Fachliche Grundlagen für den Betrieb von Regenüberlaufbecken · Grundlagen –Prinzip des...

Dr.-Ing. Ulrich Dittmer

Institut für Siedlungswasserbau,

Wassergüte- und Abfallwirtschaft

Universität Stuttgart

Fachliche Grundlagen für den

Betrieb von Regenüberlaufbecken

Inhaltsübersicht

Grundlagen der Entwässerung im MischsystemPrinzip MS – Abflussmengen - Notwendigkeit von RÜB – Funktion, Arten Anordnung -

Betriebszustände

Bauformen und Bauwerkskomponenten von RÜB

Maschinen- und elektrotechnische Ausrüstung

Bedeutung des Drosselabflusses

Entlastungsaktivität

Grundlagen – Prinzip des Mischsystems

Abwasser aus Haushalten,

Gewerben und Industrie

zusammen mit Fremdwasser

und Niederschlagswasser

Sammlung und Ableitung in

einem gemeinsamen Kanal

Bei Regen sehr große

Abflüsse:

→ Können nicht alle in Kläranlage

behandelt werden

→ Bauwerke zur

Zwischenspeicherung notwendig!

Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

Konventionelles System

Grundlagen - modifiziertes Mischsystem

In Neubaugebieten

Gering verschmutztes

Niederschlagswasser wird

versickert oder in Gewässer

eingeleitet

Stärker verschmutztes

Niederschlagswasser wird zur

Kläranlage geleitet

Behandlungsbedarf des

Niederschlagswassers

abhängig von

• Herkunftsfläche

• Belastbarkeit des Gewässers

Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

Modifiziertes System

Grundlagen - Abflusskomponenten

Häusliches Schmutzwasser aus privaten Haushalten, Schulen,

Kleingewerbe

QH

QG

QR

QF

Gewerbliches Schmutzwasser aus Industrie und Gewerbe

Regenwasserbei Regen von befestigten Flächen

abfließendes Wasser

Bildquelle: Dr. Percher AG

QGes Fremdwasser

eindringendes Grundwasser, Bach-/Quell-

wasser und Außengebietszuflüsse

Grundlagen – Abflussmengen: Regenspende

Beispiel: Messstation Schömberg (Baden-Württemberg)

Grundlagen – Abflussmengen: Regenspende

Quelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

Beispiel: Messstation Schömberg (Baden-Württemberg)

Nachfolgende Vergleiche vernachlässigen

Verlust bei Abflussbildung (Regen = Abfluss)

Grundsätzliche Schlussfolgerungen sind davon

unberührt

über Anteil Dauer

über Anteil Volumen

Grundlagen – Abflussmengen: Regenspende

Quelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

Beispiel: Messstation Schömberg (Baden-Württemberg)

Vergleich mit Bemessung der KA (QM):

qR = 0,5 bis 2 l/(s*ha)

20 bis 40 % des Volumens werden ohne

Zwischenspeicherung in der KA mitbehandelt

großer Einfluss von QM Reserven auf der

KA unbedingt ausnutzen

Vollständige Behandlung unwirtschaftlich

qr

Grundlagen – Abflussmengen: Regenspende

Quelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

Beispiel: Messstation Schömberg (Baden-Württemberg)

Vergleich mit Kanalnetzbemessung (Q0):

rD,n = ca. 100 bis 200 l/(s*ha)

Starkregen (n < 1/a) liefern nur geringen Anteil

des gesamten Abflussvolumens (< 1 %)

Grundlagen – Abflussmengen: Regenspende

Quelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

Beispiel: Messstation Schömberg (Baden-Württemberg)

Festlegung von rkrit :

Nicht alle abgeleiteten Abflüsse können

behandelt werden.

Sinnvolle Grenze unter Abwägung von ökol.

und ökon. Belangen.

rkrit

Bei rkrit = 15 l/(s*ha) werden nur

10 bis 20 Vol.-% enlastet.

Verdopplung von rkrit erhöht

behandeltes Vol. nur wenig.

Grundlagen – Notwendigkeit von

Regenüberlaufbecken

Bei Starkregen müssen

Kanäle etwa 100 bis 200l/(s·ha) ableiten können

An Regenüberläufen wird der

Abfluss auf Qkrit reduziert

Kläranlagen können das

3 bis 9fache von QS

zuzüglich QF aufnehmenQS

= 3 bis 9 ∙ +

= ca. 100 bis 200 l/(s·ha)

QF

rbem

rkrit = 15 bis 45 l/(s·ha)

QM

Kläranlagen können damit im Mittel einen Regenabfluss von

etwa 1 bis 2 l/(s·ha) mitbehandeln (qr)

Grundlagen – Notwendigkeit von

Regenüberlaufbecken

QMist sehr viel

größer als

Der Abzuleitende

AbflussQGes

den die Kläranlage

aufnehmen kann

Regenwasserentlastungsanlagen zur Begrenzung des

Abflusses sind nötig!

Abflüsse, die den Bemessungszufluss der Kläranlage (QM)

übersteigen, werden in Regenüberlaufbecken (RÜB)

zwischengespeichert

Nicht immer wird der Abfluss an einem RÜ oberhalb

vorentlastet

Grundlagen – Notwendigkeit von

Regenüberlaufbecken

QMist sehr viel

größer als

Der Abzuleitende

AbflussQGes

den die Kläranlage

aufnehmen kann

Regenwasserentlastungsanlagen zur Begrenzung des

Abflusses sind nötig!

Nach dem Regenereignis wird das gespeicherte Volumen zur

Kläranlage weitergeleitet und dort behandelt

Bei größeren Regenfällen (nicht unbedingt „Starkregen“) laufen

RÜB über. Das ist unvermeidbar.

Überlaufhäufigkeit: 18 bis 36 mal pro Jahr. Nicht verwechseln mit

Überstau bei Überlastung des Kanalnetzes (nSoll < 1 pro Jahr)

Volumen- und Frachtbilanz

Abflussaufteilung

an RÜ und RÜB

Kläranlage

Gewässer

15%

40%

85%

60%

92%

80%

8%

20%

8%

80%

Landesverband Baden-

Württemberg

• ideale Standardnetze:

Anteil CSB-Fracht

ca. 40% bis 60%

• akute Wirkung / kleine

Gewässer

• Relevanter Belastungspfad

• Das Standardnetz ist die

Ausnahme

• Im Einzelfall wissen wir

wenig

Grundlagen - Funktionen

Arten von Regenüberlaufbecken

• Fangbecken

• Durchlaufbecken

Fangbecken bei ausgeprägtem Spülstoß

• bei kleinen Einzugsgebieten bis 20 ha und

• kurzen Fließzeiten bis 15 min

Durchlaufbecken bei gleichmäßiger Verschmutzungskonzentration

• Größere Einzugsgebiete

• Gebiete mit Entlastungsanlagen oberhalb

Grundlagen - Fangbecken

Fangbecken speichern stark verschmutzte Abflussanteile zu

Beginn des Regens (Spülstoß)

Wenn das Becken voll ist, wird über den Beckenüberlauf in das

Gewässer entlastet

Anordnung des Beckenüberlaufs im Zulaufbereich, um

Durchmischung mit stark verschmutztem Inhalt zu vermeiden

Grundlagen – Durchlaufbecken (DB)

Zusätzlich zur Zwischenspeicherung wird in DB der größte Teil des

Entlastungsabflusses durch Absetzen gereinigt.

Durchlaufbecken besitzen einen Klärüberlauf (KÜ) um

vorgereinigtes Mischwasser in das Gewässer abzuleiten

Der Abfluss über den KÜ und damit der Durchfluss durch das DB

werden begrenzt.

→ ausreichenden Aufenthaltszeit für Absetzvorgang

→ Vermeidung der Aufwirbelung abgesetzter Stoffe

Größere Abflüsse werden vor dem Becken über den BÜ entlastet.

Grundlagen - Verbundbecken

Kombination aus Fang- und Durchlaufbecken

Besitzt sowohl einen Fang- also auch einen Klärteil

Zu Beginn eines Regenereignisses wird ankommendes

Mischwasser mit verschmutzten Spülstoß im Fangteil gespeichert

Nach Füllung des Fangteils durchfließt dann ankommendes

weniger verschmutztes Mischwasser den Klärteil und wird

mechanisch gereinigt

Mechanisch vorgereinigtes Wasser wird über den Klärüberlauf ins

Gewässer geleitet

Grundlagen – Anordnung in Haupt- und

Nebenschluss

Im Hauptschluss durchfließt der Trockenwetterabfluss das

Becken

Übersteigt bei Regenwetter der Zufluss zum Becken den

maximalen Drosselabfluss, füllt sich das Becken

Beckenkammer und Kanalnetz füllen und entleeren sich zeitgleich

(hydraulische Kopplung)

Grundlagen - Fangbecken im Hauptschluss

Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

Grundlagen - Durchlaufbecken im Hauptschluss

Bildquelle: DWA, Betrieb

von Regenüberlaufbecken

Grundlagen - Anordnung

Im Nebenschluss wird Trockenwetterabfluss durch ein

Trennbauwerk am Becken vorbeigeführt

Bei einem Regenereignis steigt der Wasserspiegel im

Trennbauwerk Überlauf von Mischwasser in das Becken

Nach Regenende muss zunächst der Wasserspiegel im Kanalnetz

sinken, bevor das Becken entleert wird (hydraulische

Entkoppelung)

RÜB im Nebenschluss werden meist durch Pumpen entleert.

Grundlagen - Fangbecken im Nebenschluss

Bildquelle: DWA,

Betrieb von

Regenüberlaufbecken

Grundlagen - Durchlaufbecken im Nebenschluss

Bildquelle: DWA, Betrieb

von Regenüberlaufbecken

Grundlagen - Betriebszustände

Beispiel: Durchlaufbecken im Hauptschluss

Bei Trockenwetter durchfließt der Trockenwetterabfluss in offener

Rinne das Becken

Weil der Zufluss zum Becken kleiner ist als Drosselabfluss,

QDrkleiner alsQZu

...wird er komplett in Richtung Kläranlage weitergeleitet

Grundlagen - Betriebszustände

Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

Grundlagen - Betriebszustände

Wenn bei Regen der Zufluss zum Becken den Drosselabfluss

übersteigt,

QDrgrößer alsQZu

...kommt es zu Rückstau vor Drosselorgan

→ Das Becken beginnt sich zu füllen

Grundlagen - Betriebszustände

Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

Grundlagen - Betriebszustände

Wenn der Zufluss zum Becken längere Zeit den Drosselabfluss

überschreitet,

QDrgrößer alsQZu

... erreicht irgendwann der Wasserstand im Becken die Höhe des

Klärüberlaufs

→ Der Klärüberlauf springt an

→ Über den KÜ wird Mischwasser entlastet, das durch Absetzen der

Feststoffe teilweise gereinigt ist.

→ Damit das Absetzen funktioniert, wird der Abfluss über den KÜ

begrenzt (hier durch einen Schlitz)

Grundlagen - Betriebszustände

Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

Grundlagen - Betriebszustände

Wenn das DB voll ist und der Zufluss den kritischen

Mischwasserabfluss (Qkrit) überschreitet,

QKritgrößer alsQZu

... steigt der Wasserstand im Becken auf die Höhe des

Beckenüberlaufs BÜ)

→ BÜ springt an

→ völlig unbehandeltes Mischwasser wird entlastet

Dieser Zustand ist sehr selten!

Grundlagen - Betriebszustände

Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

Grundlagen - Betriebszustände

Sobald der Zufluss den Drosselabfluss wieder unterschreitet,

QDrkleiner alsQZu

... entleert sich das Becken selbstständig

Grundlagen - Betriebszustände

Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

Grundlagen - Betriebszustände

Die abgesetzten Stoffe müssen nach dem Regen zur Kläranlage

weitertransportiert werden

Dazu werden sie

entweder am Ende der Entleerung durch Strömungserzeuger

aufgewirbelt

oder nach der Entleerung durch Schwallspüleinrichtungen

ausgespült ( siehe Beispiel)

Betriebszustände - Spülung

Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

Betriebszustände - Spülung

Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

zur Gliederung

Betriebszustände - Durchlaufbecken im NS

Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

Betriebszustände - Durchlaufbecken im NS

Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

Betriebszustände - Durchlaufbecken im NS

Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

Betriebszustände - Durchlaufbecken im NS

Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

Betriebszustände - Fangbecken im HS

Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

Betriebszustände - Fangbecken im HS

Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

Betriebszustände - Fangbecken im HS

Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

Betriebszustände - Fangbecken im HS

Bildquelle: DWA, Betrieb von Regenüberlaufbecken

Betriebszustände - Fangbecken im NS

Bildquelle: DWA,

Betrieb von

Regenüberlaufbecken

Betriebszustände - Fangbecken im NS

Bildquelle: DWA,

Betrieb von

Regenüberlaufbecken

Betriebszustände - Fangbecken im NS

Bildquelle: DWA,

Betrieb von

Regenüberlaufbecken

Betriebszustände - Fangbecken im NS

Bildquelle: DWA,

Betrieb von

Regenüberlaufbecken

Betriebszustände - Fangbecken im NS

Bildquelle: DWA,

Betrieb von

Regenüberlaufbecken

zur Gliederung

Maschinen- und elektrotechnische Ausrüstung

Maschinentechnik

• Drosselorgane

• Reinigungseinrichtungen

Elektrotechnik

• Messeinrichtungen

• Fernüberwachung und Fernwirktechnik

Maschinen- und elektrotechnische Ausrüstung -

Drosselorgane

Drosselorgan

• Zur Begrenzung des an die Kläranlage weitergeleiteten Abflusses

• Abfluss sollte möglichst konstant gehalten werden

• Wichtigste maschinentechnische Einrichtung des RÜB

Bildquelle: bgu- Umweltschutzanlagen GmbH

Maschinen- und elektrotechnische Ausrüstung -

Drosselorgane

Unterscheidungsmerkmale von Drosselorganen

Passive Drosseln (Rohrdrosseln und feste Schieber) können den Abflussquerschnitt nicht verändern

• Ablauf wächst mit Quadratwurzel des Wasserstandes (Torricelli)

• Kein Einsatz von Rohrdrosseln an RÜB

• Feste Schieber ungeeignet zur Drosselung (Verlegungsgefahr)

Aktive Drosseln können den Abflussquerschnitt verändern

→ Steilere Abflusskurven und konstanterer Durchfluss erreichbar

Maschinen- und elektrotechnische Ausrüstung -

Drosselorgane

Unterscheidungsmerkmale von Drosselorganen

Steuerung Veränderungen des Wasserstandes vor Drosseleinlauf wird entgegengewirkt

(hydraulisch oder hydraulisch-mechanisch)

• Kernproblem Steuerung: unbekannter Durchfluss

→ Verlegungen können nicht erkannt werden, Drossel reagiert u.U.

falsch

Regelung Bestimmung des aktuellen Durchflusses

• Regelung kann Verlegung des Abflussquerschnittes aufgrund verändertem

Durchfluss erkennen

Maschinen- und elektrotechnische Ausrüstung -

Drosselorgane

Unterscheidungsmerkmale von Drosselorganen

Mit oder ohne Fremdenergie

• Ohne Fremdenergie wird Energie für Steuer- und Regelvorgänge dem

Abwasserstrom entnommen

Auswahl Drosselorgan abhängig von

• Verstellbarkeit des Abflusses

• Steilheit der Abflusskurve (Konstanz des Drosselabflusses)

• „„gleichzeitiger Durchflussmessung

Bildquelle: DWA A166

Bedeutung des Drosselabflusses

QDr

Drosselabfluss:Wassermenge, die an einer Regenwasserentlastungsanlage

in Richtung der Kläranlage weitergeleitet wird

Abflüsse größer als QDr werden entlastet oder gespeichert

Bedeutung des Drosselabflusses

QDr

Wird bei der Planung abhängig vom

Bemessungszufluss der Kläranlage (QM) festgelegt

Die Drosselabflüsse aller RÜB in einem Gebiet sind

auf QM und untereinander abgestimmt

Der Drosselabfluss hat großen Einfluss auf die

Gewässerbelastung

Darf nicht ohne Genehmigung der

Aufsichtsbehörde verändert werden!

Muss regelmäßig auf Genauigkeit überprüft

werden

EZG 2

EZG 3

Kläranlage

RÜB 1

RÜB 3

EZG 1

FlussRÜB 2

Idealisiertes Beispiel:

• homogenes Gebiet

• ideal bemessene RÜB (VS und qr einheitlich)

61

Kriterien und Maßstäbe für das Verhalten

Systembezogene Betrachtung

EZG 2

EZG 3

RÜB 2

Kläranlage

RÜB 1

RÜB 3

Fluss

EZG 1

62

• einheitliches Einstau- und Entlastungsverhalten

• Optimale Speicherauslastung

• Minimale Emissionen bei gegebenem Speichervolumen

EZG 2

EZG 3

Kläranlage

RÜB 1

RÜB 3

EZG 1

FlussRÜB 2

63

Gewollte Abweichungen von der Gleichmäßigkeit:

• Besonders schutzbedürftige Gewässerabschnitte

• Ungleichmäßiges Gefälle ( Kanalablagerungen)

• Starkverschmutzer in einem Gebiet

Kriterien und Maßstäbe für das Verhalten

Systembezogene Betrachtung

EZG 2

EZG 3

RÜB 2

Kläranlage

RÜB 1

RÜB 3

Fluss

EZG 1

64

Ungewollte Abweichungen von der Gleichmäßigkeit:

• zu hohe Drosselabflüsse an RÜB 2 und 3

• ineffektive Speicherausnutzung

• unnötig hohe EmissionenDrosselprüfung !!!

EZG 3

RÜB 2

Kläranlage

RÜB 1

RÜB 3

Fluss

EZG 1

EZG 2

65

Ungewollte Abweichungen von der Gleichmäßigkeit:

• zu hohe Drosselabflüsse + unvollständige Entwicklung

EZG 3

RÜB 2

Kläranlage

RÜB 1

RÜB 3

Fluss

EZG 1

EZG 2

66

Ungewollte Abweichungen von der Gleichmäßigkeit:

• zu hohe Drosselabflüsse + unvollständige Entwicklung

• ineffektive Speicherausnutzung

• unnötig hohe EmissionenOptimierungspotenzial !!!

Inhaltsübersicht

Grundlagen

• Mischsystem, Abflussmengen, Verschmutzung, Kritischer

Mischwasserabfluss, Notwendigkeit und Funktion von

Regenwasserentlastungsanlagen

Bauformen und Bauwerkskomponenten

Maschinen- und elektrotechnische Ausrüstung

Bedeutung des Drosselabflusses

Entlastungsaktivität

Entlastungsaktivität

Charakterisierung der Entlastungsaktivität durch

Entlastungshäufigkeit und -dauer

Zur Erkennung einer Entlastung Wasserstandsmessung im Becken

Wenn Wasserstand Überfallhöhe überschreitet, wird Zeit

gemessen

Bei selbstregulierenden Wehren ist Zeitdauer entscheidend, in der

das Wehr sich außerhalb der Ruhestellung befindet

Entlastungsaktivität

Aussagekräftige Informationen nur mit Messdaten von 3 bis 5

Jahren gewinnbar. Für Planungsaufgaben noch länger

Vergleiche mehrerer RÜB in einem EZG auch schon nach

kürzeren Zeiten..

Grundsätzlich Archivierung der Daten als Rohdaten

→ Verdichtung führt zu Informationsverlust

Typische Entlastungsaktivitäten mit Ranking-Kurven und Rating-

Tabellen

Entlastungshäufigkeit: Tage mit Entlastung (d.h. ein Überlaufen

von 23:55 Uhr bis 00:10 Uhr zählt als zwei Ereignisse)

Bildquelle: H.Brombach

Bewertung nach Brombach & Wöhrle (1997)

Kriterien und Maßstäbe für das Verhalten

Problem:

• Die Masse muss nicht

immer Recht haben

• Referenzdatensatz

enthält zahlreiche

„pervertierte Vorklär-

becken“

systematischer Fehler

• Kein gesicherter

Maßstab für „normales

Verhalten“

• seit 2017 neue Kurven

DB

FB

durchschnittlich in

geprüften Daten

Vergleich der Ranking-Daten mit geprüften Messdaten

durch-

schnittlich

nach

BROMBACH

Entlastungsaktivität

Mit Hilfe der Messdaten ist Einordnung eines RÜB möglich

Vergleich mit der Gesamtheit aller RÜB. Keine Aussage zur Korrektheit von

Bemessung und Betrieb

Einfaches Prüfkriterium für Durchlaufbecken:

Entlastungaktivität Klärüberlauf soll größer sein als die des Beckenüberlaufs

Ungleichmäßige Verteilung der Entlastungsaktivitäten deutet auf

nicht bestimmungsgemäß funktionierendes Abwassersystem hin

→ Das insgesamt zur Verfügung stehende Speichervolumen wird nicht optimal

genutzt

→ Ein RÜB entlastet bereits, während in anderem noch nutzbares

Speichervolumen zur Verfügung steht

→ Kann nur von zentraler Erfassung und Auswertung erkannt werden

RÜB 33

RÜB 60

RÜB 601

RÜB 106

PW

RÜB 104RÜB 102

Klär-

anlage

Praxisbeispiel

Kriterien und Maßstäbe für das Verhalten

eingemeindeter Ortsteil

junges Gewerbegebiet

Praxisbeispiel

RÜB 33

RÜB 60

RÜB 601

RÜB 106

PW

RÜB 104RÜB 102

Klär-

anlage

81 88

35

01715

Hohe Entlastungsaktivität an

kontrollierten Drosselorganen

(„Schlüsselbecken“)

Praxisbeispiel

RÜB 33

RÜB 60

RÜB 601

RÜB 106

PW

RÜB 104RÜB 102

Klär-

anlage

Gebiete nicht voll

(im MS) erschlossen

Optimierungspotenzial

81 88

35

01715

Geringe Aktivität

an RÜB oberhalb(wasserwirtschaftlich

nicht bedeutsam?)

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Entlastungsaktivität

Vergleich mit Simulation

Schmutzfrachtmodelle werden in der Regel nicht kalibriert

Absolutwerte sind nicht aussagekräftig

• Gilt für alle Größen, v.a. für Konz. und Frachten

• In der Planung nur Variantenvergleich

Wesentliche Ursachen für Abweichungen:

• Unterschiedliche Regenbelastung

• Überschätzung der Flächen und ihrer Abflusswirksamkeit

• Unterschätzung des Retentionsvolumens im Kanal

• Unterschätzung des Fremdwasseranfalls (oder der Charakteristik)