Die Abwasserreinigung besteht aus mehreren Verfahrensstufen, die zusammenwirkend sicherstellen müssen, dass die Anforderungen erfüllt werden und die Gewässer vor nachteiligen Auswirkungen aus Abwassereinleitungen geschützt werden. Der Sandfang, als erste Behandlungsstufe nach dem Rechen und vor der mechanischen und biologischen Abwasserreinigung, hat dabei die Aufgabe, die nachfolgenden Reinigungsstufen, sowie die Pumpen und Leitungen vor Schäden durch Abrasion, Verstopfungen und Ablagerungen zu schützen. Damit hat die Leistung des Sandfangs entscheidende Auswirkungen auf die Funktionsfähigkeit und Betriebssicherheit der gesamten Kläranlage. Eine hohe Abscheideleistung von Sand und anderen mineralischen Stoffen kann durch lange Durchflusszeiten erreicht werden. Diese Durchflusszeiten haben allerdings zum Nachteil, dass auch organische Stoffe mit abgeschieden werden. Dieser Effekt, der sich einerseits auf die Qualität des Sandfanggutes im Hinblick auf dessen Verwertung negativ auswirkt und andererseits organische Stoffe entfernt, die in den nachfolgenden Stufen zur Denitrifikation oder zur Biogaserzeugung erwünscht sind, sollte vermieden werden. Um dies zu reduzieren, werden Sandfänge mit Belüftung gebaut und betrieben.
Durch den Lufteintrag werden die Durchflussschwankungen im Tages- und Wochengang durch eine Sekundärströmung ausgeglichen, so dass eine gute Abscheideleistung des Sandes bei gleichzeitigem in Schwebe Halten der organischen Abwasserinhaltsstoffe erreicht werden kann. Obwohl es inzwischen eine Vielzahl an Bemessungsempfehlungen für belüftete Sandfänge gibt, unterliegen die empfohlenen Werte für den Lufteintrag erheblichen Schwankungen. Für die Durchflusszeiten sind in den letzten Jahren auch Empfehlungen von bisher 20 Minuten bis zu 5 Minuten zu finden. Dies ist gekoppelt mit nicht standardisierten Verfahren für die Abscheideleistung, so dass bei Anlagenbauern, Planern und Betreibern Diskussionen und Unsicherheiten über die richtige Auslegung von Sandfängen bestehen. Frau Christina Hirschbeck (geb. Schwarz) hat sich daher für ihre Promotion die Aufgabe gestellt, an Hand grundlegender Untersuchungen hierfür Lösungsvorschläge zu erarbeiten.
Zielsetzung der Dissertation war die Untersuchung der Einflussfaktoren auf die Leistungsfähigkeit von belüfteten Sandfängen und deren Abscheidegrad. Aus diesen Ergebnissen sollten Vorschläge für das Prüfverfahren und die dazu gehörigen Prüfsande, sowie konstruktive und betriebliche Empfehlungen abgeleitet werden. Als Vorgehensweise wurden zunächst großtechnische Untersuchungen an bestehenden Sandfängen mit Massenbilanzen durchgeführt. Um die einzelnen Einflussfaktoren detailliert erfassen zu können, wurde ein physikalisches Modell im Maßstab 1:4 entwickelt und aufgebaut. Daran konnte der Einfluss der Sandkonzentration, Korngrößenverteilung, Lufteintrag, Einblastiefe, Anordnung der Belüfter, Durchfluss und Querschnittsgestaltung auf die Geschwindigkeitsverteilung, die turbulente kinetische Energie und den Abscheidegrad systematisch untersucht werden.
Zunächst wurden 55 Anlagen bezüglich der Bauformen ausgewertet, wobei 80 % der Sandfänge einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Die Beckenlänge mit im Mittel 10,7 · bSF entspricht den DWA-Bemessungsvorschlägen. Dabei fällt auf, dass bei 78 % der Anlagen der Zulaufstrom oben in den Sandfang eingeleitet wird und bei den restlichen mittig. Umfangreiche Messungen an den Sandfängen der Kläranlage München I und der Kläranlage Karlsfeld ergaben einen ersten Einblick in die Geschwindigkeitsverteilungen bei verschiedenen Durchflussgeschwindigkeiten und Lufteinträgen. Untersuchungen zum Abscheidegrad an 6 Kläranlagen anhand von Sieblinien im Zu- und Ablauf des Sandfangs, der Korngrößenverteilung und der Sandkonzentration im Zulauf ergaben als wesentliches Ergebnis, dass die Sandkonzentration der Korngrößen = 0,2 mm im Zulauf des Sandfangs den Abscheidegrad maßgeblich beeinflusst. Bei Konzentrationen unter 50 mg/l nimmt der Abscheidegrad erheblich ab.
Die Versuchsergebnisse des Sandfangmodells sind nach Fließgeschwindigkeit und turbulenter kinetischer Energie unter den Einflüssen des Luftvolumenstromes, der Einblastiefe, des Durchflusses und der Querschnittgestaltung gegliedert. Mit zunehmender Einblastiefe und Durchfluss steigen die Wasserströmung und die turbulente kinetische Energie. Die Querschnittsform hat insbesondere im Sohlbereich Einfluss auf die Walzengeschwindigkeit. Der Abscheidegrad wurde wie die Geschwindigkeitsverteilung nach den oben genannten Einflussfaktoren untersucht. Der Abscheidegrad nimmt dabei insbesondere mit zunehmender Sandfanglänge, abnehmendem Lufteintrag, Einblastiefe und Durchfluss zu. Bei feinerem Sand und geringerer Sandkonzentration nimmt der Abscheidegrad ab.
Zusätzlich sind in der Arbeit Vorschläge zum Prüfverfahren von Sandfängen und zu betrieblichen und konstruktiven Aspekten enthalten. Daraus werden Schlussfolgerungen und Bemessungshinweise abgeleitet, u. a. dass zwei Lastfälle, Trockenwetter mit Sandkonzentrationen von 200 mg/l und Regenwetter mit Sandkonzentrationen von 500 mg/l, untersucht werden sollten. Aus energetischer Sicht wird ein möglichst niedriger Lufteintrag von unter 0,5 Nm³/(m³·h) empfohlen, sowie eine möglichst große Einblastiefe.
Diese grundlegenden, umfangreichen Untersuchungsergebnisse sind eine wertvolle Hilfe für künftige Auslegungen von belüfteten Sandfängen.

Schlagwörter: belüfteter Sandfang; Sand; Abwasser; Abscheidegrad; Leistungsfähigkeit; physikalisches Modell; großtechnische Messungen

Mitteilungen / Institut für Wasserwesen