DE19528944C2 - Spiralbecken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Wasserbehandlungsbecken mit vielecki­ gem, insbesondere rundem Grundriß, die in der Abwasserent- und Wasser­ versorgung insbesondere zur Speicherung und/oder zu Sedimentationspro­ zessen dienen und nach dem "Zyklonprinzip" arbeiten, d. h. über einen oder mehrere tangential mündende Zuläufe sowie einen mittigen Ablauf verfügen, die entweder in Sohlnähe oder in unterschiedlichen Höhen über der Beckensohle angeordnet sind.

Die Beckensohlen sind horizontal bzw. nach innen geneigt. Im Extremfall nehmen die Becken eine Trichterform an.

Für alle diese bekannten Becken gilt, daß sie die Rotationsenergie des Wasserkörpers im wesentlichen aus dem tangential ins Becken mündenden Zulaufstrahl beziehen. Die Übertragung seiner Energie auf den im Becken befindlichen Wasserkörper und die daraus resultierenden Geschwindig­ keiten bzw. Schubspannungskräfte sind ausschlaggebend für folgende von der Beckenfunktion abhängigen Ziele:

In Regenbecken (Regenüberlauf (ROB), Regenklär- (RÜKB), Regenspei­ cher- (RÜSB), Regenrückhaltebecken (RHB))

• - Selbsträumung der Beckensohle von Ablagerungen;
• - im RÜKB gleichmäßige Durchströmung unter Vermeidung von Turbulen­ zen und Totzonen zur Förderung der Absetzprozesse.

In Trinkwasserbehältern

• - gleichmäßiger Wasserstand im gesamten Wasserkörper, Vermeidung von Totzonen (hoher hydraulischer Wirkungsgrad);
• - Vermeidung von Sielhäuten an Wand und Sohle.

In Rundsandfängen (RSF)

• - vollständige Durchströmung des Volumens, möglichst gleiche Aufent­ haltszeiten für alle sedimentierenden Teilchen, Vermeidung von Totzonen (hoher hydraulischer Wirkungsgrad);
• - Geschwindigkeiten im Sandfang, die eine Trennung zwischen Sand (mineralische Bestandteile) und Schlamm (organische Bestandteile) ge­ statten, wobei sich nur die mineralischen Stoffe absetzen sollen;
• - Geschwindigkeiten auf der Sohle, so daß permanente Ablagerungen au­ ßerhalb des Sandsammelraumes ausgeschlossen sind;
• - Vermeidung von Turbulenzen, um das Absetzen der Feststoffe nicht zu stören.

Damit besteht bei der konstruktiven Auslegung aller drei beschriebener Beckentypen (Regenbecken, Trinkwasserbehälter, RSF und andere Sedi­ mentationsbecken) die Forderung, die im Zulaufstrahl enthaltene Energie so verlustarm wie möglich unter Vermeidung von Verwirbelungen und Totzo­ nen auf den Wasserkörper zu übertragen.

Die aus der DE-PS 19 45 922 bekannten Regenbecken, Trinkwasserbehälter und bisher bekannte RSF besitzen einen regelmäßig vieleckigen (gleiche Seitenlängen), insbesondere kreisrunden Grundriß. - Aus langjährigen Be­ triebserfahrungen und umfangreichen Messungen an Modell- und Original­ becken ist bekannt, daß die für die Selbsträumung der Sohle, d. h. für die Schleppkraft verantwortlichen Strömungsgeschwindigkeiten im I. Quadran­ ten hinter dem Zulauf am größten sind und mit Zunahme der Entfernung vom Zulaufquerschnitt abnehmen.

Außerdem wurde deutlich, daß ein bedeutender Teil der im Becken not­ wendigen Energie im Zulaufbereich durch Stoßverluste bei Auftreffen des schnellen Zulaufstrahls auf den langsamen Wasserkörper verloren geht und damit nicht mehr zur Verfügung steht (Fig. 2a). Die entstehenden turbulenten Wirbel bewirken gleichzeitig die Bildung ungleichmäßig durchströmter Beckenbereiche, d. h. sehr unterschiedliche Aufenthaltszeiten der einzelnen Wasserteilchen und somit einen herabgesetzten hydraulischen Wirkungs­ grad.

Vor allem in Regenbecken mit günstigen hydraulischen Rabmenbedingungen (hoher Zu- und Abfluß, kleiner Beckendurchmesser usw.) können diese Er­ scheinungen kompensiert werden. Besonders jedoch unter ungünstigen Be­ dingungen (zu geringer Beckenabfluß, hohe Feststoff und Schlammfrachten im Zulauf, große Beckendurchmesser) ist die angestrebte Selbstreinigung, verstärkt im IV. Quadranten, nicht mehr gegeben.

In RSF kommt es bei niedrigen Zuflüssen zu Ablagerungen auf der Trichter­ sohle bzw. zu hohen Schlammanteilen im Sandfanggut, die zu erhöhten Be­ triebs- (Energie-) Aufwendungen führen. - Energieverluste und Verwirbe­ lungen im Zulaufbereich von Trinkwasserbehältern führen gegebenenfalls zur Bildung von Sielhäuten (Ablagerungen an den Wänden) bzw. zu un­ gleichmäßig durchmischten Behälterzonen und damit hygienisch nicht ein­ wandfreien Verhältnissen. Es besteht daher Bedarf nach geeigneten Maß­ nahmen zur Verbesserung der Selbsträumungs- und Durchströmungseigen­ schaften.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zum Zwecke der verbesserten Selbstreinigung von Regenbecken, der gleichmäßigen Durchmischung von TW-Behältern und RSF sowie zur Vermeidung von Ablagerungen in Regen­ becken die insbesondere im Beckenzulauf vorhandene Energie bestmöglich auszunutzen und in Schleppkraft umzuwandeln. Andererseits sollen Becken­ bereiche mit ungünstigen Geschwindigkeits- und Schleppspannungsverhält­ nissen verkleinert werden (durch kleinere Radien ergeben sich größere Ge­ schwindigkeiten).

Bei Becken mit einem vieleckigen, insbesondere runden Grundriß, mit we­ nigstens einer in der Beckenwand angeordneten Öffnung eines tangential in das Becken mundenden Zulaufkanals und eine zur einer mittigen Abflußöff­ nung hin nicht, schwach oder stark (Trichterform) geneigten Beckensohle wird die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Grundrißform des Beckens spiralförmig (Fig. 1a und 1b) bzw. vieleckig (mit nicht konstanten Seitenlängen) der Spiralform angenähert ist (siehe Fig. 9 bis 11). Auf diese Weise werden einerseits Energieverluste im Zulaufbereich des Beckens vermieden, die bei kreisrunden bzw. der Kreisform angenäher­ ten Becken entstehen. Andererseits wird der kritische Bereich für Ablage­ rungen im IV. Quadranten mit seinen deutlich niedrigeren Geschwindigkei­ ten zugunsten einer vergrößerten Sohlfläche im I. Quadranten verkleinert.

Vergleicht man die schematischen Abbildungen der Spiralbahnen des Was­ sers in kreisrunden Becken mit denen eines Spiralbeckens (Fig. 2a und 2b), so wird die deutlich strömungsärmere Zulaufgestaltung im Spiralbecken sichtbar. Die Fig. 3a und 3b zeigen die Gegenüberstellung der Prognosen von Geschwindigkeitsbildern (Isotachen) zweier Becken mit identischen hy­ draulischen Parametern. Sie unterscheiden sich ausschließlich dadurch, daß das Becken in Fig. 3a einen kreisrunden, das in Fig. 3b einen spiralförmigen Grundriß besitzt.

Die Bereiche geringer Geschwindigkeiten verschwinden (v = 0,7 bis 0,9 m/s) bzw. verkleinern sich (v = 0,9 bis 1,1 m/s) im Spiralbecken gravierend. Für die Selbsträumung der Sohle in Regenbecken bedeutet dies die Verrin­ gerung von Betriebs- und Energieaufwendungen durch erhöhte Selbstreini­ gungseffizienz.

In Trinkwasserbehältern und RSF resultieren aus der Erfindung höhere hy­ draulische Wirkungsgrade (Vermeidung von Wirbeln und Totzonen) und verminderte Ablagerungsgefahr an Sohle und Wänden.

Die Energie, die durch die erfindungsgemäße Spiralform aus dem Zulaufstrahl in Rotationsenergie des Wasserkörpers gegenüber dem bisherigen kreisrunden bzw. der Kreisform angenäherten vieleckigen Becken zusätzlich übertragen wird, bedeutet damit einen Gewinn verfügbarer Energie, der sonst künstlich aufgebracht werden müßte. Das vorgeschlagene Spiralbec­ ken führt damit gegenüber bekannten

• - Regenbecken mit kreisrundem oder der Kreisform angenäherten vielecki­ gem Grundriß (mit konstanter Seitenlänge),
• - Rundbehältern in der Trinkwasserversorgung und
• - Rundsandfängen

mit tangential mündendem Zulauf und mittigem Ablauf zu vorteilhaften Neuentwicklungen, die vor allem den effizienten Energieübertrag vom Zu­ laufstrahl auf den im Becken rotierenden Wasserkörper ermöglichen. Gleichzeitig werden energieärmere Beckenbereiche verkleinert. Außerdem ist eine bessere Standortanpassung möglich, da das Spiralbecken ungleiche Grundrißausdehnungen in den verschiedenen Achsen besitzt.

In den Zeichnungen sind

Fig. 1a und 1b Grundriß bzw. Schnitt eines Regenbeckens mit spiral­ förmigem Grundriß,

Fig. 2a Spiralbahnen im kreisrunden Becken mit Verwirbelungen (Energieverlust) im Zulaufbereich,

Fig. 2b Spiralbahnen im Spiralbecken,

Fig. 3a ein berechnetes Geschwindigkeitsbild eines kreisrunden Beckens,

Fig. 3b ein berechnetes Geschwindigkeitsbild eines Spiralbec­ kens mit den gleichen hydraulischen Grunddaten wie im Becken der Fig. 3a,

Fig. 4a und 4b Regenbecken mit spiralförmigem Grundriß, einem Zulauf und senkrechter Wand,

Fig. 5a und Sb Regenbecken mit spiralförmigem Grundriß, zwei Zuläu­ fen und senkrechter Wand,

Fig. 6a und 6b Absetzbecken mit einem spiralförmigem Grundriß, einem Zulauf und geneigter Wand,

Fig. 7a und 7b Rundsandfang mit spiralförmigem Grundriß,

Fig. 8a und 8b Trinkwasserbehälter mit spiralförmigem Grundriß,

Fig. 9a und 9b Regenbecken mit der Spiralform angenähertem achtecki­ gem Grundriß, einem Zulauf und senkrechten Wänden,

Fig. 10a und 10b Regenbecken mit der Spiralform angenähertem achtecki­ gem Grundriß, zwei Zuläufen und senkrechten Wänden,

Fig. 11a und 11b Absetzbecken mit der Spiralform angenähertem acht­ eckigem Grundriß, einem Zulauf und geneigten Wänden.

Claims (7)

1. Wasserbehandlungsbecken zur Verwendung für Speiche­ rungs- und/oder Mischungs- und/oder Sedimentationsprozesse in der Abwasserentsorgung und Wasserversorgung, mit wenig­ stens einer in der Beckenseitenwand oder der Beckensohle angeordneten Öffnung eines tangential ins Becken mündenden Zulaufs und einer zur Beckenmitte hin geneigten oder ebenen Beckensohle, mit mittigem Ablauf in der Sohle oder über der Sohle, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundriß des Beckens der Spiralform angenähert ist.

2. Wasserbehandlungsbecken nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Grundriß des Beckens die Form einer logarithmischen oder archimedischen Spirale oder die Form eines diesen angenäherten Vieleckes hat.

3. Wasserbehandlungsbecken nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Beckensohle stark zur Mitte geneigt ist und damit ein trichterförmiges Becken mit einer der Spirale angenäherten Grundrißform entsteht (Rundsand­ fang).

4. Wasserbehandlungsbecken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein Re­ genbecken handelt.

5. Wasserbehandlungsbecken nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es sich um ein Regenüberlaufbecken, ein Regenklärbecken, ein Regenspeicherbecken und/oder ein Re­ genrückhaltebecken handelt.

6. Wasserbehandlungsbecken nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen Trinkwas­ serbehälter handelt.

7. Wasserbehandlungsbecken nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen Rundsand­ fänger handelt.