Rohre & Kanäle
Mindestgeschwindigkeiten für Feststofftransport im Abwasserkanal

Montag, 15. April 2019 In einer Studie wurde der Einfluss der Sedimentgröße und der Rohrrauigkeit auf den Sedimenttransport und die notwendigen Mindestgeschwindigkeiten für den Abwassertransport untersucht.

Wichtige beeinflussende Parameter für die Mindestgeschwindigkeit im Abwasserkanal
© Foto: TU Berlin, FG Fluidsystemdynamik
Wichtige beeinflussende Parameter für die Mindestgeschwindigkeit im Abwasserkanal

Abwasser wird über Kanäle und Rohrleitungen zum Klärwerk geleitet. Der Transport erfolgt über Freigefälle oder den Einsatz von Pumpen. Die Feststoffe im Abwasser können sich ablagern (Sedimentation). Um das zu verhindern, wird eine Mindestgeschwindigkeit benötigt. Über die Höhe der Mindestgeschwindigkeiten findet man zahlreiche Informationen in den einschlägigen Standards. Jedoch unterscheiden sich die Werte für die Mindestgeschwindigkeit relativ stark. Das liegt im Wesentlichen an der hohen Komplexität des Feststofftransports und der Variation der Zusammensetzung des Abwassers. Die Wahl der Strömungsgeschwindigkeit in Rohrleitungen und Kanälen für Abwasser ist ein Kompromiss zwischen Ablagerungen bei zu niedriger Geschwindigkeit und starken Reibungsverlusten bei zu hoher Geschwindigkeit.

Mindestgeschwindigkeit

Obwohl die Schubspannung der ausschlaggebende Parameter zur Beschreibung der Bewegung der Sedimente ist, hat sich in der Praxis die Angabe einer Mindestgeschwindigkeit durchgesetzt. Es gibt viele Parameter, die die für den Feststofftransport notwendigen Mindestgeschwindigkeiten im Abwasserrohr beeinflussen. Bild 1 fasst die wichtigen beeinflussenden Parameter zusammen.

Aufgrund der doch erheblichen Unterschiede zwischen den Transport- bzw. Fließeigenschaften von Sedimenten sind eine Vielzahl von unterschiedlichen Experimenten zur Ermittlung von kritischen Fließgeschwindigkeiten durchgeführt worden. Die Werte der Mindestgeschwindigkeiten in der internationalen Fachliteratur haben ein großes Spektrum und liegen im Bereich von 0,3 bis 3,5 m/s. In Tabelle 1 ist ein Vergleich über die empfohlenen Werte der Mindestgeschwindigkeit aus der verfügbaren Literatur in Deutschland dargestellt.

Dabei muss unterschieden werden zwischen den Mindestgeschwindigkeiten für den Beginn der Bewegung der Feststoffe und für den sicheren Transport über längere Strecken. Der Bewegungsbeginn ist ein aktiver Vorgang der Lösung von Körnern aus einem Sohlenverbund und veranlasst damit eine Initiierung der Teilchenbewegung. Daneben ist die Mindestgeschwindigkeit für den sicheren Transport die Geschwindigkeit, oberhalb derer alle Feststoffe in ständiger (schwebender, springender oder gleitender) Bewegung sind /1/. Der Fokus dieser Studie liegt auf der Mindestgeschwindigkeit für den Beginn der Feststoffbewegung.

Der Bewegungsbeginn von nicht kohäsiven Sedimenten erfolgt als allmähliche Entfernung von Korngruppen aus bzw. von der Sohle weg. Trotz der logisch klingenden Definition in Worten ist die Festlegung eines Zeitpunkts, der den Bewegungsbeginn festlegt, ein subjektiv vom Beobachter ermittelter Punkt /2/. Kramer (1935) /3/ hat diesbezüglich eine Definition für den Bewegungsbeginn eines Geschiebes unter Laborbedingungen aufgestellt, die immer noch von vielen Wissenschaftlern verwendet wird. Laut seiner Beschreibung ist eine generelle Bewegung des Sedimentbettes festzulegen, wenn alle Partikel in Bewegung versetzt werden. Die Bewegung ist ebenso nicht lokal, ferner ist sie all übergreifend. Es besteht ein bemerkbarer Materialtransport, der langsam die Bettform- bzw. -beschaffenheit verändert.

 

 © Foto: Tabelle 1 gelten als Quellen die Literaturstellen

Forschungsarbeit

Im Rahmen einer Forschungsarbeit an der Technischen Universität Berlin, Fachgebiet Fluidsystemdynamik, wurde der Sedimenttransport im Abwasserkanal mithilfe experimenteller Untersuchungen und eines gekoppelten numerischen Modells (CFD-DEM) erforscht. Da der Sedimenttransport im Abwasserkanal ein sehr komplexes Phänomen ist, der von vielen Parametern abhängig ist, wird eine solche numerische Simulationsmethode hilfreich sein, um einige Besonderheiten, die im Labor oder in-situ nicht einfach zu ermitteln sind, zu studieren. Die gekoppelte CFD-DEM Methode ist eine Eulerian-Lagrange Methode. Computational Fluid Dynamics (CFD) berechnet die Bewegung von Fluiden anhand der Navier-Stokes-Gleichungen in Verbindung mit der Kontinuitätsgleichung, während die Diskrete Elemente Methode (DEM) die Bewegungen und Interaktionen von Partikeln auf der Grundlage des zweiten Newtonschen Gesetzes und eines Kontaktgesetzes ermittelt.

Der Labor-Prüfstand (Bild 2) besteht aus einem Plexiglasrohr mit einer Gesamtlänge von sechs Metern. Das Plexiglasrohr ermöglicht einen visuellen Zugang zu den Strömungs- und Transportvorgängen. Das Rohr weist einen Durchmesser von 350 mm auf. Eine Umwälzpumpe sorgt für die Zirkulation von Wasser im System. Außerdem lassen sich der Durchfluss mittels eines Magnetisch-induktiven Durchflussmessers (MID) und der Wasserstand im Rohr mittels eines Ultraschall-Kompakt-Echolots messen. Um den eintretenden Bewegungsbeginn zu dokumentieren, ist eine Kamera über dem Sedimentbett positioniert. Dadurch können Veränderungen auf der Sohlenbettoberfläche videotechnisch festgehalten werden.

Abwasserkanal-Versuchsstand © Foto: TU Berlin, FG Fluidsystemdynamik
Abwasserkanal-Versuchsstand

Auswahl der Sedimente

Ziel ist es, flächendeckend die Größenklassen der Sedimente allumfassend bedienen zu können. Grundlegend wird zwischen Sand und Kies unterschieden, da diese sich laut der Klassifizierung der Abwasserfeststoffe von Crabtree (1989) /4/ zum größten Teil am Feststofftransport im Abwassersystem beteiligen und zur Bildung der Ablagerungen führen. Tabelle 2 zeigt aufgelistet, welche Materialien für die Versuche benutzt wurden. Die Sedimente haben eine spezifische Dichte von 2,65. Das Sedimentbett auf der Sohle im Experiment und deren Darstellung im DEM-Modell zeigt Bild 3.

 © Foto: TU Berlin, FG Fluidsystemdynamik

 

Sedimente auf der Sohle im Prüfstand (links) und deren Repräsentation im DEM-Modell (rechts) © Foto: TU Berlin, FG Fluidsystemdynamik
Sedimente auf der Sohle im Prüfstand (links) und deren Repräsentation im DEM-Modell (rechts)

Auswahl der Rohrrauigkeiten

Nach einer Auswertung des DWA,  welche den Zustand der Kanalisation in Deutschland analysierte, sind die drei primär zu betrachtenden Rohrmaterialien bei der deutschlandweiten Gesamtauswertung /5/:

  • Beton und Stahlbeton (38,4 %)
  • Steinzeug(31 %) und
  • Kunststoff (16,3 %).

Um eine eindeutige Klassifizierung vornehmen zu können, wird die Rauheit der Rohre in glatt, mittelrau und rau eingeteilt. Dazu werden die relevanten Rohrbereiche mit entsprechendem Sandpapier beklebt. Das Rohr ist mit einem Sohlengefälle von 0,17 % installiert. Tabelle 3 fasst die untersuchten Rohrrauigkeiten zusammen.

 

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Ermittlung der für den Abwassertransport notwendigen Mindestgeschwindigkeiten

Die experimentellen Ergebnisse für Mindestgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Sedimentdurchmessern sind in Bild 4 dargestellt. Die Werte der Mindestgeschwindigkeiten variieren zwischen 0,23 und 0,67 m/s. Die Laboruntersuchungen mit vier unterschiedlichen Kornklassen und drei verschiedenen Rauheiten zeigen, dass mit erhöhtem Sedimentdurchmesser sowie erhöhter Wandrauigkeit die notwendige Geschwindigkeit zum Start des Transports der Sedimente steigt. Außerdem lässt sich aus Bild 4 schließen, dass die Wandrauigkeit einen vergleichsweise geringeren Effekt auf den Transport der feinen Sedimente aufweist. Dies könnte unter anderem durch kleinere Kontaktflächen von feinen Partikeln begründet werden. Darüber hinaus haben grobe Kiese schärfere Kanten, die mehr Widerstand gegen die Strömung verursachen können.

Die Ergebnisse zeigen, dass eine Mindestgeschwindigkeit von ca. 0,7 m/s für den Beginn der Sedimentbewegung im Abwasserkanal besteht. Ein Zuschlag ist notwendig für den sicheren Transport der Sedimente. Dafür werden erfahrungsgemäß weitere 0,2 bis 0,3 m/s empfohlen. Für vollgefüllte Rohrleitungen (DN 350) ist auch ein weiterer Zuschlag von ca. 0,3 m/s erforderlich.

 

Mindestfließgeschwindigkeiten für unterschiedliche Sedimentdurchmesser und Wandrauigkeiten für DN 350, Gefälle 0,17 % und Füllungsgrad bis zu 0,2 © Foto: TU Berlin, FG Fluidsystemdynamik
Mindestfließgeschwindigkeiten für unterschiedliche Sedimentdurchmesser und Wandrauigkeiten für DN 350, Gefälle 0,17 % und Füllungsgrad bis zu 0,2

Einfluss des Sedimentbettes auf die Strömung

Nachdem die genannte numerische Simulationsmethode mit experimentellen Ergebnissen quantitativ und qualitativ validiert wurde, wurde das Model ebenfalls angewendet, um den Einfluss von Sedimenten auf die Strömung zu analysieren. Wie in Bild 5 dargestellt, treten in einem mit Wasser und Sedimenten benetzten Querschnitt höhere Fließgeschwindigkeiten in der Nähe der Wasseroberfläche im Vergleich zu einem nur mit Wasser benetzten Querschnitt auf. Die höhere Geschwindigkeit an der Oberfläche resultiert aus der Querschnittsverengung infolge der Sedimentablagerungen. Im Bereich der Sedimentablagerungen ergeben sich vergleichsweise geringere Geschwindigkeiten infolge der zusätzlichen Verwirbelungen bzw. lokalen Querbewegungen. Da sich die Feststoffe im Geschiebetransport in Wandnähe bewegen, wird bestätigt, dass mit der Erhöhung der Ablagerungen im Kanal höhere Mindestfließgeschwindigkeiten benötigt werden, um die Feststoffe auf der Sohle abzutransportieren.

Die Geschwindigkeitskontouren (links) und Geschwindigkeitsprofile in der Rohrmitte (rechts) auf einem Querschnitt mit und einem ohne Sediment (für einen Durchfluss von 4 l/s und eine volumetrische Geschwindigkeit von 0,4 m/s) © Foto: TU Berlin, FG Fluidsystemdynamik
Die Geschwindigkeitskontouren (links) und Geschwindigkeitsprofile in der Rohrmitte (rechts) auf einem Querschnitt mit und einem ohne Sediment (für einen Durchfluss von 4 l/s und eine volumetrische Geschwindigkeit von 0,4 m/s)

Zusammenfassung und Fazit

In dieser Studie wurde der Einfluss zweier wichtiger Parameter, nämlich der Sedimentgröße und der Rohrrauigkeit, auf den Sedimenttransport und die notwendigen Mindestgeschwindigkeiten für den Abwassertransport untersucht. Es ergeben sich folgende Hinweise:

  • Die ermittelten Mindestgeschwindigkeiten zum Start des Transports der typischen mineralischen Feststoffe im Abwasser liegen bei ca. 0,7 m/s. Weitere Zuschläge müssen gemacht werden in Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser, Rauigkeit und schon vorhandenen Sedimentation. Außerdem sind weitere Zuschläge erforderlich, wenn die Rohrleitung vollgefüllt ist. So ist für die sichere Abwasserförderung von einer Mindestgeschwindigkeit von 1 m/s auszugehen.
  • Die Querschnittsverminderungen durch Ablagerungen erhöhen die Verstopfungsgefahr. Mit zunehmenden Ablagerungshöhen im Kanal werden höhere Mindestfließgeschwindigkeiten benötigt, um die Feststoffe auf der Sohle abzutransportieren.

Im weiteren Verlauf der Studie wird der Sedimenttransport bei der Schwallspülung im Abwasserkanal experimentell und anhand des gekoppelten CFD-DEM-Modells untersucht.

 

Literatur

  1. Führböter, A., 1961: Über die Förderung von Sand-Wasser-Gemischen in Rohrleitungen, Hannover. Doktorarbeit, Hannover Technische Hochschule
  2. Ristenpart, E., 1995: Sediment properties and their changes in a sewer. Water Science & Technology, 31(7), pp. 77 – 84
  3. Kramer, H., 1935: Sand mixtures and sand movement in fluvial models. American Society of Civil Engineers, 100, pp. 798-838
  4. Crabtree, R., 1989: Sediments in sewers. J.IWEM, pp. 569 – 578
  5. Berger, C. et al., 2016: Zustand der Kanalisation in Deutschland: Ergebnisse der DWA-Umfrage 2015, Hennef: Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V.
  6. ATV-DVWK-A 134, 2000: Planung und Bau von Abwasserpumpanlagen, Hennef: GFA
  7. DWA-A 110, 2006: Hydraulische Dimensionierung und Leistungsnachweis von Abwasserleitungen und -kanälen, Hennef: Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V.
  8. Fugmann, K., 2007: Experimentelle Ermittlung der für den Abwassertransport notwendigen Strömungsgeschwindigkeiten. Berlin: Diplomarbeit, Hochschule für Wirtschaft und Technik
  9. WILO, 2008: Abwassertechnik für die Wasserwirtschaft - Planungshandbuch – Grundlagen der Hydraulik und Elektrotechnik, Dortmund: WILO SE
  10. Geberit, 2012: Abwasserhydraulik- Leitfaden für die Planung, Dimensionierung, Verlegung und den Betrieb von Abwasseranlagen, Pfullendorf: Geberit Vertriebs GmbH
  11. DWA-A 116-3, 2013: Besondere Entwässerungsverfahren – Teil 3: Druckluftgespülte Abwassertransportleitungen, Hennef: Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V.



Ein Beitrag von M. Sc. Maryam Alihosseini und Prof. Dr.-Ing. Paul Uwe Thamsen.

TU Berlin, Fakultät Verkehrs- und Maschinensysteme, FG Fluidsystemdynamik

www.fsd.tu-berlin.de

Fachartikel aus wwt wasserwirtschaft wassertechnik Nr. 4/2019

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