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Forschungsstelle
BAFU
Projektnummer
UTF 567.25.17
Projekttitel
PK-Wehr auf ARA (Anwendung eines PK-Wehres auf einer ARA)

Texte zu diesem Projekt

 DeutschFranzösischItalienischEnglisch
Schlüsselwörter
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Kurzbeschreibung
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Ergebnisse gemäss Vertrag
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Projektziele
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Beschreibung der Resultate
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Umsetzung und Anwendungen
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Weiteres Vorgehen
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Erfasste Texte


KategorieText
Schlüsselwörter
(Deutsch)
ARA, Klaviertastenwehre, PK-Wehr, PK-Weir, Kläranlage, Absetzbecken, Überfallkurve
Kurzbeschreibung
(Deutsch)

Um bei Hochwassersituationen die Abflüsse bei Talsperren zu garantieren werden vermehrt Klaviertastenwehre (PK-Wehre) an Hochwasserentlastungsanlagen fest installiert. PK-Wehre weisen gegenüber scharfkantigen Wehren eine verbesserte Abflusskurve auf. Diese Erkenntnis lässt sich auf Kläranlagen übertragen: Die primären Absetzbecken auf Kläranlagen dienen der mechanischen Reinigung von Abwässern und eine langsame und turbulenzarme Strömung hat dort einen positiven Einfluss auf die Sedimentation von Feststoffen. Die Wirksamkeit von Absetzbecken hängt also direkt mit der Gestaltung des Auslaufs zusammen.

Durch den Einsatz eines PK-Wehrs anstelle des scharfkantigen Überfalls beim Auslauf kann die Effizienz der mechanischen Reinigung von Kläranlagen gesteigert werden. Die Abflusskapazität von bestehenden primären Absetzbecken wird erhöht, unter Beibehaltung der Dimensionen. Neue Absetzbecken können kleiner dimensioniert werden, wodurch die Baukosten reduziert werden können. Ein weiterer Effekt ist, dass aufgrund des effizienteren Abflusses eines PK-Wehres die Förderhöhe der Pumpen reduziert werden kann. Im Umkehrschluss bedeutet das eine Einsparung des Pumpenergiebedarfs.

Beim Umbau der STEP Vétroz wurden bereits 2 parallele gleichgrosse Sedimentationsbecken gebaut: Eines mit einem klassischen Wehr und eines mit einem PK-Wehr. Mit dem vorliegenden Projekt sollen nun experimentelle Vergleiche durchgeführt werden und die Simulationen der Modelle validiert werden.

Von den Ergebnissen aus diesem Projekt würden sämtliche Kläranlagen profitieren, bei denen ein Umbau ansteht. Die Ergebnisse sollen in einer Anleitung öffentlich publiziert werden und so als Bemessungsgrundlage für Planer und Betreiber zur Verfügung gestellt werden.

Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 07.11.2017 an der Sitzung der Koko UT vom 14.11.2017 genehmigt.

Ergebnisse gemäss Vertrag
(Deutsch)
1  Die Kalibration der Messsonden ist durchgeführt und die Messsonden sind einsatzbereit.

2  Die Feststoffbilanz eines PK-Wehr und eines scharfkantiges Referenz-Wehrs sind mittels in-situ Abfluss- und Trübungsmessung (4 einwöchige Messepisoden) erstellt.

3  Die Überfallkurve des PK-Wehres ist durch Daten aus der Messung (4 einwöchige Messepisoden) des Abflusses und Wasserspiegels bestimmt und validiert. Meilenstein 1.

4  Die Leistungssteigerung hinsichtlich der Reduktion des Energiebedarfs für die Pumpleistung und der Erhöhung des Durchflusses ist dokumentiert.

5  Ein Vergleich der abgesetzten Fracht in Funktion des Überfalltyps, des Abflusses und der eingeleiteten Fracht ist erstellt.

6  Eine kostenlose Schritt-für-Schritt Anleitung zur Planung, Umsetzung und Inbetriebnahme inklusive einer Kostenberechnung ist der Öffentlichkeit frei zugänglich.
    
7  Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 6 und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben.

8  Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien (genauere Angaben s. Beilage 3) für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.

9  Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung ist dem BAFU abgegeben und kann auf Nachfrage beim BAFU vorgetragen werden.
Projektziele
(Deutsch)

Mittels 4 einwöchigen Messepisoden soll ein PK-Wehr für Absetzbecken auf der STEP Vétroz in der Praxis validiert werden.

Durch die Bestimmung der Überfallkurve des PK-Wehres soll zudem die Leistungsfähigkeit gegenüber eines scharfkantigen Referenz-Wehrs hinsichtlich des Feststofftransportes und die Pumpenleistung im Absetzbecken verglichen werden.

Eine kostenlose und freizugängliche Schritt-für-Schritt Anleitung zur Planung und Umsetzung eines PK-Wehres für Absetzbecken auf Kläranlagen soll erstellt werden.

Beschreibung der Resultate
(Deutsch)

Klaviertasten-Wehre (PKW) verfügen über hydraulische Eigenschaften, die auch auf primären Absetzbecken von Kläranlagen (ARA) genutzt werden können. Es stehen dabei ihre effiziente Pegel-Abfluss-Beziehung und ihr Einfluss auf die unerwünschte Suspension von Partikeln beim Beckenende im Fokus. Da beide Eigenschaften kaum mittels numerischer Simulationen oder massstäblicher Modelle erfassbar sind, wurden in situ Versuche auf der ARA von Vétroz-Conthey (VS) durchgeführt. Diese verfügt über zwei identische primäre Absetzbecken, die im Rahmen dieser Studie je mit einem traditionellen scharfkantigen Überfall bzw. einem PKW ausgerüstet wurden. Vier jeweils ungefähr 14-tägige Messkampagnen wurden durchgeführt. Die Abflüsse sowie die gesamten ungelösten Stoffe (GUS) wurden pro Becken jeweils am Ein- und Auslauf via Pegel- bzw. Trübungsmessungen (mit Kalibration) kontinuierlich (alle 15 Sekunden) gemessen. Die Pegel-Abfluss-Bezeigungen für den scharfkantigen Überfall stimmte mit den bekannten Ansätzen überein, was die Aussagekraft des Messkonzepts unterstreicht. Beim PKW und einem geringen Pegel (wenige Millimeter) traversiert ungefähr 5.5-mal der Abfluss eines scharfkantigen Überfalls, und ungefähr 2.4-mal bei einem Pegel von einem Dezimeter. Bezüglich der Absetzleistung von Schwebstoffen wurde festgestellt, dass im Becken des PKW tendenziell eine minimal bessere mittlere Leistung stattfindet, als im Becken des scharfkantigen Überfalls. Der Unterschied ist allerdings statistisch nicht signifikant. Es ist anzumerken, dass die Absetzleistung kaum für den Bemessungsabfluss gilt, da dieser nie ausreichend lang auftrat.

Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)

Die Messungen auf zwei identischen primären Absetzbecken mit sehr ähnlichem Zufluss zeigen den Vorteil eines PKW als Endüberfall, gegenüber dem klassischen scharfkantigen Überfall. Die Pegel-Abfluss-Beziehung ist signifikant effizienter, und die Absetzleistung ist wohl nicht reduziert. Diese Erkenntnis ist vor allem bei der Rehabilitation von bestehenden Absetzbecken interessant. Diese dissipieren bei einem gegebenen Abfluss weniger Energie (die Wasserspiegel sind meist durch die Förderschnecken und den Zulauf zur biologischen Stufe fixiert) beziehungsweise lassen mehr Wasser passieren für eine gegebene Bauhöhe, was einen zentralen Aspekt auf vielen Kläranlagen darstellt. Gleichzeitig erweisen sich die GUS am Ende des Beckens kaum beeinflusst, da Absetzbecken mit einem PKW als Endüberfall ungefähr gleiche Absetzleistungen aufweisen. Die PKW sind bezüglich ihrer Herstellung aufgrund der gefalteten Struktur etwas aufwändiger, lassen sich jedoch einfach auf die Betonumrandung der Absetzbecken montieren.

Weiteres Vorgehen
(Deutsch)

Erstens planen wir die Kommunikation der Erkenntnisse im Rahmen von Veranstaltungen des VSA, konkret: (1) Eine Besichtigung im Jahr 2021 (sofern die Pandemie dies zulässt) der ARA von Vétroz-Conthey mit einem fachlichen Exkurs (organsiert durch die section VSA suisse romande), und (2) ein Fachaufsatz mit Referat anlässlich des cinquième séminaire VSA hydraulique des canalisations (voraussichtlich im Jahr 2022).

Zweitens stellen wir uns die Frage, inwieweit die Absetzleistung durch numerische Simulationen abgeschätzt werden kann. Gelingt dies, stehen direkte Bemessungsansätze zur Verfügung, und nicht implizite aufgrund von hydraulischen Kriterien. Der nun vorliegende Datensatz ermöglicht erstmals die Kalibration eines numerischen Modells. Wir planen, im Jahr 2021 ein Beitragsgesuch diesbezüglich einzureichen.