Siedlungsentwässerung - Skript - 3. Art und Menge des Abwassers

Siedlungsentwässerung

Skript

3. Auflage

Pinnekamp
Haußmann
Staufer

3) Art und Menge des Abwassers

3.1 Abwasserdefinition

"Wie in Deutschland üblich sind viele Begriffe definiert worden, um Abgaben zu erheben. (schön formuliert ;-) So gibt das Abwasserabgaben (ABwAG, 1994) die Legaldefinition für Abwasser in ², Abs 1:

"Abwasser im Sinnes dieses Gesetzes sind das durch häuslichen, gewerblichen oder sonstigen Gebrauch in seinen Eigenschaften veränderte und das bei Trockenwetter damit abfließende Wasser (Schmutzwasser) sowie das von Niederschlägen aus dem Bereich von bebauten oder befestigten Flächen abfließende und gesammelte Wasser (Niederschlagswasser). Als Schmutzwasser gelten auch die aus Anlagen zum Behandeln, Lagern und Ablagern von Abfällen austretenden und gesammelten Flüssigkeiten."

3.2 Abwasserarten

DIN 4045: Abwassertechnik, Grundbegriffe

Schmutzwassser wird unterschieden in Herkunft

Index H => häuslich

• Haushaltungen
• Büros
• Hotels
• Gaststätten
• kleingewerbliches Betriebe

Index G => gewerblich

• Gewerbebetrieben
• goßen Krankenhäusern
• etc.

Index I => industriell

• Industriebetriebe

Index F => diffus

• über Undichtigkeiten in die Kanalisation eindringendes Grundwasser (MS + TS)
• unerlaubt über Fehlanschlüsse eingeleitetes Wasser (TS; z.B. Dränwasser)
• aus Schmutzwasserkanal zufließendes Oberflächenwasser (TS; z.B. über Schachtabdeckungen)

Index R => Niederschlagswasser

• Regen
• Schmelzwasser

Schmutzwasserabfall

• häuslich
• gewerblich
• industriell

• Schmutzwasserabfluss Q(S) = Q(H) + Q(G) + Q(I) [l/s]

Trockenwetterabfall

• Schmutzwasserabfall
• Fremdwasser

• Trockenwetterabfluss Q(T) = Q(S) + Q(F) [l/s]
  

Mischwasserabfall

• Trockenwetterabfluss
• Niederschlagswasser

• Mischwasser Q(M) = Q(T) + Q(R) [l/s]

3.3 Schmutzwasser

• Q(S) = Q(H) + Q(G) + Q(I) [l/s]
• hohe Konzentration von Abwasserinhaltsstoffen => es ist stark belastet

3.3.1 Häusliches Abwasser

• abhängig vom Wasserverbrauch der Bevölkerung
  
• abhängig von der Siedlungsstruktur (Wohnkultur, sanitäre Ansprüche, Garten
• durchschnittliche Wasserverbrauch liegt z.Zt. bei 127 Liter pro Einwohner und Tag
• ist aber regional unterschiedlich: in einigen Regionen von Ostdeutschland beträgt er nur 88 (l/E*d)

Tab 3.1

• Kategorie / Einwohnerwert in E/ w(S,d) in l/(E*d)

• Dorf / bis 1000 / 110-120
  
• Kleinstadt / bis 20.000 / 120-150
• Großstadt / bis 100.000 / 150 - 200
• Großstadt / ">100.000 / "> 200"

• w(S,d) = spezifischer Abwasseranfall im Jahresmittel (=Mittelwerte)
  
• langfristige Schwankungen = Schul- und Betriebsferien
• kurzfristige Schwankungen = Arbeitsruhe, Wochenenden, Waschtage, Tagesrhythmus

Bandbreite von w (S,d)

• untere Werte dienen der Planung von Kläranlagen => Nutzungsdauer ca. 30 Jahre
• oberen Werte dienen der Dimensionierung von Abwasserkanälen => Nutzungdauer ca. 50 -100 Jahre

Tägliche häusliche Schmutzwasseranfall

• Q(H,d) = w (S,d) * E / 86400 [m³/s] (s. Formelsammlung FoSa)

• 1 Tag = 24*60*60 sec = 84600 sec

DWA-Arbeitsblatt => Bemessung von Kanälen

• spezifischer Wert bezogen auf 1000 Einwohner auf jeden Hektar kanalisierten Einzugsgebiet mal Einwohnerdichte mal spezifischer Frischwasserbrauch pro 1000 Einwohner
  

• Q(H,d) = A(E,K) * ED * qh / 1000 (FoSa)

3.3.2 Gewerbliches und industrielles Abwasser

Unterscheidung in

• Anfallmenge
• Anfallcharakteristik
• Beschaffenheit

Anfallcharakteristik

• Produktionsablauf
• Schichtbetrieb
• Saisonsbetrieb

Großindustrie besitzt eigene

• Wassergewinnungsanlagen
• Abwasserableitungssysteme
• Abwasserreinigigungsanlagen

Ermittlung von spezifischen Werten wenn

• Größe und Produktionsziel bekannt ist
• wenn Verfahrenstechnik bekannt sind

dadurch wird verbessert

• Kreislaufführung
• Vermeidung von Abwasser

Ermittlung von zuverlässigen Werten durch

• Befragungen
• Abwassermessungen

Bei Planung von Gewerbe- und Industriegebieten wird der Ansatz nach ATV-118 für spezifische Schmutzwasserabflussmengen empfohlen

• Betriebe mit geringem Wasserverbrauch qG = 0,2 bis 0,5 l (s*ha)

• Betriebe mit mittlerem Wasserverbrauch qG = 0,5 l (s*ha)

• Betriebe mit hohem Wasserverbrauch qG = 0,2 bis 0,5 l (s*ha)

Tabelle 3.2 => Anhaltswerte für den Gesamtverbrauch aufsteigend

Gewerbe bzw. Industrie: Menge * Einheit

• Gaststätte: 0,015 - 0,02 m³/Gast

• Hallenbad: 0,15 - 0,18 m³/BesucherIn

• Schule: 0,02 m³/SchülerIn

• Krankenhaus: 0,25 - 0,6 m³/Bett

• Kaufhäuser: 0,1 - 1,0 m³/BeschäftigeR

• Hotel: 0,2 -0,6 m³/Bett

• Brauerei: 0,4 -0,8 m³/hl Verkaufsbier

• Molkerei: 5 m³/m³ Milch

• Konserverven: 35 m³/ t Obst und Gemüse

• Papierherstellung: 15 - 100 m³/ t Papier

• Textilindustrie: 40-120 m³/ t Produkt je nach Material

• Zellstoffherstellung: 300 m³/ Zellstoff (Trend fallend)

(Rückfrage: warum soll der obere Wert für Kaufhäuser höher als bei Krankenhäusern liegen: wg. Besuchertoiletten, Putzaktionen: Regale und Fensterflächen, Wasser für Lager, oder vergnügen sich Geschäftsführer und Betriebsrat (falls vorhanden) in der obersten Etage mit GoGo-Girls in Whirlpools + Sauna ?)

3.4 Fremdwasser

• unerwünschter Bestandteil des Abwasserabflusses
• kaum Verschmutzung, nimmt aber einen Teil der Abflusskapazitäten in Anspruch

entsteht durch

• Ableitung von Drainagewasser
• Ableitung von Bachwasser
• Grundwasser dringt durch Undichtigkeiten in das Kanalnetz

negative Folgen

• frühzeitiges und häufigeres Anspringen von Regenentlastungen
• Betriebskosten für Pumpen steigen
• Energiekosten für Kläranalagen steigen

Maßnahmen für die Minimierung des Fremdwasseranteils

• Verbot von Hausdrainageanschlüssen
• Brunne-, Quell- und Bachwasser getrennt abführen
• Kanäle und Schächte unbedingt wasserdicht abführen

Fremdwasseranteil

• lässt sich nicht exakt messen
• Abflussmengen werden abgeschätzt
• Vergleich der Nachtminima an trockenen und nassen Tagen

langfristig große Schwankungen durch

• Trockenperioden
• Güteveränderungen der Kanalisation

Schätzwerte für Q(F)

• QF = 100 % Q(S,d) bei Trennsystem für den Schmutzwasserkanal (ATV-1982)

• QF = 30 - 40 % Q(S,d) beim Trennsystem beim Mischsystem mit QS mittlere stündliche Schmutzwassermenge

• qF = 0,05-0,15 l/(s*ha) bezogen auf die undurchlässige Fläche (ATV-A 128)

• qf = 10 - 100 m³ /(km*d) bezogen auf die Abwasserkanallänge

• w(F) = 158 - 204 l /(E*d) bezogen auf die Einwohnerzahl

3.5 Trockenwetterabfluss

der mittlere Jahres-Trockenwetterabfluss Q(T,aM) setzt sich zusammen aus

• Q(S,aM) mittlere Jahresschmutzwasseranfall
• Q(F,aM) mittlere Jahresschmutzwasseranfall

Q(T,aM) = Q(S,aM) + Q(F,aM)

Schwankungen werden veranschaulicht durch

• Jahresganglininien
• Wochenverläufe
• Tagesganglinien

Bild 3.1 => Tagesganglinie des Trockenwetterabfluss Q(T,aM) einer Stadt mit 85.000 Einwohnern einschließlich Industrie (ATV 128)

• Ordinate: Ablauf in m³/h
• Abzisse: 8h morgens bis 8h morgens

• Tagesstundenmittel höher als Tagesmittel
• Nachtstundenmittel und Nachtminimum niedriger als Tagesmittel

• Tagesspitze gg. 8h, dann abfallend mit lokalen Maxima und Minima
  
• Nachtminimum bei 4h morgens#

Tagesganglinien (Schwankungen) sind schwächer ausgebildet

• je größer die Stadt
• je ausgeprägter Ansiedlung von Industrien + Gewerbe
• 
  

durch ausgeprägte Maxima lassen sich Rückschlüsse auf Lebensgewohnheiten der Menschen ziehen:

• viele Menschen steigern zur gleichen Zeit ihren Wasserverbrauch: z.B. Duschen, Toilettenspülung

• früher wurde in Deutschland nur montags gewaschen => Maximum zu Beginn der Woche

• Anstieg des Wasserverbrauchs (Trockenwetterabfluss) während der Halbzeitpause des Finales um die Fußballweltmeisterschaft 1990 in Italien => Brehme verwandelt nach der Halbzeitpause den Elfmeter gegen Argentinien zum 1:0 Endstand => gelungene Revanche für das verlorene Finale 1986 in Mexiko => habe bis heute noch die Szene im Kopf, wie 1986 Burruchaga im Mittelfeld den Ball bekommt, den letzten Verteidiger aussteigen lässt und den herauseilenden Toni Schumacher umkurvt und gnadenlos einlocht => verdammt, das war fast schlimmer als Schiri Merk den Bayern die Meisterschaft schenkt und Schalkes Doofheit fast sprichwörtlich für die Bundesliga ist.

Bild 3.2: Beispiele von Zuflussganglinien bei Trockenwetter (ATV-DVWK)

• Tagesmittel: 100 %
• Minima und Maxima schwanken um Tagesmittel
• Jmhoff-Kurve
• Werktag
• Samstag
• Sonntag
• das Maximum kommt zum Wochenende hin zeitlich etwas später und deutlich höher als werktags
  

Bemessung

• Tagesspitze Q(T,h,max) => für Schmutz- und Mischwasserkanäle (Rohre müssen Tagesspitze aufnehmen)

• Mittel der Tagesstunden => für Kläranlagen (arbeiten kontinuierlich)

Schwankungsbeiwert X(Qmax)

• ist für die Ermittlung der Tagesspitze erforderlich
• hängt von der Größe des angeschlossenen Gebietes ab

Tagesspitze Q(T,h,max)

• Q(T,h,max) = 24 * Q(S,aM) /X(Qmax) + Q(F,aM)

• Q(S,aM) in [m³/h] mittlerer Jahresschmutzwasserabfluss

• X(Qmax) in [m³/h] Schwankungsbeiwert

• Q(F,aM) in [h/d] mittlerer Jahresfremdanteil

Bild 3.3 Divisor X [h/d] in Abhängigkeit von der Gebietsgröße


3.6 Niederschlagswasser

Niederschlagsarten

• Regen
• Nebel
• Schnee
• Tau
• Hagel

maßgebende Abflussmengen für die Dimensionierung der Kanalisation

• Regen
• Schneewassserabflüsse bei Tauwetter

weitere Faktoren für die Dimensionierung

• Regenart
• Regendauer
• Oberflächenbeschaffenheit
• Geländeneigung

Fragestellung: welches Niederschlagsereignis erzeugt die größtmögliche Abflussmenge im Kanal

• kurzer heftiger sommerlicher Gewitterregen ?
• oder
• lang anhaltender Nieselregen ?

3.6.1 Ermittlung der Regenspende

• Regenspendenlinien und Modellregen können mit Hilfe von Niederschlagsmessgeräten ermittelt werden.

• Niederschlagswaage = Veränderung des Gewichts über die Zeit

• Messkippe = Volumenmessung, hat Messkippe einen bestimmten Füllständ erreicht, dann schlägt die Kippe um => elektronischer Kontakt => Auslösung eines Zählers

Kopplung von Anzahl der Kippbewegungen + Volumen => zeitliche Regenmenge

3.6.2 Einheitlicher Blockregen

• Nach REINHOLD
• hat 1940 in Deutschland brauchbare Regenaufzeichnung statistisch ausgewertet

entdeckt einen Zusammenhang zwischen

• Regenspender r
• Regenhäufigkeit n
• Regendauer D

Gesetzmäßigkeit wird mit Zeitbeiwert phi ausgedrückt, es gilt:

• r(D,n) = r(15,n=1) * phi(D,n) [l/(s*ha)] [-]
  

mit

• phi(D,n) = [ (38/(D+9) ] * (1/sqr(4) - 0,369)
  

• rD,n [l/(s*ha] Regenspende für einen Regen der Dauer D und der Häufigkeit n
• phi [-] Zeitbeiwert
• n [1/a] Regenhäufigkeit, d.h. Anzahl der Regenereignisse eines Jahres für eine gegebene Regendauer
• D [min] Regendauer

Zeitbeiwertbestimmung durch die oben genannte Formel oder durch Ablesung

Bild 3.5: Darstellung der Regenreihen nach Reinhold und der entsprechenden Zeitbeiwertlinien

• Zeitbeiwert [dimensionlos] über Regendauer D [min]
• Kurvenschar für n= 3,0 bis n=0,05

• Berechnungsbasis ruht auf der Eingangsgröße Regenspende r(15,n=1)
  

• REINHOLD stellte 1940 für Deutschland eine Regenspendenkarte auf
• in letzten Jahren stellte man aber eine größere Regenspende gegenüber Ermittlungen von Reinhold

Für Neuplanung von Kanalnetzen

• mit neueren Werten rechnen
• mit langjährigen Regenreihen
• numerische Kanalnetzberechnung mit dem KOSTRA-Atlas des Deutschen Wetterdienstes (DWD)

Bild 3.6: Beispiel eines Eintrages aus dem KOSTRA Atlas für Aachen (KOSTRA /DWD)

3.6.3 Intensitätsvariable Modellregen und Starkregenserien

3.6.3.1 Einzelmodellregen

Tabelle Regenlinie für n=1

Bild 3.7: Regenhöhe h in 5-Minuten-Intervallen (DWA-A 118, 2006)

Bild 3.8: Einzelmodellregen nch EULER (Typ II) durch Umstellung der

3.6.3.2 Modelregengruppen

3.6.3.3 Gemessene Starkregenserien

Tab 3.3 Empfohlene Richtwerte zur Mindestdauer von Niederschlagsregistrierungen (DWA - A 118, 2006)

3.6.3.4 Niederschlagskontinuum

3.6.4 Physikalische Eigenschaften (engl.: physical properties)

Tab 3.1: pH-Wert verschiedener Wässer

3.6.5 Organische und anorganische Abwasserinhaltsstoffe

Bild 3.9: Analytisches Vorgehen bei der Bestimmung des BSB5 (Quelle)

Bild 3.10: Sauerstoffverbrauch im Abwasser bei verschiedenen Temperaturen (links) und BSB5 -Fracht einer Industriestadt im Tagesgang (rechts) nach MUDRACK und KUNST (1991)

Bild 3.11: Analytisches Vorgehen bei der Bestimmung des CSB

Bild 3.12: mögliche Stickstoffverbindung im kommunalen Abwasser

Bild 3.13: Prozess der Gewässereutrophierung (LUSTIG, 1988)

Tab 3.2: Schmutzstoffgehalte von kommunalem Abwasser

Tab 3.4: Zusammensetzung von kommunalem Schmutzwasser innerhalb verschiedener Konzentrationsbereiche (Richtwerte nach ATV1, 1985)

3.7 Schmutzstoß

Bild 3.1: Verdeutlichung eines Schmutzstoßes im Mischwasserkanal während eines Regenereignisses (Gujer, 2002)

Bild 3.2: Ausbreitung einer Wellenfront bei der Abflusssteigerung (Krebs, 2003)

Bild 3.3: Abfluss- und Leitfähigkeitsganglinien von einer künstlich erzeugten Welle in einem Abwasserkanal (Huismann, 2000)

3.8 Zusammenfassung


3.9 Kontrollfragen

a) In welche Abflussarten gliedert sich Abwasser ?

b) Was ist Schmutzwasser?

c) Wie hoch liegt der spezifische Wasserverbrauch in Deutschland ? Wie hoch ist der spezifische häusliche Schmutzwasseranfall in Deutschland ?

d) Wie kann der industrielle Wasserverbrauch abgeschätzt werden ?

e) Welche Ansätze zur Abschätzung des Fremdwasseranteils gibt es ?

f) Woraus besteht der Trockenwetterabfluss und welchen Schwankungen ist er unterworfen ?

g) In welchem Bereich liegt der Divisor XQ max für die Städte zwischen 5000 und 20.000 Einwohnern ?

h) Führen Sie mit Hilfe einer Dimensionsanalyse die Einheit mm/min in l/(s*ha) über.

i) Was ist die Bemessungsregenspende ?

j) Warum steht die Regendauer D im Nenner der Formel von REINHOLD ?

k) Bestimmen Sie den Zeitbeiwert für eine Regendauer von 45 min und einem Ereignis, das statistisch alle 53 Jahre eintritt. In welchem Bereich ist die Beziehung gültig ?

l) Unterscheiden Sie zwischen Überflutung und Überstau.

m) Wie wird der Bemessungsregen ermittelt? Welche Überflutungshäufigkeit wird für städtische Wohnbebauung angesetzt ?

n) Unterscheiden Sie organische und anorganische Formen des Stickstoffs.

o) Warum ist der CSB immer größer als der BSB einer Abwasserprobe ?


3.10 Weitergehende Literatur

• Sieker, F: Bildung und Anwendung von Starkregenserien für den Überstaunachweis bei Misch- und Regenwasserkanälen, gwf Waser Abwasser, Heft 5, S.260-263, 1997)