecken mit oder ohne Zugabe von Fällungsmitteln,
gereinigt und anschließend
kontrolliert abgeführt.
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Bei
dieser Hochleistungssedimentation werden 60% bis 70% der Partikel
des Regenwassers durch die große
Sedimentationszeit von 24 Stunden und 10% bis 20% der Partikel durch
den dichten Schilfbestand im Retentionsbecken abgeschieden. Das
Retentionsbecken verfügt über einen
erheblichen Speicherraum, der gemeinsam mit der Schilfbepflanzung
die Grundlage für
eine wirksame Sedimentation bildet. Durch den großen Speicherraum
von 50 bis 400 m3/ha werden kleine und mittlere
Regenereignisse vollständig
gespeichert. Die Sedimentationszeit beträgt mindestens 24 Stunden. Bei
der Sedimenffiltration wird durch die aufgebaute Sedimentationsschicht,
die nach ungefähr
zwei Betriebsjahren wirksam wird, das Regenwasser zusätzlich filtriert.
Unterhalb des Retentionsbeckens ist eine Dränschicht angeordnet, die während der
Beschickung kontinuierlich Wasser aufnimmt und aus dem System leitet.
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Unterhalb
dieser Dränschicht
befindet sich die Wurzelraumschicht, in der ein minimaler Wasserstand
zur Wasserversorgung des Schilfes auch während längerer Be schickungspausen gewährleistet wird.
Die Wurzelraumschicht ist 0,3 m mächtig und besteht aus 70% bis
90% Schotter 16/32 und 10% bis 30% bindigem Material. Der Vorteil
besteht darin, dass durch die Wurzelraumschicht gute Wachstumsbedingungen
und eine kontinuierliche Wasserversorgung des Schilfes gewährleistet
werden.
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Erfindungsgemäß werden
bei einer zusätzlichen
Fällmitteldosierung
nicht nur die Feinpartikel, sondern auch gelöste Stoffe entfernt. Damit
wird gelöster
Phosphor in den Verfahrensschritten wirksam eliminiert und die Bindeleistung
der Sedimente erhöht.
Die Fällungsmittelzugabe
erfolgt, in dem eine Durchflussmessung in einem Zuleitungskanal
installiert ist. Über
eine Datenleitung werden die Durchflusssignale zu einer Steuereinheit
geleitet, die eine Dosierpumpe ansteuert und somit die Fällungsmitteldosierung
auslöst.
Das Fällungsmittel
wird in einer Größenordnung
von ungefähr
15 bis 30 l/ha Au × a in einem Speicher vorgehalten
und über
eine Dosiermittelleitung homogen in den Zufluss eingemischt. Als
Fällungsmittel
werden Eisen- und Aluminiumsalz, vorzugsweise Polyaluminiumchlorid,
verwendet.
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Bei
gezielter Nutzung von Gewässern
als Sedimentationsraum, für
die Restbelastung bei großen
Ereignissen werden ausschließlich
redox-unempfindliche Aluminiumsalze eingesetzt. Die Fällungsmittelzugabe
erfolgt in einer Entfernung zum Retentionsbecken, die einer Fließzeit von
größer als zwei
Minuten entspricht.
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Nach
Vollfüllung
des Retentionsbeckens werden die Zuflüsse des Regenwassers über einen Klärüberlauf
abgeleitet.
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Vierundzwanzig
Stunden nach dem Ende der Beschickung wird der Sohlablaufschieber
geöffnet
und das Retentionsbecken über
den Ablaufkanal entleert.
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Das
Retentionsbecken ist zur Abdichtung gegen den Untergrund mit einer
mineralischen Dichtungsschicht versehen.
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Die
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der dazugehörigen
Vorrichtung bestehen darin, dass durch die gemeinsam ablaufenden
Verfahren der Hochleistungssedimentation und Sedimenffiltration
eine gezielte Nutzung der sich bildenden Sedimente als Schadstoffsenke
für gelöste Stoffe,
insbesondere Phosphor und Metalle, gewährleistet ist, die durch die
Fällungsmittelzugabe
noch verstärkt
wird und somit ein Filtrationsmedium gegeben ist.
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Die
Sohlabdichtung des Retentionsbeckens sichert einen steuerbaren Anlagenbetrieb.
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Die
Steuereinrichtungen der Ablaufsysteme ermöglichen einen gezielten Einstau
der Anlage und eine geregelte Anlagenentleerung. Das Trockenfallen
der Anlage ist über
eine Dränschicht
mit Dränablauf
gewährleistet.
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Die
Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
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In 1 wird
die Regenwasserbehandlung mit einer Sedimentation und Filtration
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In 2 wird
die Regenwasserbehandlung mit einer Sedimentation, Filtration und
Zugabe von Fällungsmitteln
gezeigt.
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Nach 1 gelangt
das Regenwasser über einen
Zuleitungskanal 1 in einen integrierten Sandfang 2,
in dem die Grobstoffe und die Sandfraktion, beispielsweise Kies
und Schotter, aus dem Abfluss entfernt werden. Anschließend wird
es in ein Retentionsbecken 3 geführt.
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Das
Retentionsbecken 3 ist mit einem Sohlablauf 4 versehen,
der während
der Beschickung durch einen Sohlablaufschieber 5 verschlossen
ist. Der Beschickungsvorgang wird solange durchgeführt bis
der einströmende
Regenwasserabfluss ein maximales Einstauziel 6 im Retentionsbecken
erreicht.
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Nach
dem Ende des Beschickungsereignisses verbleibt das Regenwasser mindestens
24 Stunden im Becken. Danach wird der Sohlablaufschieber 5 geöffnet.
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Erreicht
der Wasserstand im Retentionsbecken durch den einströmenden Regenwasserabfluss ein
maximales Einstauziel 6, wird das Regenwasser über den
Klärüberlauf 15 entlastet.
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Durch
die damit verbundene Hochleistungssedimentation wird ein Wirkungsgrad
der Reinigung von Regenwasser von 70% für die gewässerschutzrelevanten Feinpartikel
erreicht.
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Innerhalb
des Retentionsbeckens 3 befindet sich ein dichter Schilfbestand 7.
Während
der Durchströmung
wird damit eine hochwirksame Partikelabscheidung in Form einer Lamellensedimentation
gewährleistet.
Bei größeren Ereignissen
wird das gesamte Retentionsbecken 3 bis zum maximalen Einstauziel 6 von
4 m gefüllt.
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Oberhalb
der Sohle des Retentionsbeckens 3 bildet sich während des
Betriebs eine Sedimentschicht 8. Diese sorptionsstarke
Sedimentschicht 8 besteht vorwiegend aus Feinpartikeln
und abgestorbenen Schilfbestandteilen 7 und wird nach ungefähr zwei Jahren
für gelöste Stoffe,
insbesondere Phosphor und Schwermetalle, wirksam. Durch diese Schicht
wird dann eine zusätzliche,
hochwirksame Filtration des Regenwassers bewirkt.
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Unterhalb
des Retentionsbeckens 3 liegt eine Dränschicht 9. Während der
Beschickung wird kontinuierlich Regenwasser aufgenommen und aus dem
System abgeleitet. Die Ableitung erfolgt gedrosselt, vorzugsweise
0,03 l/m2 × s über einen Drosselschieber 11 des
Dränabflaufs 10,
um eine hohe Filtrationsleistung der Sedimentschicht 8 zu
erreichen. Gleichzeitig erfolgt nach der Entleerung des Retentionsbeckens 1, über die
untenliegende Dränschicht 9, eine
vollständige
Entwässerung
des Sedimentes.
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Unterhalb
dieser Dränschicht 9 ist
eine Wurzelraumschicht 12 angeordnet, in der ein minimaler Wasserstand 13 eingestellt
wird, um die Wasserversorgung des Schilfes 7 auch während längerer Beschickungspausen
zu gewährleisten.
Die Wurzelraumschicht 12 ist vorzugsweise 0,3 m hoch und
besteht aus 80% vorzugsweise Schotter 16/32 und 20% bindigem Material.
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Das
Retentionsbecken 3 besitzt in Abhängigkeit von den Reinigungszielen
ein spezifisches Volumen von 50 m3/ha Au. Nach Vollfüllung des Retentionsbeckens 3 werden
weitere Zuflüsse über den Klärüberlauf 15 in
das Gewässer
abgeleitet. Vierundzwanzig Stunden nach dem Ende eines Beschickungsereignisses
wird der Sohlablaufschieber 5 geöffnet und das Retentionsbecken 3 über den
Ablaufkanal 16 entleert. Hierdurch wird eine vollständige Entleerung
des Retentionsbeckens 3 erreicht. Über eine Wasserstandsmessung 17 wird
das Ende einer Beschickung über
einen stagnierenden Wasserstand unterhalb des Klärüberlaufes 15 angezeigt.
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Die
Dränschicht 9 und
die Wurzelraumschicht 12 werden von einer Dichtungsschicht 14 aus bindigem
Material umschlossen. Gleichzeitig ist das Retentionsbecken 3 gegen
den Untergrund abgedichtet.
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In 2 wird
gezeigt, dass Zufluss proportional Fällungsmittel in dem mit Regenwasser
gefüllten
Zuleitungskanal 1 dosiert wird. Das Regenwasser wird über den
Sandfang 2 zum Retentionsbecken 3 geführt.
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Die
Zuleitung wird durch die Installation einer Durchflussmessung 18,
bei der die Durchflusssignale über
eine Datenleitung 19 zu einer Steuereinheit 20, die
eine Dosierpumpe 21 ansteuert geleitet, kontrolliert. Das
Fällungsmittel,
ungefähr
30 l, wird in einem Fällungsmittelspeicher 22 vorgehalten
und über
eine Dosiermittelleitung 23 ho mogen in den Zufluss eingemischt.
Bei einem gelösten
Phosphorgehalt von 0,10 mg/l wird 0,50 mg/l Al3+ in
Form von Polyaluminiumchlorid zugegeben.
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Die
Zufluss proportionale Fällungsmittelzugabe
erfolgt in einer Entfernung zur Behandlungsanlage, die einer Fließzeit von
mehr als 2 min entspricht. Der Aufbau des Retentionsbeckens 3 und
die damit verbundenen Verfahrensschritte verlaufen entsprechend
dem Beispiel in der 1.
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- 1
- Zuleitungskanal
- 2
- Sandfang
- 3
- Retentionsbecken
- 4
- Sohlablauf
- 5
- Sohlablaufschieber
- 6
- maximales
Einstauziel
- 7
- Schilfbestand
- 8
- Sedimentschicht
- 9
- Dränschicht
- 10
- Dränablauf
- 11
- Drosselschieber
des Dränablaufs
- 12
- Wurzelraumschicht
- 13
- minimaler
Wasserstand
- 14
- Dichtungsschicht
- 15
- Klärüberlauf
- 16
- Ablaufkanal
- 17
- Wasserstandsmessung
- 18
- Durchflussmessung
- 19
- Datenleitung
- 20
- Steuereinheit
- 21
- Dosierpumpe
- 22
- Fällungsmittelspeicher
- 23
- Dosiermittelleitung