Hydraulischer Modellversuch: Der richtige Bermenwinkel für eine Kläranlage.

Feststoffablagerungen können zu erheblichen Beeinträchtigungen im Pumpenbetrieb führen

Der Abwassertransport in Kläranlagen soll vor allem eins: Reibungslos verlaufen. In Abwasser oder Schmutz- bzw. Oberflächenwasser befinden sich aber meist Feststoffe, die den Transport verhindern. Das Problem daran: Verlässt das Abwasser die Zulaufleitung, sinkt die Strömungsgeschwindigkeit. Je nach Geschwindigkeitsverteilung im Bauwerk kommt es zu Ablagerungen von Teilchen unter dem Einfluss der Schwerkraft.  Die Abwasserpumpen in der Kläranlage sind dann nicht mehr in der Lage, die sedimentierenden festen Bestandteile anzusaugen und mit dem Wasser abzutransportieren. Bauen sich diese Sedimentationen weiter auf, drohen Gefahren beim Abwassertransport: Die Bauwerksdurchströmung kann sich verändern, Pumpen können verstopfen.

Um diesem Problem Herr zu werden, bauen viele Betreiber von Anlagen, in denen Flüssigkeiten mit einem hohen Feststoffanteil transportiert werden müssen, Bodenschrägen, sogenannte „Bermen“, in ihre Leitungssysteme ein. Diese Bermen sorgen für reibungslose Abläufe, denn feste Bestandteile können so besser durch die Rohrleitungen transportiert werden.

Welcher Bermenwinkel ist der richtige, um Ablagerungen zu vermeiden?

Im Empfehlungsblatt 134 der DWA (Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V.) werden Bermenwinkel um 60 Grad empfohlen. Dies führt bei gleichem Sumpfvolumen jedoch zu kostenintensiven Bauwerken, da das Bauwerk sehr tief konstruiert sein muss. Geht es also auch flacher? Und wenn ja: Wieviel flacher? Diesen Fragen ist KSB in einem hydraulischen Modellversuch auf den Grund gegangen.

Für den Modellversuch haben die Spezialisten von KSB das Verhalten verschiedener Feststoffe bei veränderter Schräge der Bodenfläche sowie bei unterschiedlichen Oberflächengütern im Einlaufbereich eines Pumpwerks simuliert. Dafür haben sie den Neigungswinkel einer Berme mithilfe eines Stellmotors kontinuierlich verändert. Untersuchte Gegenstände waren unterschiedlich große Steine, Glasbruch sowie Metallteile. Darüber hinaus wurde auch die Gleitfähigkeit dieser Feststoffe auf verschiedenen Oberflächen untersucht: Auf einer Platte aus Polyethylen (PE), auf einer Keramikplatte sowie auf einer Betonfläche.

Die Ergebnisse des Bermenwinkel-Modellversuchs lieferten wertvolle Erkenntnisse für Anlagenbauer. Nicht nur, um zukünftige Verstopfungen zu vermeiden, sondern um bereits bei der baulichen Auslegung des Gebäudes viel Platz und Kosten zu sparen. Denn der Modellversuch ergab: Der benötigte Winkel der Berme hängt maßgeblich von der Beschichtung der Bermen-Oberfläche ab.

Fazit des Modellversuchs “Bermenwinkel”

Als besonders wirkungsvoll erwiesen sich demnach Bermen-Oberflächen aus Polyethylen (PE): Auf den glatten Kunststoffoberflächen gleiten die groben Feststoffe schon bei einer Winkelausführung von unter 40 Grad die Berme hinab. Auf Schrägen mit einer Oberfläche aus Beton oder Keramik hingegen hielten sich die getesteten Materialien deutlich länger: Diese mussten im Modellversuch einen Winkel von über 45 Grad überschreiten, um Ablagerungen zu vermeiden.

Werden die Oberflächen der Bermen also entsprechend beschichtet, kann der Winkel deutlich flacher gestaltet und damit die Bauwerktiefe deutlich reduziert werden.

Und noch ein Tipp der KSB-Experten für Anlagenbauer: Wird der Pumpensumpfboden in einer Kläranlage sehr flach gestaltet, kann es durchaus sinnvoll sein, eine gezielte Strömungsführung einzuplanen, mit der sich ein Spülungseffekt erzielen lässt. So lassen sich Strömungsgeschwindigkeiten beispielsweise dadurch erhöhen, dass lokale Querschnittsveränderungen vorgenommen werden. 

Modellversuche bei KSB: Im Kleinen gedacht, im Großen gemacht! 

Grundsätzlich führt KSB immer dann Modelluntersuchungen an einem Objekt oder einem Vorgang durch, wenn technische oder wirtschaftliche Gründe gegen Messungen unter Originalbedingungen sprechen. Die experimentellen Untersuchungen ermöglichen es KSB, neue Potenziale zur Effizienzsteigerung in Pumpenanlagen aufzudecken.

Der hydraulische Modellversuch „Bermenwinkel“ ist nur einer der vielen Modellversuche, mit denen KSB wertvolle Erkenntnisse gewonnen hat, die wir gern an unsere Kunden weitergeben. Erweitern Sie Ihr Fachwissen auch mit den Ergebnissen unserer weiteren hydraulischen Modellversuche zu Themen wie „Lufteinschlüsse“, „Feststofftransport“ oder „Lufteinträge“.

Gut zu wissen: Bei der Planung, Durchführung und Auswertung aller Modellversuche sowie der Übertragung der Ergebnisse auf die originalgroße Maschine und/oder Original-Betriebsbedingungen werden die Ähnlichkeitsgesetze beachtet bzw. angewendet. Dazu gehören neben der Einhaltung der geometrischen Ähnlichkeit auch die Berücksichtigung von Längenänderungen durch elastische und thermische Verformungen, die Umrechnung der Versuchsergebnisse auf Basis der Modellgesetze, die Beachtung von Flüssigkeitseigenschaften und vieles mehr. 

Alles, damit aus einem Modellversuch am Ende eine konkrete Optimierung im täglichen Anlagenbetrieb werden kann.

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