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Verfahren und Anlage zum Fördern von Abwasser
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aus einem Sammelbehälter über eine Erhebung Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Fördern von Abwasser aus einem Sammelbehälter über eine Erhebung
bis zu etwa 50 m Höhe in einer am Ende offenen Leitung mittels einer Druckpumpe
sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Abwasseranlage.
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Die Einhaltung der Mindestfließgeschwindigkeit von ungefähr 1 m/sec
in Abwasserleitungen bereitet in der Praxis im Einzelfall oft erhebliche Schwierigkeiten.
Bei langen Freigefälleleitungen in flachem Gelände muß durch einen am Ende sehr
tiefen und deshalb teuren, die Leitung aufnehmenden Graben das für die Mindestfließgeschwindigkeit
erforderliche GIälIe k eich geschaffen werden. Selbst wenn man das Abwasser pumpt,
sei es wegen fehlenden natürlichen Gefälles oder weil eine natürliche oder künstlich
geschaffene Erhebung im Gelände zu überwinden ist, ist die Einhaltung der Mindestfließgeschwindigkeit
und die Begrenzung der Verweildauer des Abwassers in längeren, großvolumigen Leitungen
nach wie vor problematisch, weil
normalerweise der Abwasseranfall
starken Schwankungen unterliegt. Zur Beseitigung der daraus resultierenden Mängel
-Absetzen der Feststoffe in der Leitung, Verstopfungen, Fäulnis - ist es bekannt,
Abwasser-Druckleitungen von Zeit zu Zeit mit Druckluft zu spülen. Dieses Verfahren
ist jedoch mit beträchtlichen zusätzlichen Anlage-und Betriebskosten für die besondere
Druckluftspülung verbunden, und man erreicht damit auch nur eine Milderung, aber
keine Beseitigung der genannten Mangel, weil die Leitung in vielen Fällen durch
Druckluft nicht zu leeren ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art und eine zu dessen Druchführung geeignete Abwasseranlage zu schaffen,
die es ermöglichen, unabhängig von Schwankungen in der pro Zeiteinheit anfallenden
Menge des Abwassers und ohne zusätzliche aufwendige Maßnahmen die Verweildauer des
Abwassers in der Leitung abzukürzen und diese in verhältnismäßig kurzen zeitlichen
Abständen zu leeren.
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Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nach
dem Füllen des vor dem Höchstpunkt befindlichen Teils der Leitung bis zur vollständigen
Füllung auch des hinter dem Höchstpunkt gelegenen Teils der Leitung mehr Abwasser
pro Zeiteinheit hineingepumpt wird, als am Ende ausfließen kann, und daß unmittelbar
anschließend etwa auf dem Niveau der Leitungsmündung oder höher Luft in den vorderen
Teil der Leitung eingelassen wird.
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Die Erfindung nutzt zum Leeren der Leitung das an sich bekannte Heberprinzip
aus. Sofern man bisher davon in der Abwassertechnik Gebrauch gemacht hat, war man
bestrebt, die Wassersäule in der Leitung kontinuierlich geschlossen zu halten, um
ständig und kontinuierlich fördern zu können. Bei der Erfindung hingegen, wird das
Heberprinzip mit einer Abwasserpumpe kombiniert und zum intermittierenden Abwassertransport
benutzt, wobei sich die Pumpe und das Heberprinzip in die Punktion, den Vortrieb
für die Wassersäule zu erzeugen, teilen.
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Das neue Verfahren läßt sich auch in solchen Pällen anwenden, wo im
natürlichen Gelände kein oder nur ein zu schwaches Gefälle vorhanden ist. Untetsolchen
Umständen kann es sich als wirtschaftlichste Lösung für eine Abwasseranlage anbieten,
statt eines tiefen Grabens zur Erzeugung des notwendigen Gefälles eine künstliche
Erhebung zu schaffen und dann wie oben vorgeschlagen zu verfahren.
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Der Ausnutzung des Heberprinzips bei verhältnismäßig langen und dann
normalerweise auch verhältnismäßig weiten Abwasserleitungen mußte die Überlegung
entgegenstehen, daß Buft um so leichter in am unteren Ende offene, mit Wasser gefüllte
Leitungen eindringen kann, je größer deren lichte Weite ist.
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Nachdem Luft vom Leitungsende her in die Wassersäule eingedrungen
ist, reißt diese ab und der Fördervorgang kommt insoweit zum Erliegen. Um bei verhältnismäßig
großen Leitungsquerschnitten diesen Mangel auszuschalten, wird erfindungsgemäß eine
Abwasseranlage vorgeschlagen, bei welcher'die bekannte Anordnung einer Druckpumpe
und eines Be- und Entlüftungsventils am Anfang einer über eine Erhebung führenden
Leitung kombiniert ist mit der für sich bekannten Verlegetechnik, wonach der vor
dem Höchstpunkt befindliche Teil der Leitung im wesentlichen stufenförmig mit verhältnismäßig
kurzen ansteigenden und dazwischenliegenden leicht abfallenden Leitungsstücken verlegt
wird. Diese Leitungsführung hindert die Luft daran, während des Saugvorgangs nach
dem Heberprinzip das Wasser zu überholen und dann abreißen und zurückfallen zu lassen,
Die zuletzt geschilderte Wirkung der stufenförmigen Leitung führung wird dadurch
wesentlich gefördert, daß die steil ansteigenden Leitungsstücke einen beträchtlich
kleineren Innenquerschnitt haben als die flach abfallenden Leitungsstücke.
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Da sie steil, z.B. unter einem Winkel von etwa 45 bis 900 ansteigen,
ist die Gesamtlänge der engen Leitungsstücke nicht viel größer als die Höhe der
Erhebung, im Vergleich mit der Gesamtlänge der Leitung also relativ klein. Damit
ergibt sich
auch nur eine vergleichsweise geringe Erhöhung des Strömungswiderstands
der Leitung, während gleichzeitig der Vorteil erreicht wird, daß die Luft nicht
so leicht wie bei weiten Leitungsquerschnitten in Form von Blasen durch die Wassersäule
steigt.
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In dieselbe Richtung zielt auch die Maßnahme, die weiten Leitungsstücke
im stufenförmigen Verlauf der Leitung mit schwachem Gefälle von z.B. 6 - 8 fozu
verlegen. Dadurch wird bewirkt, daß das Wasser auf dem längsten Teil der Leitung
frei fließt, wobei es auch durch in die Leitung eingedrungene Luft nicht zurückgehalten
oder behindert wird. Gleichzeitig wird mit dieser Leitungsführung erreicht, daß
sich in die Leitung eingedrungene Luft jeweils am oberen Ende der mit Gefälle verlegten
Leitungsstücke sammelt, statt in einem Zuge in der Wassersäule weiter vorzudringen.
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Zu demselben Zweck ist vorzugsweise auch noch vorgesehen, daß am Übergang
zwischen einem flach abfallenden Leitungsstück und dem in Fließrichtung folgenden
steil ansteigenden Leitungsstück die Leitung eine Tasche, d.h. eine Erummung nach
unten und wieder nach oben bildet.
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Damit die Hebewirkung einsetzen kann, muß der hinter dem Höchstpunkt
gelegene Teil der Leitung vollständig mit Abwasser gefüllt sein. Um zu verhindern,
daß das Abwasser am Ende der Leitung schneller ausfließt, als von der Pumpe nachgeliefert
werden kann, wobei der Leitungsquerschnitt am Ende niemals ganz mit Wasser zu füllen
wäre, wird vorgeschlagen, den letzten Teil der Leitung mit einem engeren Querschnitt
auszuführen, so daß sich dort das Wasser staut. Die Verengung des Leitungsquerschnitts
sollte sich dabei vorzugsweise über eine gewisse Länge der Leitung, h.B. 20 bis
200 m, erstrecken, weil bei gleicher Stauwirkung eine nur an einer einzigen Stelle
vorgenommene Verengung des Strömungsquerschnitts eine kleinere lichte Weite haben
müßte als die vorgeschlagene verhältnismäßig lange Reduzierung des Leitungsrohrs.
Je enger jedoch der innere Querschnitt, desto größer ist die Gefahr-von Verstopfungen.
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Der Sammelbehälter braucht in bevorzugter Ausführung der Erfindung
nicht wesentlich größer ausgeführt zu werden, als mit dem Volumen des hinter dem
Höchstpúnkt gelegenen Leitungsteils, denn es kann der vor dem Höchst punkt befindliche
Leitungsteil mitobenutst werden beim Sammeln des Abwassers.
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Dies kann z.B, in der Weise geschehen, daß die Abwasserpumpe jedesmal,
wenn sich ein bestimmtes Abwasservolumen, z.B.
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1 m3, im Sammelbehälter angesammelt hat, dieses Volumen in die Leitung
drückt, bis jene bis zu ihrem Höchstpunkt mit Abwasser gefüllt ist. Sodann wird
nicht weiter Abwasser in die Leitung gepumpt, bis sich im Sammelbehälter soviel
Abwasser angesammelt hat, daß während eines einzigen zusammenhängenden Pumpvorgangs
der hinter dem Höchstpunkt gelegene Teil der Leitung gefüllt werden kann. Nachdem
dies geschehen ist, setzt die Heberwirkung ein und zieht das gesamte Abwasser aus
der Leitung.
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Es kann bei der Auslegung einer erfindungsgemäßen Abwasseranlage in
Rechnung gestellt werden, daß bei dem Übergang vom Pumpvorgang zur Heberwirkung
die Wassersäule in der Leitung eine bestimmte Geschwindigkeit hat und allein durch
diese kinetische Energie noch ein Stück fortbewegt wird, wobei weder der Pwnpvorgang
andauern noch die Heberwirkung bereits eingesetzt haben muß, Die genannte kinetische
Energie der großen durch den Pumpvorgang in Bewegung geratenen Wassermasse schafft
die Voraussetzung, daß die vorgeschlagene Anlage auch dann funktioniert, wenn sich
das beim Einsetzen der Heberwirkung öffnende Be- und Entlüftungsventil am Anfang
der Leitung etwas unterhalb des Niveaus der Auslaßöffnung der Leitung befindet.
Gleichzeitig eröffnet sich die weitere Möglichkeit, den Sammelbehälter und die Leitung
schon bei geringeren darin gesammelten Abwassermengen zu leeren, weil ggf. schon
eine Teilfüllung des hinter dem Höchstpunkt gelegenen Teils der Leitung ausreicht,
um nach Ausnutzung der kinetischen Energie der durch Pumpen beschleunigten Wassersäule
zum Einsetzen der Heberwirkung zu kommen.
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Die Steuerung der Abwasserpumpe zum Auffüllen des vor dem Höchstpunkt
gelegenen Teils der Leitung kann in Abhängigkeit vom Wasserstand im Sammelbehälter
oder bei gleichmäßigem Abwasseranfall auch zeitabhängig erfolgen. Die Steuerung
der Pumpe beim Füllen des hinter dem Höchstpunkt gelegenen Teils der Leitung kann
entweder in Abhängigkeit vom Druck in der Leitung oder ebenfalls mittels Zeitschaltuhr
geschehen. Die zeitabhängige Steuerung ist einfacher, setzt aber Kenntnis des pro
Zeiteinheit anfallenden Volumens an Abwasser voraus.
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Das vorgeschlagene Verfahren läßt sich voraussichtlich zur Überwindung
von Erhebungen bis zu etwa 40 bis 50 m Höhe einsetzen. Für diesen Höhen- bzw. Druckbereich
stehen geeignete Abwasserpumpen, Be- und Entlüftungsventile sowie Rohrleitt materialien
zur Verfügung. Die Beitung kann mehrere Kilometer, z,B. zwei bis 6 Kilometer lang
sein.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels einer Abwasseranlage näher erläutert. In der zeichnerischen
Darstellung ist dabei für die Höhe ein anderer Maßstab als für die Länge gewählt
worden. Es sei beispielsweise im folgenden davon ausgegangen, daß die in der Zeichnung
insgesamt mit 10 bezeichnete Leitung auf einer Gesamtlänge von ungefähr 3 km eine
Erhebung von ca. 20 m überwindet.
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Das zu transportierende Abwasser fließt aus einer angedeuteten Kanalisation
12 in einen Sammelbehälter 14. Eine als Druckpumpe arbeitende Abwasserpumpe 16 mitteinem
dahinter angeordneten Be- und Entlüftungsventil 18 üblicher schwimmergesteuerter
tU5-führung drückt das Abwasser in die am Ende offene Leitung 10.
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Letztere gliedert sich in einen vor dem mit 20 bezeichneten Höchstpunkt
befindlichen Leitungsteil 22 mit stufenformigem Verlauf und einen hinter dem Höchtspunkt
20 befindlichen Leitungsteil 24, der in Anpassung an das vorhandene Gelände im Beispielsfall
zunächst nur flach und dann steil abfällt.
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*) einer nicht gezeigten Rückschlagklappe und
Während
der Leitungsteil 24 über den größten Teil seiner Lange beispielsweise 150 mm Nennweite
hat, ist das z.B.
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150 m lange Ende 26 der Leitung auf eine Nennweite von z.B. 100 mm
reduziert.
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Der vor dem Höchtspunkt 20 gelegene Teil der Leitung 10 ist untergliedert
in kurze, unter etwa 45 bis 90 steil ansteigende Leitungsstücke 28, die jeweils
eine Höhe von z.B.
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1 bis 3 m überwinden und je nach Gelände mehr oder weniger lange,
leicht abfallende Leitungsstücke 30. Die Leitungsstücke 28 können eine Nennweite
von beispielsweise 80 bis 100 mm und die leicht abfallenden Leitungsstücke 30 eine
Nennweite von z.B. 150 oder 200 mm haben. Am Übergang zwl schen einem Leitungsstück
30 und dem in Strömungsrichtung folgenden steilen Leitungastück 28 kann eine Tasche
32 angeordnet sein.
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Die Steuerung der dargestellten Abwasseranlage funktioniert wie folgt:
In dem Maße, wie Abwasser aus der Kanalisation 12 in den Sammelbehälter 14 fließt,
wird es durch die Pumpe 16 kontinuierlich oder intermittierend in den zum Höchtspunkt
20 ansteigenden Leitungsteil 22 gedrückt, bis dieser bis zum Höchstpunkt 20 gefüllt
ist. Bevor nachfolgend weitergepumpt wird, muß entweder der Sammelbehälter 14 genügend
Abwasser enthalten, um in einem einzigen weiteren Pumpvorgang den Leitungsteil 24
soweit zu füllern, daß unter Berücksichtigung der kinetischen Energie der durch
die Pumpe beschleunigten Wassersäule die Heberwirkung einsetzen kann, oder es muß
während dieses Pumpvorgangs noch genügend Wasser aus der Kanalisation in den Sammelbehälter
14 nachfließen, daß dieses Ziel erreicht wird.
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Nachdem eine ausreichend lange Wassersäule im Leitungsteil 24 erzeugt
worden ist, kann die Förderung der Pumpe 16vaussetzen.
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Sobald in der Leitung am Be- und Entlüftungsventil 18 ein Sog entsteht,
öffnet dieses Ventil und läßt Luft einströmen.
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Im günstigsten Falle folgt die Luft der abziehenden Wassersäule,
ohne
darin tiefer einzudringen. Auf jeden Fall vet'-hindert der beschriebene Leitungsverlauf
mit engen r>teilen Leitungsstücken 28 und weiten, schwach abfallenden Leitungsstücken
30, daß Luft in größerer Menge durch die anziehende Wassersäule perlt und dann den
hinteren Teil der Wassersäule abreißen und zurückfallen läßt.
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Die Gefahr, daß Luft auch von der Mündungsöffnung her in die Wassersäule
eindringt, ist nicht so groß, da die Luftblasen hier gegen die Wasserströmung aufsteigen
müßten. Lm übrigen wirkt sich die aus anderen Grtinden vorgesehene Verjüngung des
Endbereichs 26 der Leitung auch in dieser Hinsicht günstig aus.
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Sollte sich bei einer Anlage, bei der das Be- und Entlüftungsventil
18 an der Pumpe 16 im Niveau unterhalb der Ntindungsöffnung der Leitung liegt, herausstellen,
daß aus unvorhergesehenen Gründen die Heberwirkung nicht einsetzt, kann etwas oberhalb
des Niveaus der Mündungsöffnung ein weitere Be- und Entlüfungsventil 34 angebracht
werden, wodurch dafuir gesorgt wird, daß die Wassersäule in Strömungsrichtung hinter
dem Höchstpunkt 20 länger ist als zwischen diesem und dem Be- und Entlüftungsventil
34, so daß sich die Leitung, nachdem sie einmal gefüllt worden ist, selbsttätig
leert. Das Be- und Entlüftungsventil 34 kann ebenso wie das Ventil 18 in üblicher
Ausführung mit einer Schwimmersteuerung versechen sein und sollte sich vorzugsweise
in der geschlossenen Stellung feststellen lassen, um ggf. unter günstigen Umständen
mit dem Be- und Entlüftungsventil 18 arbeiten zu können, so daß auch der zwischen
den beiden Ventilen 18 und 34 befindliche Teil der Leitung geleert wird.
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Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, bedarf es bei der
vorgeschlagenen Abwasseranlage außer der üblichen Druckpumpe mit Be- und Entlüftungsventil
grundsätzlich keiner zusätzlichen Teile oder Tätigkeiten, um die Leitung in kurzen
Zeitabständen jedesmal praktisch vollständig zu leeren. Dies
kann
ohne Betriebsunterbrechung geschehen, so daß die Anlage für hohe Förderleistungen
ausgelegt werden kann.