Patent: Regenrückhalteraum

entnommen aus:

Patentblatt

Mehlhase, Sven Dipl.-Ing.,

10437 Berlin, DE

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Damit bei und nach Exzessniederschlägen die Einleitung verschmutzten Regenwassers und ungeklärten Abwassers aus der Mischkanalisation in die natürlichen oder künstlichen Oberflächengewässer vermieden werden kann, sind in der Stadtentwässerung Rückhalteräume zur Zwischenspeicherung des Niederschlagswasser erforderlich, um den Abfluss zeitverzögert der Kläranlage zuleiten zu können.

In vielen Städten und Gemeinden sind die bestehenden Anlagen nicht ausreichend oder sie sind zumindest so ausgelastet, dass spätestens bei der Erschließung neuer Wohn- oder Gewerbegebiete die Kanalisation zusätzliche Einleitungen nicht aufnehmen kann und Teile des Niederschlagswassers in die Oberflächengewässer abgeleitet werden müssen.

Bis heute wird nach extremen Niederschlagsereignissen die Hochwasserwelle in der Kanalisation gekappt, indem Teile des verschmutzten Regenwassers und des ungeklärten Abwassers aus der Mischkanalisation in Regenrückhaltebecken zwischengespeichert werden oder versucht wird, durch eine Stauraumbewirtschaftung in der Kanalisation die Verweilzeit der Hochwasserwelle in der Kanalisation zu erhöhen [1].

Damit soll verhindert werden, dass Teile der Hochwasserwelle über Regenüberläufe in die Vorfluter abgeleitet werden müssen. Insbesondere zu Beginn eines Regenereignisses und dies noch verstärkt nach längerer Trockenheit sind die in der Kanalisation gesammelten Schmutzwasservolumina sehr stark mit Schadstoffen (beispielsweise durch Reifenabrieb auf den öffentlichen Straßen) belastet und führen eine so hohe Schmutzfracht, dass der Abschlag des in der Kanalisation gesammelten Schmutzwassers in die Natürlichen oder künstlichen Oberflächengewässer verhindert werden soll.

Die überwiegend in Städten und Gemeinden vorhanden Mischwasserkanalisation verstärkt das Problem zusätzlich, weil durch die Vermischung von Regen- und Abwasser nicht nur Regenwasser sondern auch häusliche und gewerbliche Abwässer in die Oberflächengewässer eingeleitet werden.

Eine konzentrierte Schadstoffeinleitung durch Abschlag von Wasser aus der Kanalisation in die Oberflächengewässer führt immer wieder zu hohen Gewässerbelastungen und die Qualität der Oberflächengewässer verschlechtert sich extrem. Dies ist noch heute mit temporär erheblichen Sauerstoffeinbußen in den Oberflächengewässern verbunden. Die Folgen dieser Einleitungen und der daraus resultierenden Sauerstoffeinbußen vor allem in den Sommermonaten reichen von geringfügigen Geruchsbelästigungen an den Oberflächengewässern bis hin zu einem Fischsterben in den Gewässern.

Dies ist mittlerweile in die Empfehlung umgesetzt worden, dass niederschlagsbedingte Abflüsse in der Nähe ihres Auftretens zu vermindern sind. Weil dies in sehr vielen Fällen nicht durchführbar ist, wird zur Abflussverzögerung ein Rückhalt von Niederschlagswasser und Mischwasser durch Zwischenspeicherung in Regenrückhalteräumen unvermeidbar, um einerseits die Entwässerungssysteme nicht zu überlasten und andererseits die Kanalisation wirtschaftlich dimensionieren zu können.

Der hohe finanzielle Aufwand für den Bau von Entwässerungssystemen und Rückhalteräumen bedarf einer wirtschaftlichen Planung und Bemessung sowohl des Entwässerungssystems als auch der Rückhalteräume. Empfehlungen, Ansätze und Regeln für Rückhalteräume sind veröffentlicht, wie beispielsweise von der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. (ATV-DVWK) [2, 3, 4 ,5, 6, 7].

Um diese negativen Auswirkungen auf die Gewässerqualität und -ökologie zu vermeiden sind in den letzten Jahren vermehrt Regenrückhaltebecken (innerstädtisch meist unterirdisch) errichtet worden und es ist versucht worden durch Stauraumbewirtschaftung Regenvolumina in der Kanalisation zu speichern.

Während eine Stauraumbewirtschaftung in fast allen Fällen sommerlicher Exzessniederschläge versagt, weil die Kanalisationen ursprünglichen nicht darauf bemessen worden sind, als Stauraum zu wirken. Demzufolge reichen die Stauräume nicht aus, einen hinreichenden Anteil der Niederschlagsvolumina aufzunehmen, um als effizienter Schmutzwasserspeicher zu wirken. Die Nachteile der mit hohem Kostenaufwand in den letzten Jahren erstellten Regenrückhaltebecken sind erst im Dauerbetrieb der Prototypen deutlich geworden.

So entstehen in den Speicherräumen innerhalb kurzer Zeit Faulgase, weil das Wasser mit freier Oberfläche in den Regenrückhaltebecken zwischengespeichert wird. Eine wirksame Entlüftung der Becken scheitert oft am Widerstand der Anwohner dieser Speicher. Zudem wird es innerstädtisch immer schwieriger derartige Rückhaltebecken in oder unter die bestehende Bebauung zu integrieren, ein dezentral Abwasserbewirtschaftung ist mit ihnen nicht möglich. Die entstehende Geruchsbelästigung erschwert zudem eine manuelle Reinigung der Speicher.

Die sich in den Becken absetzenden Fest- und Schwebstoffe müssen jedoch manuell aus den Becken entfernt werden, weil diese Rückstände nach Ablaufen der Hochwasserwelle nicht mit vertretbarem Aufwand in die Kanalisation zurückzuspülen sind. Zusätzlich sind die Regenrückhaltebecken für einen Bemessungsabfluss ausgelegt, ihr Wirkungsgrad sinkt wenn der Bemessungsabfluss nicht erreicht wird.

Steigt der Abfluss über den Bemessungsabfluss Q_Bem an, so sind alle über den Bemessungsabfluss Q_Bem hinaus anfallenden Volumina Q in die Oberflächengewässer einzuleiten. Die Bewirtschaftung von Regenwasser mit anderen Speichersystemen wie beispielsweise dem Mulden-Rigolen-System ist nur für Kleinsteinzugsgebiete eine Alternative [8], versagt aber im versiegelten Raum mittlerer und großer Städte.

Auch wenn sich Ganglinien mehrerer kleiner Einzugsgebiete überlagern, sind diese Kleinspeicher wegen ihrer baulichen Einschränkungen und des nicht veränderlichen, bei der Auslegung festgelegten Rauminhalts nur eingeschränkt tauglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine dezentrale Speichermöglichkeit nach Exzessniederschlägen zu schaffen, d.h. einen selbstreinigenden Regenrückhalteraum (oder Abwasserrückhalteraum) bereitzustellen, um unabhängig vom Bemessungsabfluss und lokalen Beschränkungen Regen und Kanalisationswasser wartungsfrei zwischenzuspeichern.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Retentionsraum zu schaffen, der variabel an die jeweiligen Hochwasserwellen und Abflüsse in der Kanalisation angepasst werden kann, kostengünstig zu errichten, naturverträglich in den bestehenden Landschaftsraum ohne Tiefbauarbeiten einzubinden und verschleißfrei zu betreiben ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Vorteile des hier beschriebenen Anspruchs sind

• – keine Geruchsbelästigung, weil geschlossenes System
• – keine mechanischen, beweglichen Teile die ausfallen können,
• – kein Reinigungsaufwand,
• – wartungs- und verschleißfreier Betrieb,
• – keine Verlandung durch ständige Spülung,
• – kein zu entsorgendes Absetzgut,
• – Schweb- und Feststoffe werden automatisch wieder in die Kanalisation gespült,
• – das System reinigt sich im Betrieb selbst,
• – Größe des Regenrückhalteraums durch modularen Aufbau an jeden Abfluss anzupassen,
• – Größe jedes einzelnen Moduls in Länge Breite und Höhe variabel an die örtlichen Randbedingungen am Einsatzort anpassbar,
• – Retentionsraum in jedem einzelnen Modul variabel und somit optimal an die Bemessungsgrößen anzupassen,
• – keine Einschränkung hinsichtlich sich im Laufe der Zeit ändernder Bemessungsgrundlagen oder Anschlusswerte, beispielsweise durch Neuerschließung von Siedlungs- oder Gewerbegebieten,
• – im Betrieb jederzeit zu erweitern,
• – im Betrieb jederzeit zu ergänzen,
• – bei veränderten Eingangsbedingungen für Anschlusswerte oder sich ändernden Normen und Regeln der Technik im Betrieb auch zu verkleinern, um Wirtschaftlichkeit zu gewährleisten,
• – dezentrale Zwischenspeicherung von Abwasser,
• – keine Versickerung ungereinigter Abwässer,
• – Bepflanzung und Vegetation auf dem Regenrückhalteraum und damit Uferbegrünung auch an festen Ufereinfassungen,
• – Aufwertung innerstädtischer Gewässerbereiche durch Uferbegrünung,
• – Verbesserung der ökologischen Verhältnisse im Gewässer,
• – Verbesserung der Gewässergüte gemäß der in der EU-Wasserrahmenrichtlinie verankerten Anforderungen und
• – Verbesserung der Gewässerstrukturgüte gemäß der in der EU-Wasserrahmenrichtlinie verankerten Anforderungen.

VORLÄUFIGE PATENTANMELDUNG – BESCHREIBUNG

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Bilder 1 bis 5 dargestellt. Bild 1 stellt die Erfindung schematisch im Überblick dar. In Bild 2 ist die Erfindung im Schnitt a-a dargestellt, während in Bild 3 der Schnitt b-b veranschaulicht wird. In den Bildern 4-a bis 4-e wird das Prinzip des Regenrückhalteraums erklärt, während Bild 5 den möglichen modularen Aufbau des Regenrückhalteraums verdeutlicht.

Überschusswasser, dass während und nach einem Regenereignis nicht schadlos in der Kanalisation abgeführt und dem Klärwerk zur Aufbereitung zugeführt werden kann, wird vom Regenrückhalteraum aufgenommen und in diesem zwischengespeichert. Damit wird verhindert, dass dieses Regenwasser bzw. das in einer Mischkanalisation mit häuslichem oder gewerblichen Abwasser vermischte Regenwasser ungeklärt in die Vorfluter übergeleitet wird.

Der Regenrückhalteraum wird in bestehende Gewässer integriert, damit entfallen Tiefbaumaßnahmen und andere bauliche Eingriffe in die Siedlungsinfrastruktur. An den Ufern von natürlichen und künstlichen Oberflächengewässer können auf die jeweiligen lokalen Randbedingungen angepasste Regenrückhalteräume geschaffen werden, die es ermöglichen, die Abflussmaxima während und nach allen Niederschlagsereignissen, d.h. unabhängig von der Intensität und Dauer des betreffenden Ereignisses so aufzunehmen, dass die Spitze der Hochwasserwelle gekappt werden kann.

Bild 1 zeigt die Erfindung schematisch im Überblick. In Bild 2 und Bild 3 sind Schnitte durch die Erfindung gemäß der Schnittführung nach Bild 1 dargestellt. Hier ist zunächst ein Modul des Regenrückhalteraumes dargestellt. Jedes Einzelmodul des Regenrückhalteraumes besteht aus einem Rohrsystem, dass die zu speichernden Wasservolumina aufnimmt.

Dieses Rohrsystem wird von einer Haltekonstruktion (1) aufgenommen, wobei die Tragkonstruktion an die jeweiligen Randbedingungen frei anzupassen ist (beispielsweise stabwerkähnlich, containerähnlich, hohlkastenähnlich oder gitterwerkähnlich). Weil jede statisch und hydromechanisch sinnvolle Haltekonstruktion hier vorstellbar ist, ist die Haltekonstruktion hier nur schematisch skizziert.

Die Ausführungsart des in der Haltekonstruktion geführten Rohrsystem kann variieren. Es kann ein Einzelrohr (2) angeordnet werden (wie in Bild 1 bis 3 dargestellt), das in der Tragkonstruktion verläuft. Der Durchmesser DN des Einzelrohres ist frei konfigurierbar und wird in Abhängigkeit der Bemessungsgrößen und der erwünschten Einsatzbereiche festgelegt. Damit kann durch geeignete Wahl des Rohrdurchmessers die besonderen Parameter des zu speichernden Mediums – wie dessen Viskosität – berücksichtigt werden.

Die Anzahl der Rohrschleifen kann variabel gestaltet werden, wird sich jedoch nach den Abmessungen der Tragkonstruktion und dem Durchmessers des Speicherrohres richten müssen. Das Rohrsystem kann für eine verfeinerte Steuerung des Regenrückhalteraums aus mehreren Einzelrohren bestehen. Auch in diesem Fall können die Durchmesser für alle Einzelrohre frei konfiguriert und in Abhängigkeit der Bemessungsgrößen gewählt werden.

Mit unterschiedlichen Rohrdurchmessern DN in einem Speichermodul wird die Genauigkeit der Steuerung des Regenrückhalteraumes zusätzlich erhöht. Das Material des Rohres wird an die besonderen Parameter des zu speichernden Mediums angepasst, um beispielsweise dessen chemischen und physikalischen Besonderheiten zu berücksichtigen.

Hier soll das Prinzip des Regenrückhalteraums für den Fall eines spiralförmig gewundenen Einzelrohres erläutert werden. Das Wirkungsprinzip ist für alle anderen Ausführungen mit mehreren Rohren – auch unterschiedlicher Durchmesser – gleich. Mit diesen Ausführungen wird eine optimierte Steuerung des Systems erreicht, das Prinzip gilt jedoch für jedes Einzelrohr.

Das Prinzip gilt genauso auch, wenn statt eines Moduls des Regenrückhalteraumes nach Bild 1, das Gesamtsystem aus einer beliebigen Anzahl an Modulen (vgl. Bild 5) besteht. Auch hier gilt, dass damit die Steuerung des Systems optimiert wird.

Die Tragkonstruktion mit dem hier dargestellten (aber auf beliebig viele Rohre auch unterschiedlichen Durchmesser erweiterbaren) Systems mit einem Einzelrohr, ist am Ufer von natürlichen und künstlichen Gewässern getaucht oder schwimmend verankert. Der eigentliche Speicherraum (hier das Einzelrohr) ist bevor der Belastungsfall eintritt, also bevor Regen- oder Schmutzwasser gespeichert werden soll, mit Wasser des Oberflächengewässers gefüllt. (Zustand 1, Zeitpunkt t₁, s. Bild 4-a).

Deswegen entstehen keine wesentlichen Auftriebskräfte an der Tragkonstruktion. Die Tauchtiefe des Regenrückhalteraumes ist variabel einstellbar, dafür werden beispielsweise Luftkammern oder Zusatzgewichte eingesetzt. Tritt nun der Belastungsfall ein, so wird Regen- oder Schmutzwasser in das Einzelrohr bzw. das Rohrsystem eingeleitet (Zustand 2, Zeitpunkt t₂, s. Bild 4-b) und verdrängt das Wasser des umgebenden Gewässers, das sich zu diesem Zeitpunkt t₁ im Rohrsystem befindet.

Das Wasser aus dem Oberflächengewässer wird in das Gewässer zurück drainiert. Dieses Wasser fließt demnach dorthin zurück, von wo entnommen worden ist und dem Einzelrohr oder dem Rohrsystem – dem eigentlichen Speicher – zugeführt worden ist. Das Schmutzwasser aus der Kanalisation fließt der Erfindung solange zu, bis das Rohr vollständig gefüllt ist.

Dabei kann das Wasser aus der Kanalisation entweder mit natürlichem Gefälle in den Speicher (das Rohr) geleitet werden oder aus tiefer gelegenen Sammlern in den Speicher (das Rohr) gepumpt werden. Im Rohr kommt es zu keiner Vermischung von Schmutzwasser und Wasser aus dem Oberflächengewässer, weil ein Molch (3) als Trennelement das saubere Oberflächenwasser vom Regen- bzw. Schmutzwassers trennt.

Zum Zeitpunkt t₃ ist der Regen- bzw. Schmutzwasserrückhalteraum vollständig mit Regen- bzw. Schmutzwasser gefüllt (Zustand 3, Zeitpunkt t₃, s. Bild 4-c). Die Verweilzeit des zu speichernden Überschusswassers aus der Kanalisation ist beliebig, sie kann in Abhängigkeit der zeitlichen Verteilung des Abflusses in der Kanalisation oder gewünschter Steuerprozesse in den Kläranlagen frei gewählt werden.

Auch eine mehrtägige Zwischenspeicherung ist denkbar, weil es zu keiner Geruchsentwicklung im geschlossenen Speicherraum kommt. Soll das Schmutzwasser zu einem Zeitpunkt t₄ (Zustand 4, Zeitpunkt t₄, s. Bild 4-d) in die Kanalisation zurückgeleitet werden, so wird das Wasser in Abhängigkeit der Höhenlage des Sammlers mit natürlichem Gefälle oder mittels einer Pumpe aus dem Rückhalteraum entfernt.

Im Regelfall (Ausnahme sind beispielsweise tidebeeinflusste Gewässer bei Flutstrom, wenn das natürliche Gefälle ausreichend ist) wird mit einer Pumpe Wasser aus dem Oberflächengewässer in das Rohrsystem gepumpt und das Schmutzwasser mit einem Molch aus dem Rohrsystem geschoben. Zum Zeitpunkt t₅ ist der Ausgangszustand im Regenrückhalteraum wieder erreicht, d.h. er ist nunmehr wieder mit Oberflächenwasser gefüllt (Zustand 5, Zeitpunkt t₅, s. Bild 4-e).

Mit dem Molch wird nicht nur eine Grenzschicht zwischen diesen beiden Wässern vermieden, sondern bei Rücklauf des Schmutzwassers in die Kanalisation auch das Rohrsystem) gereinigt und alle Schweb- und Feststoffe, die in den Speicherraum eingetragen worden sind, werden aus diesem wieder in die Kanalisation zurücktransportiert.

Es entfällt mit dieser Selbstreinigung des Regen- bzw. Schmutzwasserrückhalteraums die Entsorgung möglicherweise kontaminierter Absetzstoffe. Diese werden durch die Kanalisation direkt den Absetzbecken der Kläranlagen zugeführt.

Bild 5 zeigt die Erfindung des mehr-modularen Regenrückhalteraums. Mit der Kombination verschieden großer Module, die wiederum mit unterschiedlich vielen Rohren diverser Durchmesser bestückt sein können, wird eine exakte Steuerung des Rückhalteraumes in Abhängigkeit der anfallenden Überschusswasservolumina erreicht.

Durch die freie Gestaltung der Größe jeden einzelnen Moduls und dessen inneren Aufbaus ist eine Anpassung der Fassungsvolumina an Einzugsgebiete beliebiger Größe und beliebigen Aufbaus, Gebietsniederschläge beliebiger Intensität und Dauer, beliebige Formen von Ganglinien einzelner Einzugsgebiete, die Überlagerung von n Ganglinien benachbarter Einzugsgebiete und die Zusammensetzung des zu speichernden Mediums möglich.

Die Oberfläche des Regenrückhalteraumes wird bepflanzt. Durch die auf der Oberfläche des Regenrückhalteraumes angesiedelte Vegetation wird das Ufer natürlicher und künstlicher Gewässer zusätzlich begrünt. Die Vegetation wird an die örtliche Fauna und Flora angepasst oder gezielte Pflanzung anderer Kulturen wird positiv auf die Gewässerbiologie eingewirkt.

Damit werden insbesondere aber nicht nur innerstädtische Gewässerbereiche aufgewertet und es wird eine Verbesserung der Gewässerökologie erreicht. Mit der gezielt eingesetzten Vegetation auf der Oberfläche der Erfindung werden die Gewässergüte und die Gewässerstrukturgüte – entsprechend den in der EU-Wasserrahmenrichtlinie formulierten Anforderungen – verbessert.

Der Regenrückhalteraum und die Kanalisation werden nach den anerkannten Regeln der Technik miteinander verbunden. Die für Zu- bzw. Abfluss des Regen- bzw. Schmutzwassers einzusetzende Pumpe ist ein handelsübliches Modell. Die Pumpe und ihre Kennlinie ist ggf. auf die besonderen Anforderungen für den Einzelfall auszulegen.

VORLÄUFIGER PATENTANTRAG – LITERATUR

• [1] Gujer W. 2002. Siedlungswasserwirtschaft, 2. Auflage. Springer-Verlag, Heidelberg. ISBN: 3-540-43404-6.
• [2] Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 116. 2003. Besondere Entwässerungsverfahren Unterdruckentwässerung – Druckentwässerung.
• [3] Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 117. 2001. Bemessung von Regenrückhalteräumen.
• [4] Arbeitsblatt ATV-A 121. 1985. Niederschlag – Starkregenauswertung nach Wiederkehrzeit und Dauer, Niederschlagsmessungen – Auswertung.
• [5] Arbeitsblatt ATV-A 128. 1992. Richtlinien für die Bemessung und Gestaltung von Regenentlastungsanlagen in Mischwasserkanälen,
• [6] Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 156. 2000. Regeln für den Kanalbetrieb, Regenbecken und -entlastungen
• [7] Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 198. 2003. Vereinheitlichung und Herleitung von Bemessungswerten für Abwasseranlagen,
• [8] http://www.sieker.de/innodrain/innodrain_rigolen.htm