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22.06.2020

Messungen an Regenbehandlungsanlagen

Titelbild 1: Abschlagschwelle zur Vorflut
Titelbild 1: Abschlagschwelle zur Vorflut

 

1. Einleitung                                                                                                            

Gewässerschutz ist eine Aufgabe, die nicht neu ist. So führten extreme Flussverschmutzungen im Ballungsraum großer europäischer Städte schon in der 2. Hälfte des 19. Jahrhunderts zum Bau erster, einfach konzipierter Kläranlagen. Dieser Trend setzte sich zu Beginn des 20. Jahrhunderts fort und bald entstanden die ersten moderneren Anlagen mit biologischer Reinigung des Abwassers, die eine technologisch bedingte Vergleichmäßigung des Zuflusses erforderlich machten.

Das stellte allerdings die damals überwiegend vorhandene Mischwasserkanalisation bei Regen und den daraus resultierenden anschwellenden Abwassermengen vor ein hydraulisches Problem. So entstanden erste Regenüberläufe vor Drosseleinrichtungen, die Kläranlagen und Kanalnetz vor Überlastung schützten; gleichzeitig aber im Regenwetterfall wieder zu einem erhöhten Schmutzeintrag in die Vorflut führten. Der Bau erster Regenbehandlungsanlagen wie Regenrückhalte- und –überlaufbecken, Staukanälen und anderen Speicherräumen begann.

Da Zwischenspeicher aber auch kein unbegrenztes Volumen aufweisen können, ergibt sich auch an diesen die technologische Notwendigkeit der Entlastungsmöglichkeit über Becken- und Klärüberlauf in die Vorflut.

 

Titelbild 1: Abschlagschwelle zur Vorflut

 

2. Rechtliches Umfeld

Die seit den 60er Jahren errichteten Stauräume in teilweise sehr individueller Ausführung liegen üblicherweise im gesamten Kanalsystem verteilt und sind häufig schlecht erreichbar bzw. nur schwer zugänglich. Die frühen Anlagen enthalten kaum Mess- und Regeltechnik geschweige denn Datenprotokolliersysteme. Das Fehlen jeglicher Technik führte häufig zum Vergessen der Anlagen. Ob diese korrekt funktionieren und die geplanten Wirkungen auf Umwelt und Kanalsystem eintreten, war (und ist mancherorts auch noch heute) unbekannt.

Diesen Umstand Rechnung tragend, begannen die einzelnen Bundesländer Ende der 80er Jahre, erste gesetzliche Grundlagen zu erarbeiten und zu verabschieden, um einen verbesserten Kenntnisstand über die Funktion der errichteten externen Abwasseranlagen zu erhalten. So entstanden z.B. die EKVO (Eigenkontrollverordnung) von Baden-Württemberg oder Hessen, die Eigenüberwachungsverordnung (EÜV) von Bayern und die Selbstüberwachungsverordnung Abwasser (SüwVO Abw) von NRW, um nur einige zu nennen. 

Diverse Arbeits- und Merkblätter der DWA wie die A 111, A 128, A 166, M 166 unterstützen seit Jahren Behörden, Planer und Betreiber bei der Bemessung, Errichtung und dem Betrieb von Regenbehandlungsanlagen.

Die am 22.12.2000 in Kraft getretene europäische Wasserrahmenrichtlinie, die das gemeinschaftliche Herangehen an die integrierte Gewässerschutzpolitik in Europa regelt, ist in diesem Zuge nur folgerichtig und ein Baustein im rechtlichen Umfeld des Schutzes unserer Gewässer vor unzulässiger Verschmutzung und Belastung.

Das dem Kenntnisstand zur möglichst optimalen Wirkung und Schutzfunktion der Regenbehandlungsanlagen in der Praxis immer mehr Beachtung geschenkt wird zeigen auch die vielen neu entstehenden DWA-Nachbarschaften RÜB, Expertenforen und angebotene Schulungen zur Ausrüstung, Überwachung und Betrieb von Regenüberlaufbecken. Diverse Arbeitsmaterialien, Merkblätter, Verordnungen und Durchführungsbestimmungen der Bundesländer unterstützen diese.

Eine zunehmende Präsenz und Nachfrage nach Daten, Protokollen und Auswertungen der überwachenden Stellen (Landratsämter, Wasserwirtschaftsbehörden u.a.) zeigen ein wachsendes Bewusstsein der Behörden in die Wichtigkeit der Datenerfassung, Bewertung und Auswertung und daraus resultierender Systemoptimierungen zur Verringerung der Gewässerbelastung.

 

Bild 2: Trennbauwerk mit berührungsloser Füllstandsmessung

 

 

3. Messungen an Regenbehandlungsanlagen

3.1 Datengrundlagen                        

Die Datenerfassung und Protokollierung an Regenbehandlungsanlagen hat die Aufgabe, das Befüllen und eventuelles Überlaufen des Stauraumes zu überwachen, zu registrieren und abzuspeichern.

Die über einen längeren Zeitraum gewonnenen Daten geben Aufschluss über Häufigkeit und Dauer von Einstau- und Überlaufereignissen sowie über die mengenmäßige Belastung des Kanalsystems. Die nicht behandelte Menge an verschmutzen Mischwasser (Überlaufmenge) kann quantitativ erfasst werden.

An Regenbehandlungsanlagen sind vorrangig die Daten von Bedeutung, die mit Einstau- bzw. Regen-ereignissen zusammenhängen, wie:

  • Beginn und Ende des Beckeneinstaus. Aus diesen beiden Zeitpunkten ergibt sich die Einstaudauer
  • der Einstauverlauf (Ganglinie über das Befüllungs- und Entleerungsverhalten des Staubereiches)
  • Beginn, Ende und Zeitdauer des Klärüberlaufs (falls vorhanden)
  • Beginn, Ende und Zeitdauer des Beckenüberlaufes
  • Anzahl/Häufigkeit und Dauer der Entlastungen (Überläufe)
  • Entlastungsmenge von Beckenüberlauf und – falls vorhanden – Klärüberlauf

 

Der Beginn sowie das Ende eines Ereignisses sind durch die Über- bzw. Unterschreitung einer zu definierenden Mindesteinstauhöhe im Staubereich festgelegt. Diese Höhe ist so hoch zu wählen, das sie im Trockenwetter sowie auch nach einem Einstau durch liegen gebliebene Sedimente nicht erreicht wird.

Das bedeutet: Ein Ereignis beginnt und endet mit einem Einstau im Rückhaltebereich des Bauwerkes. Es ist nicht durch eine Entlastung - auch Abschlag oder Überlauf genannt – gekennzeichnet. Auch ein Einstau ohne Entlastung in die Vorflut stellt ein Ereignis da.

In der Praxis hat sich für die meisten Stauvolumina als Ereignisbeginn eine Höhe von etwa 20% des Stauvolumens bewährt.

Bei der Festlegung von Einstaubeginn- und -ende muss darauf geachtet werden, dass der Ausschaltpunkt mit einer entsprechenden Hysterese unter dem Einschaltpunkt liegt. Die Hysterese ist so groß zu wählen, dass Wellenbewegungen u.ä. nicht zu einer Vielzahl von Pseudo "Mini"-Ereignissen von nur wenigen Sekunden Dauer führen.

Die Forderung nach einer Schalthysterese betrifft ebenfalls Becken- und Klärüberlauf. Der Punkt „Ende Abschlag“ sollte ca. 2 cm unterhalb der Schwellenoberkante definiert werden.

Aus der Summe der erfassten Daten eines Ereignisses ist ein Ereignisprotokoll zu bilden, welches die oben genannten Punkte umfasst. Dieses Protokoll wird aus den vor Ort erfassten Rohwerten in nachgeordneten Systemen wie Prozessleitsystemen, WEB-Portalen oder Cloud-basierenden Systemen gebildet.

Die Protokolle über Einzelereignisse werden am Ende des Monats zu einem Monatsprotokoll zusammengefasst; die Monatsprotokolle am Ende des Jahres zum Jahresprotokoll.

Zusätzlich zu der Ereignisprotokollierung ist die Messung und Aufzeichnung der Weiterleitungsmengen zur Kläranlage sinnvoll. Diese gestatten neben der Information zu eventuellen Fremdwasser (Nachtabflüsse) auch den Nachweis zur Einhaltung der korrekten Drossel- bzw. Regelmenge im Regenwetterfall. (àDrosselüberprüfung)

Weitere Protokollierungen, wie z.B. Laufzeiten von Pumpen und Schiebern oder Störmeldungen von Aggregaten, Schiebern und anderen Einrichtungen sind für die Beurteilung des Zustandes und des Betriebes der Anlage sinnvoll und nützlich, haben aber mit den eigentlichen Ereignisprotokollen nichts zu tun.

 

3.2 erforderliche Messungen

Beckenfüllstandmessungen

Die kontinuierliche Erfassung des Beckenfüllstandes mittels Druckmesszellen (Einhängedruck-sonden) oder über dem Wasserspiegel befindlichen berührungslosen Ultraschall- und Radarsensoren ermöglicht die Ermittlung des Einstaubeginns und Einstauendes, des Einstauverlaufes, der Einstauhäufigkeit und des genutzten Volumens des Speicherraumes.

Die zur Anwendung kommenden Messverfahren und Sensoren sind nach physikalischen und technischen Erfordernissen auszuwählen. (Messbereich, Mediumberührung, Drift, Genauigkeit, Robustheit, Messsicherheit bei Schnee und Wind etc.)

 

Bild 3: Ereignispunkte im Staubecken

1 = Beckeneinstau

2 = Klärüberlauf

3 = Beckenüberlauf

4 = Tauchwand

 

Becken- und Klärüberläufe

Je nach Forderung der Aufsichtsbehörde und Wichtigkeit des Beckens im Kanalsystem (Naturschutzgebiet, Badegewässer, Trinkwasserschutzgebiet, systemrelevanter Speicher, …) werden entweder nur Beginn und Ende sowie Dauer des Überlaufes und somit keine Aussage über die Überlaufmenge oder zusätzlich dazu die konkrete  Abschlagmenge gemessen.

Je nach Position der Überläufe (im Trennbauwerk, direkt am Staubecken, ….) und nach gewählten Messverfahren der Beckenfüllstandmessung (Druckmessungen sind aus Genauigkeitsgründen oft ungeeignet) lässt sich unter Umständen die Beckenfüllstandmessung auch für die Überlaufmessung nutzen.

Bei der konkreten Mengenmessung haben sich die Methoden der Füllstandmessung über der Abschlagschwelle und der daraus resultierenden Q/h-Berechnung nach Poleni oder die wesentlich genauere direkte Messung von Füllstand mittels Ultraschall- oder Druckmessung zur Berechnung der hydraulisch benetzten Fläche und der mittleren Fließgeschwindigkeit (Kreuzkorrelations- oder Dopplermessung) im Abschlagkanal bewährt.

                                                                                                                                                                                                                                         

Bild 4: DWA-Empfehlung Abschlagmengenmessung nach Poleni                                                                                                                                                                                                                                                                                          

Bild 5: Praktische Umsetzung

 


Formel für die Berechnung

Q= 23 · µ · b · c · 2g  · hü32 

 

Q  =  Überfall-/Abschlagmenge
µ   =  Überfallbeiwert

b   =  Wehrbreite

c   =  Abminderungsfaktor (in der Praxis zu „1“ gesetzt)

hü = Überfallhöhe

g   =  Erdbeschleunigung (9,81m/s²)

 

Bild 6 - 9:

Das Messprinzip der Kreuzkorrelation erfasst die individuellen Geschwindigkeiten in den verschiedenen Fließhöhen und ermittelt dadurch das real existierende Fließprofil.

 

Bild 10: Direkte Messung im Abschlagkanal mit Kreuzkorrelationsmessung

 

Bild 11: Weiterleitungsmenge / Abfluss Richtung Kläranlage

 

Diese Messung ist momentan noch nicht in allen mit Messtechnik ausgerüsteten Anlagen zu finden.

Zum Einsatz kommen hier magnetisch-induktive Verfahren in Zwangsdükerung. Diese sind  verschmutzungsempfindlich durch Sedimente, Fett/Öl und biologische Belege. Ebenfalls werden kombinierte Höhen-/Fließgeschwindigkeitsverfahren mittels driftfreien und genauen Ultraschallsensoren mit Doppler- oder Kreuzkorrelationverfahren eingesetzt. Diese eigenen sich zum direkten Einbau in der Freispiegelleitung. Zusätzlich  zum Messergebnis kann damit eine Regelung der Abflussmenge und in Verbindung mit geeigneter Fernwirktechnik eine intelligente und optimierte Kanalbewirtschaftung ermöglicht werden.

Die Weiterleitungsmenge gibt häufig auch gute Anhaltspunkte über eventuelle Fremdwassermengen im System durch die Messung der Trockenwettermenge in der Nacht. 

 

Bild 12: Zwangsgedükertes MID zur Messung der Weiterleitungsmenge

 

Bild 13: Durchflussmessung und –regelung der Weiterleitungsmenge in Teilfüllung mit Füllstand- und Fließgeschwindigkeitsmessung

 

4. Zusammenfassung

Die installierten Messungen liefern die Datengrundlagen für Protokollierung, Auswertung und Bewertung der Regenbehandlungsanlagen.

Im Zeitalter der Digitalisierung, von schnellen Übertragungs- und Cloudlösungen, animierter Visualisierungen und komplexer Berechnungen rückt dieser klassische Bereich manchmal in den Hintergrund. Dabei wird nicht bedacht, das falsch ausgewählte Messtechnik, ungeeignete Montagepositionen, fehlerhafte Inbetriebnahme und mangelnde Wartung zu Messfehlern führen, die den nachgeordneten Prozess in Bezug auf Praxisrelevanz ad Absurdum führen. 

Die Firma NIVUS beschäftigt sich seit über 30 Jahren mit Durchfluss-, Abfluss- und Pegelmessungen sowie  Datenprotokollierung und –übertragung auch an hydraulisch und bautechnisch anspruchsvollen Anlagen.

Im Rahmen von Schulungen und Weiterbildungen am Stammsitz in Eppingen oder durch konkrete Beratung vor Ort unterstützt das Unternehmen bei der Planung von Messprojekten an Regenbehandlungsanlagen. Die  Serviceabteilung des Unternehmens führt auf Wunsch die Einrichtung, Inbetriebnahme und Wartung von Anlagen sowie die Datensichtung, Plausibilitätsprüfung und Protokollerstellung zur Weitergabe an die Behörden durch.

 

Autorenbild

Dipl. Ing. Steffen Lucas

NIVUS GmbH

Im Täle 2

D 75015 Eppingen

Steffen.lucas@nivus.com

 

 

 

 

 

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