Universität Fridericana zu Karlsruhe (TH)
Institut für Siedlungswasserwirtschaft

Kanalablagerungen und ihre Bedeutung für den Schmutzstoffaustrag aus Kanalisationen

Diplomarbeit

von

Falk Schönherr

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis ... 3
Tabellenverzeichnis ... 4
Einleitung ... 5

1 Herkunft der Ablagerungen ... 6
1.1 Eintragungspfade von Feststoffen in die Kanalisation ... 6
1.1.1 Abwassereinleitungen ... 6
1.1.2 Oberflächeneintrag ... 6
1.1.3 Fremdwasser ... 7
1.2 Schmutzstoffkonzentrationen ... 7

2 Der Feststofftransport ... 9
2.1 Definition "Kanalablagerung" ... 9
2.2 Das Schubspannungskonzept - theoretische Grundlage des Feststofftransports ... 10
2.2.1 Physikalische Modelle ... 10
2.2.2 Feststofftransportkapazität ... 12
2.2.3 Quantitative Angaben des kritischen Strömungszustandes ... 12
2.3 Arten des Feststofftransports ... 14
2.3.1 Suspensionstransport ... 14
2.3.2 Geschiebetransport ... 14
2.3.3 Einteilung der Transportzustände ... 15
2.3.4 Wechselspiel von Ablagerung, Transport und Erosion ... 16

3 Ursachen von Kanalablagerungen ... 18
3.1 Abflussbedingte Ablagerungen ... 18
3.2 Ablagerungen infolge von punktförmigen Schmutzstoffquellen ... 18
3.3 Ablagerungen an Hindernissen ... 19
3.4 Ablagerungen infolge der Abwasserzusammensetzung ... 19
3.5 Baulich bedingte Ablagerungen ... 19
3.6 Zusammenfassung der Einflussfaktoren auf die Bildung von Ablagerungen ... 20

4 Menge und Zusammensetzung von Ablagerungen ... 21
4.1 Mess- und Probenahmetechniken ... 21
4.2 Menge der Ablagerungen ... 23
4.3 Zusammensetzung der Ablagerungen ... 24

5 Beitrag der Kanalablagerungen am Abflussgeschehen ... 27
5.1 Trockenwetterverhältnisse ... 28
5.2 Regenwetterverhältnisse ... 29
5.2.1 Schmutzstoß gelöster Stoffe ... 31
5.2.2 Schmutzstoß partikulärer ungelöster Stoffe ... 31

6 Auswirkungen ... 33
6.1 Auswirkungen auf die Kanalinfrastruktur ... 33
6.1.1 Kanalisationen ... 33
6.1.1.1 Minderung der hydraulischen Leistungsfähigkeit ... 33
6.1.1.2 Geruchs- und Korrosionsprobleme durch Schwefelverbindungen ... 33
6.1.1.3 Umweltbeeinflussungen ... 34
6.1.2 Betrieb kommunaler Kläranlagen ... 34
6.1.2.1 mechanische Reinigung und Vorklärung ... 35
6.1.2.2 Abbau organischer Abwasserinhaltsstoffe ... 35
6.1.2.3 Nitrifikation ... 35
6.1.2.4 Denitrifikation ... 36
6.1.2.5 biologische Phosphorelimination ... 36
6.1.2.6 Entfernung von Schwermetallen ... 36
6.1.2.7 Nachklärung ... 37
6.1.3 Auswirkungen auf Regenbecken ... 37
6.2 Auswirkungen auf Fließgewässer ... 38
6.3 Zusammenfassung der Folgen von Ablagerungen ... 40

7 Vermeidung von Kanalablagerungen ... 41
7.1 vorbeugende Maßnahmen ... 41
7.2 Kanalreinigung ... 42
7.2.1 Aufgaben der Kanalreinigung ... 42
7.2.2 Arten und Verfahren der Kanalreinigung ... 43
7.2.2.1 Schwallspülung ... 43
7.2.2.2 manuelle Reinigung ... 45
7.2.2.3 Durchzugsverfahren ... 45
7.2.2.4 Hochdruckspülverfahren ... 45
7.2.2.5 Profilreinigungsverfahren ... 46
7.2.2.6 Wulstkugeln ... 47
7.2.2.7 Reinigungswalzen ... 48
7.2.2.8 Schildgeräte ... 49
7.2.2.9 Sonderreinigungsverfahren ... 50
7.2.2.10 Reinigung von Entlastungsbauwerken ... 50
7.2.3 Bewertung der Reinigungsverfahren ... 50
7.2.4 Entsorgung des Räumguts ... 52

Zusammenfassung und Ausblick ... 53

Literaturverzeichnis ... 55

Einleitung
Gewässerbelastungen werden häufig durch Entlastungen von Mischkanalisationen verursacht. Während eines Regenereignisses treten im Mischwasserkanal Schmutzstoffkonzentrationen auf, die sich nicht allein durch die Vermischung von Trocken- und Regenwetterabfluss erklären lassen, sondern erst unter Berücksichtigung von Anteilen erodierter Kanalablagerungen.

Ablagerungen entstehen häufig in abflussschwachen Zeiten und hohen Stoffkonzentrationen. Bei zu geringen Fließgeschwindigkeiten reicht die Transportkapazität des Abwasserstromes nicht mehr aus. Die Abwasserinhaltsstoffe lagern sich im Kanal ab. In diesen Sedimenten finden teilweise Umsetzungsprozesse statt, die zu hohen Verschmutzungskonzentrationen im Mischwasserabfluss führen können.

Die Vorgänge der Sedimentation von Abwasserinhaltsstoffen über die Veränderungen ihrer Eigenschaften bis hin zur Ausspülung bei Regenereignissen sind aufgrund der vielen Einflussfaktoren, der Wechselwirkungen und Schwankungen äußerer Randbedingungen, wie beispielsweise Abwasserandrang, Gefälle oder Reinigungsintervallen, vielseitig und daher in zahlreichen Einzeldokumentationen beschrieben.

In der vorliegenden Arbeit werden die verfügbaren Kenntnisse hierzu systematisch dargestellt:
In Kapitel 1 wird die Herkunft der Abwasserinhaltsstoffe und ihr Beitrag zur Verschmutzung des Gesamtabflusses aufgezeigt. Anschließend wird im 2. und 3.Kapitel beschrieben, wie sich die Abwasserinhaltsstoffe in der Kanalisation bewegen, unter welchen Bedingungen sie sich abzulagern beginnen und welche Einflussgrößen Ablagerungen verursachen. Die Menge der Ablagerungen und deren Zusammensetzung werden in Kapitel 4 behandelt.
Ausgehend von diesen Erkenntnissen wird anschließend ab dem 5.Kapitel auf die Bedeutung der Ablagerungen für die Abwasserbeschaffenheit, insbesondere des Mischwassers, und ihren Schmutzstoffaustrag aus Kanalisationen näher eingegangen. Ein Schwerpunkt in diesem Zusammenhang sind in Kapitel 6 die Auswirkungen auf die Infrastruktur (Kanalisation, Kläranlage und Regenbecken) und die Problemfelder, welche bei anschließendem Eintrag in die Gewässer entstehen.
Letztlich wird im 7.Kapitel auf planerische Maßnahmen und existierende Reinigungsverfahren eingegangen, mit denen Ablagerungen entfernt, vermindert oder sogar vermieden werden können.

1 Herkunft der Ablagerungen
Entwässerungsverfahren dienen dem Abtransport von verschmutztem Wasser aus Siedlungen. Neben den klassischen Misch- und Trennsystemen werden Modifikationen zur Regulierung der Abflusshöhe oder Abflussfracht entwickelt.
Im Mischsystem werden häusliches, gewerbliches und industrielles Schmutzwasser gemeinsam mit dem Oberflächenabfluss in einem Kanal abgeführt. Beim Trennverfahren wird der Oberflächenabfluss getrennt vom Schmutzwasser abgeleitet.
Schmutz-, Regen- und Mischwasserabflüsse sind zwar grundsätzlich unterschiedlich zusammengesetzt, doch beeinflusst die Art des Entwässerungssystems die Zusammensetzung des Gesamtabflusses, der die Bildung und die Bemessung von Kanalablagerungen dominiert.

1.1 Eintragungspfade von Feststoffen in die Kanalisation
1.1.1 Abwassereinleitungen
Schmutzwasseranschlüsse stellen den Haupteintragungspfad für gelöste und partikuläre organische Stoffe dar. Neben den bekannten Stoffen wie Urin, Kot, Küchenabfällen und Papier, ist jedoch auch mit fasrigen (Hygieneartikel, Wattepads oder Textilien) und mineralischen Stoffen zu rechnen.

1.1.2 Oberflächeneintrag
Mit dem Niederschlagswasser werden hauptsächlich mineralische Schmutzstoffe von Dach- und Verkehrsflächen abgespült und in die Kanalisation eingeleitet. Dabei handelt es sich vor allem um Straßenkehricht, Abfälle und Streugut.
In Baustellenbereichen werden oft große Mengen an Bauschutt und Erde eingetragen. Saisonal können beträchtliche organische Belastungen an Gras, Laub und kleinen Ästen auftreten. Atmosphärische Verunreinigungen haben auf die Bildung von Ablagerungen vernachlässigbaren Einfluss.

Die Menge des Oberflächeneintrags hängt stark vom abflusswirksamen Niederschlag, dem Abtragpotential und der Trennwirkung der Straßeneinlaufschächte zum Rückhalt von Schmutzstoffen ab; sie beträgt 30-70% der Fracht in Mischkanalisationen während eines Regenereignisses (IOSSIFIDIS 1986).

1.1.3 Fremdwasser
Fremdwasser führt vor allem mineralische Stoffe und anstehenden Boden mit sich. Diese gelangen durch Ausspülen des Bodens um das Kanalrohr über schadhafte, undichte Stellen, das Einleiten kleinerer Bäche, sowie Sicker- und Grundwasser aus Haus- und Baustellendrainagen in die Kanalisation (PECHER 1998).
Der Fremdwasseranfall unterliegt stark jahreszeitlichen Schwankungen; im Winter fließt mehr, im Sommer weniger Fremdwasser zu. Das ATV-Handbuch (1994) gibt die Streubreite des Fremdwasseranteils zwischen 33% und 66% am Trockenwetterabfluss an, was einem Fremdwasserzuschlag von 50% bis 200% entspricht. Auch deutlich höhere Fremdwasserzuschläge von über 700% sind nach neueren Untersuchungen von FUCHS et al. (2003) nicht selten.
Fremdwasser ist meist nur gering verschmutzt, weswegen hohe Fremdwasserabflüsse, vor allem bei Trockenwetterabfluss, wie Spülungen wirken und so hydraulisch der Ablagerungsbildung entgegenwirken.

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