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![Fig. 1 Schema Sand- und Fettfang mit Bemessungswerten nach ATV [4].](/media/1865909/mendler_fig01_neu.jpg?width=760&height=440&bgcolor=e8e8e8 "Fig. 1 Schema Sand- und Fettfang mit Bemessungswerten nach ATV [4].")
In Abwasserreinigungsanlagen (ARA) ist der Sandfang Teil der mechanischen Reinigung und essenziell, um die nachfolgenden Anlageteile vor Verstopfung, Ablagerungen und Abrasion zu schützen. Bestehende Sandfänge und kombinierte Sand- und Fettfänge entsprechen meist nicht allen Bemessungskennwerten des DWA-Arbeitsberichts von 2008 [1]. Bei Ersatz, Ausbau oder Optimierung einer bestehenden ARA sind in der Schweiz die Platzverhältnisse häufig begrenzt. Der Bedarf, bestehende Sandfänge mit einer gegebenen Geometrie zu optimieren oder neue Sandfänge unter eingeschränkten Platzverhältnissen zu erstellen, ist daher gross.
Hirschbeck [2] hat Modellversuche zur Optimierung der Sandabscheidung über die Belüftungssteuerung und die Zulaufplatzierung durchgeführt. Botsch [3] hat numerische Strömungssimulationen als Hilfsmittel zur Bemessung von Sandfängen verwendet. Die numerische Strömungssimulation (auch CFD: Computational Fluid Dynamics) erlaubt es, unübliche Geometrien von Sandfängen oder Optimierungen (wie z. B. eine gestufte Belüftung) am Modell zu überprüfen und den Abscheidegrad des Sandes rechnerisch abzuschätzen.
In diesem Artikel werden Bemessungsansätze mit bestehenden Anlagenkennwerten verglichen und Möglichkeiten für bauliche und betriebliche Optimierungen vorgestellt. Anhand von vier Praxisbeispielen aus der Schweiz, bei denen eine numerische Strömungssimulation zur Optimierung eingesetzt wurde, werden verschiedene Erkenntnisse erläutert und Empfehlungen formuliert.
In Figur 1 ist der schematische Querschnitt eines kombinierten Sand- und Fettfangs mit den gebräuchlichen Bezeichnungen für die verschiedenen Bauwerksdimensionen dargestellt. Traditionell befindet sich der Einlauf des Sandfangs zentral auf der gleichen Seite wie die Belüftung. Durch die Belüftung wird eine Walzenströmung (Rotationsströmung) erzeugt, wodurch die im Abwasser enthaltenen Partikel auf einer Kreisbahn um die Längsachse bewegt werden. Dies führt dazu, dass organische Abwasserinhaltsstoffe in Schwebe gehalten und bis zum Auslauf transportiert werden, während Sandpartikel mit grösserer Dichte absinken können. Dafür wird eine möglichst homogene, störungsfreie Walzenströmung angestrebt, so dass Kurzschlussströmungen (Fliesswege, die den Auslauf erreichen, ohne der Walzenströmung zu folgen) und Totwasserzonen (nicht durchströmte Bereiche) verhindert werden.
Für bestehende, häufig vorkommende «Längs-Sand-Fettfänge» kommen folgende Optimierungsmöglichkeiten in Frage:
Numerische Strömungssimulationen (CFD) sind mittlerweile auch in der Abwassertechnik ein wertvolles Hilfsmittel für die hydraulische Beurteilung von durchströmten Bauwerken. Dabei werden die massgeblichen Strömungsgleichungen (Massen- und Impulserhaltung) auf einem aus der 3D-Geometrie erstellten Volumengitter numerisch gelöst (Fig. 2).
Mit CFD lassen sich Optimierungsvorschläge für Sandfänge strömungstechnisch überprüfen und vergleichen. Die Gestaltung des Abwasserzulaufs und -ablaufs, das Optimieren der Walzenströmung durch das Einblasen von Luft oder mit Hilfe von Rührwerken und das Absetzen von mineralischen und organischen Partikeln mit unterschiedlicher Dichte und Grösse können numerisch simuliert und die Absetzung von Partikel rechnerisch abgeschätzt werden. Allerdings sind auch die besten Simulationen nach wie vor Modelle, die auf Vereinfachungen beruhen und damit – zusätzlich zu numerischen Unschärfen – Unsicherheiten aufweisen: Die Abwasserzusammensetzung weist in der Realität stets eine gewisse Streuung auf, Durchflüsse können unregelmässig auftreten und gewisse Effekte wie Kohäsion und das Aufbrechen von Partikeln können nicht mit verhältnismässigem Aufwand abgebildet werden.
Auf der ARA Region Murg wurden, um den Abscheidegrad zu steigern sowie den Energieverbrauch der bestehenden Sandfänge zu senken, folgende Massnahmen umgesetzt:
Das Resultat der CFD-Simulation zeigt im ersten Teil des Sandfangs, aufgrund der Umlenkung des Zulaufs, eine deutliche verbesserte Walzenströmung. Insgesamt werden mit der Anpassung homogenere, geringere Fliessgeschwindigkeiten erreicht (Fig. 3). Erst durch die Optimierung wird die gesamte Länge des Sandfangs für die Sandabscheidung wirksam.
Auch auf der ARA Oberengadin wurde der Zulauf so gestaltet, dass das Abwasser in Richtung Walzenströmung eintritt. In der numerischen Simulation zeigte sich, dass die Zuflussmenge einen massgeblichen Einfluss auf die Entstehung dieser Walzenströmung hat. Liegt der mittlere Abfluss pro Sandfang bei weniger als 125 l/s, ergibt sich in der Mitte der Walze eine Kurzschlussströmung (Fig. 4). Um dies zu verhindern, wird die Ausbildung der Walzenströmung durch das Einblasen von Luft unterstützt (Fig. 5).
Heute werden immer beide Sandfänge mit Belüftung betrieben. In Zukunft soll bei Trockenwetter nur ein Sandfang betrieben werden. Beträgt der Zufluss weniger als 125 l/s, wird die Belüftung eingeschaltet. Ab einer mittleren Abwassermenge von 250 l/s wird der zweite Sandfang in Betrieb genommen.
Auf der ARA Sarneraatal wird bei grösseren Regenereignissen oft viel Sand und Kies zur ARA transportiert. Beim Umbau wurden daher wellenlose Bodenschnecken an Stelle von Schildräumern gewählt – diese haben sich bewährt, um grosse Sandmengen zuverlässig in den Sandfangtrichter zu fördern (Fig. 6). Durch das gebogene Zuflussrohr wird die Walzenströmung unterstützt und dadurch die benötigte Luftmenge reduziert.
Die Sandfänge der ARA Thunersee wurden ursprünglich als kombinierte Sand- und Fettfänge gebaut, die Trennwand wurde jedoch in den 1990er-Jahren entfernt. Um in der bestehenden, verwinkelten Geometrie (vgl. Fig. 7, oben) eine Walzenströmung aufrecht zu erhalten, muss viel Luft eingeblasen werden. Verschiedene Geometrievarianten und Luftmengen wurden daher rechnerisch geprüft, um die Sandabscheidung verbessern und die optimale Luftmenge bestimmen zu können (vgl. Fig. 7, unten). Durch die Reduktion der Beckenbreite und der Ergänzung einer Prallwand im Zulaufbereich konnte die Abscheideleistung bei reduzierter Belüftungsmenge im Modell deutlich gesteigert werden (Fig. 8 und 9). Diese Optimierungen, die im Rahmen des Vorprojekts erarbeitet wurden, dienen als Grundlage für die Sanierung der mechanischen Reinigungsstufe, die in den Jahren 2026-2028 umgesetzt werden soll.
Die bisherigen Betriebserfahrungen auf den ARA Murg, Oberengadin und Sarneraatal werden vom Betriebspersonal als gut beurteilt. Es kam auf keiner Anlage zu Betriebsproblemen aufgrund von Fett- oder Sandablagerung in den Anlagenteilen nach dem Sandfang, resp. nach der Vorklärung.
Wie bei den diskutierten Beispielen, sind häufig nur qualitative Aussagen zur Funktionstüchtigkeit der Sandfänge möglich, da Daten für eine quantitative Aussage fehlen. Die messtechnische Bestimmung des Abscheidegrads von Sandpartikeln unterschiedlicher Grösse an einem bestehenden Sandfang ist sehr aufwändig und wird daher in der Praxis üblicherweise nicht durchgeführt.
Ein Verzicht auf einen Fettfangteil und die entsprechende Fettabscheidung in der Vorklärung ist jeweils zu prüfen.
Die Umlenkung des Sandfangzulaufs in Walzenrichtung ist sehr vorteilhaft. Das Längen zu Breitenverhältnis kann dann fallweise auch << 10:1 liegen, währenddem der geforderte Abscheidegrad von > 95% der Sandfraktion von 0,2 mm trotzdem erreicht wird.
Bei Trockenwetter reicht die Strömungsenergie des Zulaufs nicht immer aus, um eine stabile Walzenströmung auszubilden. Es ergeben sich für diesen Fall die folgenden Möglichkeiten:
Mit einer wellenlosen Sandförderschnecke in der Sandsammelrinne kann auch bei hohem Sandanfall der Sand zuverlässig zum Trichter gefördert werden.
Der im Sandfang abgeschiedene Sand sollte in einem Sandwäscher gereinigt werden. Falls bei gewissen Betriebszuständen mit dem Sand zu viele organische Partikel abgeschieden werden, können diese im Sandwäscher entfernt und in den Abwasserstrom zurückgeführt werden.
Mit den entsprechenden Optimierungen sind Sandfang-Geometrien möglich, die funktionieren, obwohl von den gemäss DWA geforderten Kennwerten abgewichen wird. Die Anlage ist entsprechend den Platzverhältnissen und der Spannweite zwischen minimalem und maximalem Durchfluss individuell zu dimensionieren.
[1] DWA (2008): Arbeitsbericht des DWA-Fachausschusses KA-5 «Absetzverfahren», Sandfänge – Anforderungen, Systeme und Bemessung, Korrespondenz Abwasser, Abfall 55 – Nr.5, S. 508
[2] Hirschbeck, C. (2009): Untersuchungen zur Leistungsfähigkeit von belüfteten Sandfängen auf Kläranlagen, Dissertation an der Universität der Bundeswehr München, Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen
[3] Botsch, B. (2011): Versuch einer Sandfangbemessung auf der Grundlage einer Typisierung unter Verwendung der numerischen Strömungssimulation, Dissertation an der Bauhaus-Universität Weimar
[4] ATV (1998): Arbeitsbericht der ATV-Arbeitsgruppe 2.5.1 «Sandfänge», Sandabscheideanlagen, Korrespondenz Abwasser 45, Nr.3, S. 535–549
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Optimierung Sandfang