EP0840828B1 - Verfahren zur ableitung von abwässern - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ableitung von Abwässern aus Siedlungs- und Industriegebieten, bei dem der Durchfluß durch eine Abwasserleitung mittels einer Vorrichtung zur Steuerung des Durchflusses intermittierend gesteuert wird, indem zeitweilig Abwasser vor der Vorrichtung aufgestaut und damit der Durchfluß in die nachgeordnete Abwasserleitung unterbrochen und später das aufgestaute Abwasser durch Umsteuern der Vorrichtung freigegeben und hierdurch die nachgeordnete Abwasserleitung durchströmt wird, bei dem eine turbulente Abflußströmung erzeugt wird, die feste Inhaltsstoffe in der Abwassermenge gleichmässig verteilt, hohe Schleppspannungen für den Ab- und Austrag auch fester und verkrusteter Ablagerungen erzeugt, und die für teil- und vollgefüllte Abwasserleitungen im Zeitraum der Energieumwandlung der akkumulierten Abwässer bei intermittierendem Abflußbetrieb gilt und bei dem ein drehbarer, bogenförmiger Kanalabschnitt gemäß deutschem Patent 39 22 481 und/oder ein anhebbares Schlauchstück gemäß deutschem Patent 39 43 607 als Vorrichtung zur Steuerung des Durchflusses verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ableitung von Abwässern aus Siedlungs- und Industriegebieten.

Abwasserleitungen wurden bereits von frühen Kulturvölkern als offene Ableitgräben oder - wie beispielsweise von den Römern - als geschlossene Röhrensysteme errichtet.

Die im Abwasser enthaltenen Fäkalien oder andere Abfallstoffe begünstigen die Entstehung krankheitserregender Mikroorganismen wie Bakterien, die zu erheblichen gesundheitlichen Problemen führen können. In der Menschheitsgeschichte kam es deshalb immer wieder zu Epidemien, deren Entstehung auf eine unzulängliche Abwasserableitung zurückzuführen ist. Etwa zu Beginn des 19. Jahrhunderts erkannte man die verheerende Wirkung bakterieller Krankheitserreger und des unhygienischen Umgangs mit Abwässern.

Die vorhandenen Abwasserleitungen in Ballungsgebieten wurden zu einem Großteil bereit zu Beginn des vorigen Jahrhunderts geplant und für das damalige Einzugsgebiet großzügig und weitblickend bemessen. Im Laufe der Zeit haben jedoch eine verstärkte Besiedlung, Steigerung der Pro-Kopf-Abwasserabgabe sowie Gebietszusammenschlüsse zu einer Belastung bis zu den Kapazitätsgrenzen geführt. Um einen ordnungsgemäßen Abfluß der Abwässer erreichen zu können, wurden die Leitungsnetze aus gebaut und zum Teil untereinander verknüpft, was zu einer Netzvermaschung führte, die heute kaum noch überschaubar ist. Inspektions- und Wartungsarbeiten, also die notwendigen betriebserhaltenden Maßnahmen, gerieten dabei ins Hintertreffen.

Die vorhandenen Ableitungssysteme arbeiten linear, d. h. das Abwasser strömt von den Einleitungsstellen kontinuierlich durch das Abwassernetz zum Vorfluter oder Klärwerk. Hierbei ist es bereits bekannt, in Abwassernetzen Absperrschieber zu installieren, um durch Drosselung des Durchflusses unterschiedlichen Abwasseranfall auszugleichen und das Netz besser auszunutzen.

Mit der Erfindung wurde erkannt, daß mit der linearen Ableittechnik eine Vielzahl von Nachteilen verbunden sind. So kommt es dabei zur Sedimentation von Feststoffen, die als Ablagerungen das Kanalnetz allmählich verstopfen und damit dessen Kapazität verringern. Die erforderliche Entfernung der Ablagerungen ist aufwendig und mit einem unter humanitären Gesichtspunkten kaum noch zu vertretenden Personeneinsatz verbunden. Ferner ist die konventionelle Betriebsweise mit Verweildauern der Abwässer im Netz verbunden, unter denen die biologischen Umsetzprozesse ein gesundheitsgefährdendes Ausmaß annehmen können. Bei schlagartigem Anfall großer Wassermengen insbesondere durch sturzartige Niederschläge wird die Kanalisation zudem vielfach hinsichtlich ihrer Ableitfähigkeit und mechanischen Belastbarkeit überbeansprucht. So können große Wassermengen Druckstöße hervorrufen, die vor allem an den Absperrschiebern die mechanischen Belastungsgrenzen überschreiten können. Überdies sind die Schieber störanfällig, so daß sie meist nicht die angestrebte Verteilung der Abwassermengen auf das Netz zulassen. Deshalb kommen die bekannten Abwassernetze weiterhin auch nicht ohne aufwendige Rückhaltebecken aus.

Die DE-U-9016513 betrifft eine Vorrichtung zum Spülen eines Kanales, die einen Spülkasten aufweist, der am Anfang eines Schachtes sitzt und von einem Abwasser-Ableitungsrohr gespeist ist. In dem Spülkasten ist ein Heber, ein absperrbares Heberentlüftungsrohr und eine vertikal verschiebbare, in abgesenkter Stellung feststellbare Glocke angeordnet, um intermittierend Abwasser im Spülkasten rückzustauen und freizugeben. Diese Konstruktion ist aufwendig und kann nur geringe Spüleffekte erzielen.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ableiten von Abwässern zu schaffen, mit dem eine Abwasserleitung bzw. ein Abwassernetz effektiver gespült werden kann.

Die Lösung der Aufabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteihafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Durchfluß durch eine Abwasserleitung oder einen Abwasserkanal oder durch ein Abwassernetz mittels einer oder mehrerer Vorrichtungen zur Steuerung des Durchflusses interminierend gesteuert. Die Vorrichtung zur Steuerung des Durchflusses ist in die Abwasserleitung integriert. Durch den intermittierenden Betrieb wird zeitweilig Abwasser vor der jeweiligen Vorrichtung zur Steuerung des Durchflusses in der Abwasserleitung aufgestaut und damit der Durchfluß in der nachfolgenden Abwasserleitung unterbrochen. Später wird das aufgestaute Wasser durch Umsteuern der Vorrichtung freigegeben und hierdurch die nachgeordnete Abwasserleitung durchströmt. Diese Vorgänge können in festen Zyklen bzw. in Anpassung an den Abwasseranfall durchgeführt werden. Mehrere Vorrichtungen zur Steuerung des Durchflusses in einem Abwasserkanal oder Abwassernetz werden in dieser Weise bevorzugt aufeinander abgestimmt betrieben.

Die Steuerung der Vorrichtungen kann automatisch erfolgen, z.B. mittels eines Zentralrechners. Verwendet werden Vorrichtungen zur Steuerung des Durchflusses durch Abwasserkanäle, die in den deutschen Patentschriften 39 22 481 und 39 43 607 beschrieben sind und die dort angegebenen Vorteile gegenüber Absperrschiebern aufweisen.

Die erfindungsgemäße Ableitungstechnik hat gegenüber der linearen Abwasserableitung eine Vielzahl von Vorteilen. Hierzu gehört, daß durch den Aufstau der Abwassermassen potentielle Energie akkumuliert wird, die bei Freisetzung durch Umsteuern der Vorrichtung zur Steuerung des Durchflusses in der nachgeordneten Abwasserleitung für Reinigungszwecke eingesetzt wird. Hierdurch können verstopfende Ablagerungen von vornherein vermieden werden. Aufwendige und menschenunfreundliche Wartungs- und Reparaturarbeiten entfallen. Sofern Begehungen der Kanalisation noch erforderlich sind, ist die Sicherheit gegenüber unkontrollierten Wassermengen verbessert. Auch die verbesserten Belüftungsmöglichkeiten tragen zur erhöhten Sicherheit bei.

Durch den Einsatz des drehbaren, bogenförmigen Kanalabschnittes bzw. des anhebbaren Schlauchstückes gemäß den vorgenannten deutschen Patentschriften im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens treten besondere Strömungsformen auf, die für Reinigungszwecke besonders vorteilhaft sind. So tritt beim Absenken des bogenförmigen Kanalabschnittes bzw. des Schlauchstückes, welches gegebenenfalls gleichzeitig im angehobenen Bereich seitlich aus der vertikalen Ebene gebogen wird, Umlenkungen der schießenden Strömung hinter dem Überlauf auf, welche die Strömungsform stark beeinflussen. Im Fall des Auftreffens der schießenden Strömung auf die Rohrwand unter relativ kleinem spitzen Winkel erfolgt eine Ablenkung des Schußstrahls in vertikaler Richtung, ähnlich der bei von Talsperren bekannten Hochwasserüberfällen mit Sprungschanze. Der Schußstrahl setzt sich an der Rohrwand spiralartig solange fort, bis die Erdbeschleunigung größer als die Zentrifugalbeschleunigung wird und die Strömung vom oberen Bereich der Rohrwand herabstürzt. Diese "Spiralströmung" ist aus der Literatur und insbesondere in Verbindung mit Vorrichtungen zur Steuerung des Durchflusses bislang nicht bekannt. In der Spiralströmung findet eine sehr intensive Energiedissipation statt, so daß sie besonders gute Reinigungseffekte aufweist. Sie tritt insbesondere im oberen und mittleren Teil des Einstellbereiches des bogenförmigen Kanalabschnittes zwischen der Vertikalen und der Horizontalen auf und wird ebenso bei entsprechender Ausbiegung des anhebbaren Schlauchstückes erreicht.

Beim Auftreffen der schießenden Strömung auf die Rohrwand unter relativ großem spitzen Winkel wird der Schußstrahl reflektiert und es entsteht eine dem Wechselstrom mit Deckwalze ähnliche Strömungsform, welche sich schräg zur Rohrachse ausbildet. Diese Strömungsform kann aufgrund ihrer visuellen Erscheinung auch als "schräger Wechselsprung" bezeichnet werden, obgleich kein Übergang vom schießenden zum strömenden Abfluß erfolgt, sondern nur ein Teil der kinetischen Energie dissipiert wird. Dies kann wiederum zu Reinigungszwecken genutzt werden. Der Übergang von der Spiralströmung zum schrägen Wechselsprung verläuft allmählich, wobei letzterer bei kleineren Einstellwinkeln des bogenförmigen Kanalabschnittes zur Horizontalen bzw. entsprechenden Ausrichtungen des anhebbaren Schlauches erreicht wird.

Im letztgenannten Einstellbereich ist auch der "schwingende Schußstrahl" zu beobachten, auf den allerdings nur ein geringer Anteil dissipierter Energie mit entsprechenden Reinigungseffekten entfällt. Das "Schwingen" des Schußstrahls kommt durch die Umlenkung der noch gering vorhandenen Horizontalen, quer zur Rohrachse gelegten Geschwindigkeitskomponente zustande.

Als Abschluß der verschiedenen schießenden Strömungsverläufe erfolgt der Übergang zum strömenden Abfluß im Unterwasser mittels Wechselsprung. Das Wandern des Wechselsprunges von der Vorrichtung zur Steuerung des Durchflusses aus stromabwärts durch die Abwasserleitung wird ebenfalls mit einem besonderen Reinigungseffekt verbunden, vergleichbar etwa mit einer Druckspülung. Infolgedessen ist auch der Anfall überschüssiger Wassermengen, die bei maximal angehobenem bogenförmigen Kanalabschnitt bzw. Schlauchstück durch deren offenen Querschnitt abgeleitet werden und stromabwärts zu einem gewöhnlichen Schußstrahl mit anschließendem Wechselsprung mit Deckwalze führen, mit einer besonderen Reinigungswirkung verbunden. Diese greift besonders tief in das stromabwärtige System ein, weil die Entfernung des Wechselsprungs von der maximal angehobenen Überlaufstelle am größten ist.

Bei den vorerwähnten Strömungsformen hängt die maximale Ausdehnung des Bereichs der erhöhten Energiedissipation von Unterwasserstand, Gerinneparametern (Rauhheit, Gefälle, Durchmesser), Drehbogenparametern (Durchmesser, Überhöhung) und Abfluß ab. Mit Hilfe der Differentialgleichung der Wasserspiegellage und des Stützkraftsatzes lassen sich diese Strömungsformen mathematisch modellieren, was für die Planung von Abwassernetzen die einzusetzenden bogenförmigen Kanalabschnitte bzw. anhebbaren Schlauchstücke genutzt werden kann.

Bei Bewegung des drehbaren, bogenförmigen Kanalabschnittes bzw. des anhebbaren Hubschlauches mit hoher Geschwindigkeit über größere Bereiche werden veränderliche, instationäre Strömungen erzeugt. Es entstehen Druckstoß- bzw. Schwall- und Sunkererscheinungen, die ebenfalls zu Reinigungszwecken genutzt werden können.

Weiterhin vorteilhaft ist die verbesserte Nutzung von Abwassernetzen durch Steuerung der Netzabschnitte. Die Abwassermengen lassen sich je nach Anfall so gut wie störungsfrei so dirigieren bzw. speichern, daß sie optimal abgeleitet werden. Das vorhandene Abwassernetz wird also als Stauraum genutzt und eine Stauraumbewirtschaftung ermöglicht. Hierdurch können aufwendige Rückhaltebecken entfallen. Ferner ist eine Vergleichmäßigung der Versorgung von Klärwerken erreichbar, die die Effizienz des biologischen Klärprozesses begünstigt.

Ferner verbessert die intermittierende Ableitungstechnik die städtischen Hygienebedingungen. Hierfür kann die Abwasserableitung zur Optimierung der Verweildauer und damit zu einer Minimierung des Entstehens von Krankheitserregern eingesetzt werden. In diesem' Zusammenhang besteht die Möglichkeit der Eindämmung von Faulgasbildung und von biogener Korrosion. Ratten und dgl. Ungeziefer werden infolge der neuen Betriebstechnik aus der Kanalisation verdrängt.

Des weiteren ist durch die erfindungsgemäße Betriebstechnik eine Verlängerung der Lebensdauer sämtlicher Kanalisationskomponenten zu erwarten. Hierzu trägt insbesondere der Einsatz der Vorrichtung aus den Patentschriften 39 22 481 und 39 43 607 bei, die nicht die bei Absperrschiebern bekannten Druckverluste haben.

Die Technik ist auch besonders für Gebiete mit stark schwankendem Abwasseranfall erforderlich, z.B. für Kanalisationen in tropischen Ballungszentren, weil dort die mit der Abwasserverteilung, Kanalverstopfung und Hygiene verbundenen Probleme verstärkt auftreten.

Claims (13)

1. Verfahren zur Ableitung von Abwässern aus Siedlungs- und Industriegebieten, bei dem der Durchfluß durch eine Abwasserleitung mittels einer in die Abwasserleitung integrierten Vorrichtung zur Steuerung des Durchflusses intermittierend gesteuert wird, indem zeitweilig Abwasser in der Abwasserleitung vor der Vorrichtung aufgestaut und damit der Durchfluß in die nachgeordnete Abwasserleitung unterbrochen und später das aufgestaute Abwasser durch Umsteuern der Vorrichtung freigegeben und hierdurch die nachgeordnete Abwasserleitung durchströmt wird, bei dem eine turbulente Abflußströmung erzeugt wird, die feste Inhaltsstoffe in der Abwassermenge gleichmäßig verteilt, hohe Schleppspannungen für den Ab- und Austrag auch fester und verkrusteter Ablagerungen erzeugt, und die für teil- und vollgefüllte Abwasserleitung im Zeitraum der Energieumwandlung der akkumulierten Abwässer bei intermittierendem Abflußbetrieb gilt und bei dem eine Vorrichtung zur Regelung des Durchflusses durch Abwasserkanäle unter Veränderung einer Stauhöhe, bei der ein Kanalabschnitt in einem im wesentlichen bogenförmigen Verlauf zwischen den sich anschließenden Abwasserkanälen in der Höhe einstellbar ist und/oder eine Vorrichtung zur Steuerung des Durchflusses durch Abwasserkanäle mit einem zwei Abwasserkanalbauteile miteinander verbindenden und in seiner Höhenlage mittels einer Hubeinrichtung positionierbaren Schlauchstück aus elastischem Weichmaterial, bei der das Schlauchstück beidseitig dicht an miteinander fluchtende Abwasserkanäle angeschlossen ist und die Hubeinrichtung ein Hubantrieb ist, mit dem das Schlauchstück aus der Achse der Abwasserkanäle auswölbbar ist, als Vorrichtung zur Steuerung des Durchflusses verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die turbulente Abflußströmung die Strömungsform einer Spiralströmung aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die turbulente Abflußströmung die Strömungsform schräger Wechselsprünge aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die turbulente Abflußströmung die Strömungsform eines horizontal schwingenden Schußstrahls aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die turbulente Abflußströmung die Strömungsform eines geraden Schußstrahls aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das aufgestaute Abwasser durch schnelles Absenken des Kanalabschnittes oder des Schlauchstückes über größere Bereiche freigegeben wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Durchfluß durch eine Abwasserleitung oder ein Abwassernetz mittels einer oder mehrerer Vorrichtungen zur Steuerung des Durchflusses intermittierend gesteuert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem ein Abwasserkanal wiederholt durch Anstauen und Freisetzen von Abwasser mittels einer Vorrichtung zur Steuerung des Durchflusses entleert und gespült wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwasserleitung als Stauraum verbessert nutzbar gemacht wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß vermaschte Abwasserleitungen, die aufgrund ihrer topographischen Lage nur geringes Gefälle aufweisen, beispielsweise 1 : 2000, in planerisch vorgegebene Entfernungen Steuereinrichtungen erhalten, die unter Ausnutzung der Stauenergie intermittierend durchströmt werden können.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen parallel oder in Reihe nach einem den Erfordernissen angepaßten Programm manuell, rechnergesteuert oder vollautomatisch von einer Warte betrieben werden können.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen als Überlaufsicherungen verwendet werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß unter Ausnutzung der Stauhöhe der Steuereinrichtung die möglichen Abflußgeschwindigkeiten so verändert werden, daß die geringste Verweildauer der Abwässer in einer Abwasserleitung erreicht werden.