Modellierung und Simulation von Retentionsbodenfiltern zur weitergehenden Mischwasserbehandlung
Year: 2011
Type: dissertation
Abstract: Retentionsbodenfilter zur weitergehenden Mischwasserbehandlung (RBF) konnen einen wichtigen Beitrag zum Gewasserschutz leisten, indem sie Entlastungsabflusse aus konventionellen Regenuberlaufbecken reinigen. Die Filterdimensionierung erfolgt nach Stand der Technik vorwiegend durch die Beurteilung der hydraulischen Flachenbelastung. Um die dazu notwendigen Daten zu erhalten, sind Niederschlag-Abfluss- Berechnungen des Kanalnetzes erforderlich. Wird in Erganzung die Einhaltung stofflicher Zielgrosen gefordert, sind Schmutzfrachtberechnungen anzuwenden. Vor dem Hintergrund biochemischer, naturnaher Prozesse in RBF erscheint es sinnvoller, die geeigneten Abmessungen des Filterbeckens vorwiegend anhand der stofflichen Belastung und der entsprechenden Reinigungsleistung zu ermitteln. Die vorliegende Arbeit soll einerseits einer Erweiterung des Kenntnisstandes uber die Prozesse in RBF dienen. Andererseits sollen vorhandene Prozessvorstellungen in Modellrechnungen uberpruft werden. Eine detaillierte Nachbildung von Laborversuchen erfolgt mittels eines biokinetischen Reaktionsmodells, welches fur Pflanzenklaranlagen entwickelt wurde. Der durch die Simulationsauswertung erweiterte Kenntnisstand wird zur Weiterentwicklung eines vereinfachten Retentionsbodenfilter-Moduls fur Schmutzfrachtsimulationen verwendet. Am Ende soll ein Planungs- und Optimierungswerkzeug gewonnen werden, welches den derzeitigen Wissensstand abbildet und der Ingenieurpraxis gerecht wird. Die verwendete, ausgewertete Datengrundlage umfasste zunachst zwei mehrmonatige Messphasen am RBF Saarbrucken-Ensheim (Dittmer, 2006), zugehorige Saulenversuche im Labormasstab (Woźniak, 2007) sowie die Ergebnisse eigener Versuche aus vorhergehenden Simulationsstudien. Wahrend die eigenen Laboruntersuchungen in der vorliegenden Arbeit erganzt wurden, erfolgte die wesentliche Erweiterung der Datengrundlage durch Vorlage von Messdaten aus einer zweijahrigen Kampagne des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft der Universitat Kassel (Prof. Dr.-Ing. F.-B. Frechen) am RBF Oberelsungen. Die Auswertung dieser Rohdaten, der vergleichende Einschatzungen der beiden Filteranlagen und die geordnete Zusammenstellung aller weiteren Untersuchungen bilden die wesentlichen Vorarbeiten der Simulationsstudien. Als Ergebnis wird festgestellt, dass die beiden RBF sowohl untereinander als auch mit anderen Anlagen vergleichbar sind. Dadurch ist eine Zusammenfuhrung von Aspekten verschiedenen Ursprungs moglich. Laborversuche sollten jedoch gesondert bewertet werden. Vor Anwendung des biokinetischen Reaktionsmodells CW2D werden die Modellteile der Hydraulik, des Stofftransportes und des Stoffruckhaltes getrennt betrachtet. In allen genannten Teilprozessen kann eine hohe Annaherung an Messwerte erzielt werden - ein Exkurs zu stark abweichenden Filtersubstraten fur Pflanzenklaranlagen belegt die grose Bandbreite des moglichen Modelleinsatzes. Die weitergehenden Prozesse des Stoffumsatzes wurden zur Nachbildung einzelner Hochlastereignisse in Laborversuchen mit Saulen verwendet, wobei ebenfalls eine Deckung mit der Datengrundlage erreicht werden kann. Eine langfristige Wiedergabe der Filterleistung gelingt bisher jedoch nicht. Als Ursache wird vor allem die Beschreibung der Trockenphasen herausgestellt. Mogliche Modellerweiterungen um Filtrationsprozesse organischer Partikel sowie vorgeschlagene Anderungen des biokinetischen Reaktionsmodells konnten hierzu Abhilfe schaffen. Die Weiterentwicklung eines RBF-Modells als Bestandteil der Schmutzfrachtmodellierung bezieht sich auf die Kernparameter CSB und NH4-N und in Erganzung auf NO3-N. Zur Vorbereitung stofflicher Prozessbeschreibungen wird das hydraulische Modell optimiert. Bezuglich CSB erfordert die Wiedergabe der tatsachlichen Reinigungsleistung eine Unterteilung in geloste und partikulare Bestandteile. Es wird nachgewiesen, dass mittels konstanter, partikularer Ablaufkonzentrationen sowie konstanter Wirkungsgrade fur die gelosten Anteile die Filterleistung abgebildet werden kann. Eine Verbesserung der Ergebnisse wird durch die Beachtung von Trockenphaseneinflussen erreicht. Bezuglich NH4-N wird der wesentliche Entwicklungsschritt mit einer zweistufig linearen Sorptionsisotherme eingefuhrt. Das neue Stickstoffmodell wird – erganzt um die Berucksichtigung von Regenerationszeiten - in seiner Eignung belegt. In einer abschliesenden Simulationsstudie zur Optimierung des RBFs Oberelsungen wird aufgezeigt, dass sich aus hydraulischen und stofflichen Kriterien unterschiedliche Dimensionierungen ableiten lassen.
Author: Daniel Meyer
Language: German
Subfield: Environmental Engineering
Field: Environmental Science
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W2584615095