DE2850202C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fördern von Abwasser aus einem Sammelbehälter über eine Erhebung bis zu etwa 50 m Höhe in einer am Ende offenen Leitung mittels einer Druckpumpe sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Abwasseranlage.

Ein derartiges Verfahren ist aus der Praxis bekannt. Die Einhaltung der Mindestfließgeschwindigkeit von ungefähr 1 m/sec in Abwasserleitungen bereitet im Einzelfall oft erhebliche Schwierigkeiten. Bei langen Freigefälleleitungen in flachem Gelände muß durch einen am Ende sehr tiefen und deshalb teuren, die Leitung aufnehmenden Graben das für die Min­ destfließgeschwindigkeit erforderliche Gefälle künstlich geschaffen werden. Aber auch wenn man das Abwasser pumpt, sei es wegen fehlenden natürlichen Gefälles oder weil eine natürliche oder künstlich geschaffene Erhebung im Gelände zu überwinden ist, ist die Einhaltung der Mindest­ fließgeschwindigkeit und die Begrenzung der Verweildauer des Abwassers in längeren, großvolumigen Leitungen nach wie vor problematisch, weil normalerweise der Abwasseranfall starken Schwankungen unter­ liegt. Zur Beseitigung der daraus resultierenden Mängel - Absetzen der Feststoffe in der Leitung, Verstopfungen, Fäul­ nis - ist es bekannt, Abwasser-Druckleitungen von Zeit zu Zeit mit Druckluft zu spülen. Dieses Verfahren ist jedoch mit beträchtlichen zusätzlichen Anlage- und Betriebskosten für die besondere Druckluftspülung verbunden, und man erreicht damit auch nur eine Milderung, aber keine Beseitigung der genannten Mängel, weil die Leitung in vielen Fällen durch Druckluft nicht zu leeren ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine zu dessen Durchführung ge­ eignete Abwasseranlage zu schaffen, die es ermöglichen, un­ abhängig von Schwankungen in der pro Zeiteinheit anfallenden Menge des Abwassers und ohne zusätzliche aufwendige Maßnahmen die Verweildauer des Abwassers in der Leitung abzukürzen und diese in verhältnismäßig kurzen zeitlichen Abständen zu leeren.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nach dem Füllen des vor dem Höchstpunkt befindlichen Teils der Leitung bis zur vollständigen Füllung auch des hinter dem Höchstpunkt gelegenen Teils der Leitung mehr Abwasser pro Zeiteinheit hineingepumpt wird, als am Ende ausfließen kann, und daß unmittelbar anschließend etwa auf dem Niveau der Leitungsmündung oder höher Luft in den vorderen Teil der Lei­ tung eingelassen wird.

Die Erfindung nutzt zum Leeren der Leitung das an sich bekann­ te Heberprinzip aus. Sofern man bisher davon in der Abwasser­ technik Gebrauch gemacht hat, war man bestrebt, die Wasser­ säule in der Leitung kontinuierlich geschlossen zu halten, um ständig und kontinuierlich fördern zu können. Bei der Er­ findung hingegen, wird das Heberprinzip mit einer Abwasser­ pumpe kombiniert und zum intermittierenden Abwassertransport benutzt, wobei sich die Pumpe und das Heberprinzip in die Funktion, den Vortrieb für die Wassersäule zu erzeugen, teilen.

Das neue Verfahren läßt sich auch in solchen Fällen anwenden, wo im natürlichen Gelände kein oder nur ein zu schwaches Ge­ fälle vorhanden ist. Unter solchen Umständen kann es sich als wirtschaftlichste Lösung für eine Abwasseranlage anbieten, statt eines tiefen Grabens zur Erzeugung des notwendigen Ge­ fälles eine künstliche Erhebung zu schaffen und dann wie oben vorgeschlagen zu verfahren.

Der Ausnutzung des Heberprinzips bei verhältnismäßig langen und dann normalerweise auch verhältnismäßig weiten Abwasser­ leitungen mußte die Überlegung entgegenstehen, daß Luft um so leichter in am unteren Ende offene, mit Wasser gefüllte Lei­ tungen eindringen kann, je größer deren lichte Weite ist. Nachdem Luft vom Leitungsende her in die Wassersäule einge­ drungen ist, reißt diese ab und der Fördervorgang kommt in­ soweit zum Erliegen. Um bei verhältnismäßig großen Leitungs­ querschnitten diesen Mangel auszuschalten, wird erfindungs­ gemäß eine Abwasseranlage vorgeschlagen, bei welcher die bekannte Anordnung einer Druckpumpe und eines Be- und Ent­ lüftungsventils am Anfang einer über eine Erhebung führenden Leitung kombiniert ist mit der für sich bekannten Verlege­ technik, wonach der vor dem Höchstpunkt befindliche Teil der Leitung im wesentlichen stufenförmig mit verhältnismäßig kurzen ansteigenden und dazwischenliegenden leicht abfallenden Lei­ tungsstücken verlegt wird. Diese Leitungsführung hindert die Luft daran, während des Saugvorgangs nach dem Heberprinzip das Wasser zu überholen und dann abreißen und zurückfallen zu lassen.

Die zuletzt geschilderte Wirkung der stufenförmigen Leitungs­ führung wird dadurch wesentlich gefördert, daß die steil an­ steigenden Leitungsstücke einen beträchtlich kleineren Innen­ querschnitt haben als die flach abfallenden Leitungsstücke. Da sie steil, z. B. unter einem Winkel von etwa 45 bis 90° ansteigen, ist die Gesamtlänge der engen Leitungsstücke nicht viel größer als die Höhe der Erhebung, im Vergleich mit der Gesamtlänge der Leitung also relativ klein. Damit ergibt sich auch nur eine vergleichsweise geringe Erhöhung des Strömungs­ widerstands der Leitung, während gleichzeitig der Vorteil er­ reicht wird, daß die Luft nicht so leicht wie bei weiten Lei­ tungsquerschnitten in Form von Blasen durch die Wassersäule steigt.

In dieselbe Richtung zielt auch die Maßnahme, die weiten Lei­ tungsstücke im stufenförmigen Verlauf der Leitung mit schwachem Gefälle von z. B. 6-8% zu verlegen. Dadurch wird bewirkt, daß das Wasser auf dem längsten Teil der Leitung frei fließt, wo­ bei es auch durch in die Leitung eingedrungene Luft nicht zu­ rückgehalten oder behindert wird. Gleichzeitig wird mit dieser Leitungsführung erreicht, daß sich in die Leitung eingedrunge­ ne Luft jeweils am oberen Ende der mit Gefälle verlegten Lei­ tungsstücke sammelt, statt in einem Zuge in der Wassersäule weiter vorzudringen.

Zu demselben Zweck ist vorzugsweise auch noch vorgesehen, daß am Übergang zwischen einem flach abfallenden Leitungsstück und dem in Fließrichtung folgenden steil ansteigenden Lei­ tungsstück die Leitung eine Tasche, d. h. eine Krümmung nach unten und wieder nach oben bildet.

Damit die Hebewirkung einsetzen kann, muß der hinter dem Höchstpunkt gelegene Teil der Leitung vollständig mit Abwas­ ser gefüllt sein. Um zu verhindern, daß das Abwasser am Ende der Leitung schneller ausfließt, als von der Pumpe nachge­ liefert werden kann, wobei der Leitungsquerschnitt am Ende niemals ganz mit Wasser zu füllen wäre, wird vorgeschlagen, den letzten Teil der Leitung mit einem engeren Querschnitt auszuführen, so daß sich dort das Wasser staut. Die Verengung des Leitungsquerschnitts sollte sich dabei vorzugsweise über eine gewisse Länge der Leitung, z. B. 20 bis 200 m, erstrecken, weil bei gleicher Stauwirkung eine nur an einer einzigen Stelle vorgenommene Verengung des Strömungsquerschnitts eine kleinere lichte Weite haben müßte als die vorgeschlagene verhältnismäßig lange Reduzierung des Leitungsrohrs. Je enger jedoch der innere Querschnitt, desto größer ist die Gefahr von Verstopfungen.

Der Sammelbehälter braucht in bevorzugter Ausführung der Erfindung nicht wesentlich größer ausgeführt zu werden als dem Volumen des hinter dem Höchstpunkt gelegenen Leitungs­ teil entsprechend, denn es kann der vor dem Höchstpunkt befindli­ che Leitungsteil mitbenutzt werden beim Sammeln des Abwassers. Dies kann z. B. in der Weise geschehen, daß die Abwasserpumpe jedesmal, wenn sich ein bestimmtes Abwasservolumen, z. B. 1 m³, im Sammelbehälter angesammelt hat, dieses Volumen in die Leitung drückt, bis jene bis zu ihrem Höchstpunkt mit Abwasser gefüllt ist. Sodann wird weiteres Abwasser nicht mehr in die Leitung gepumpt, und zwar so lange nicht, bis sich im Sammelbehälter soviel Abwasser angesammelt hat, daß während eines einzigen zusam­ menhängenden Pumpvorgangs der hinter dem Höchstpunkt gelegene Teil der Leitung gefüllt werden kann. Nachdem dies geschehen ist, setzt die Heberwirkung ein und zieht das gesamte Abwasser aus der Leitung.

Es kann bei der Auslegung einer erfindungsgemäßen Abwasser­ anlage in Rechnung gestellt werden, daß bei dem Übergang vom Pumpvorgang zur Heberwirkung die Wassersäule in der Leitung eine bestimmte Geschwindigkeit hat und allein durch diese kinetische Energie noch ein Stück fortbewegt wird, wobei weder der Pumpvorgang andauern noch die Heberwirkung bereits eingesetzt haben muß. Die genannte kinetische Energie der großen, durch den Pumpvorgang in Bewegung geratenen Wassermasse schafft die Voraussetzung, daß die vorgeschlagene Anlage auch dann funktioniert, wenn sich das beim Einsetzen der Heberwirkung öffnende Be- und Entlüftungsventil am Anfang der Leitung etwas unterhalb des Niveaus der Auslaßöffnung der Leitung befindet. Gleichzeitig eröffnet sich die weitere Möglichkeit, den Sammelbehälter und die Leitung schon bei geringeren darin gesammelten Abwassermengen zu leeren, weil ggf. schon eine Teilfüllung des hinter dem Höchstpunkt gele­ genen Teils der Leitung ausreicht, um nach Ausnutzung der kinetischen Energie der durch Pumpen beschleunigten Wasser­ säule zum Einsetzen der Heberwirkung zu kommen.

Die Steuerung der Abwasserpumpe zum Auffüllen des vor dem Höchstpunkt gelegenen Teils der Leitung kann in Abhängig­ keit vom Wasserstand im Sammelbehälter oder bei gleich­ mäßigem Abwasseranfall auch zeitabhängig erfolgen. Die Steuerung der Pumpe beim Füllen des hinter dem Höchstpunkt gelegenen Teils der Leitung kann entweder in Abhängigkeit vom Druck in der Leitung oder ebenfalls mittels Zeitschalt­ uhr geschehen. Die zeitabhängige Steuerung ist einfacher, setzt aber Kenntnis des pro Zeiteinheit anfallenden Volu­ mens an Abwasser voraus.

Das vorgeschlagene Verfahren läßt sich voraussichtlich zur Überwindung von Erhebungen bis zu etwa 40 bis 50 m Höhe ein­ setzen. Für diesen Höhen- bzw. Druckbereich stehen geeignete Abwasserpumpen, Be- und Entlüftungsventile sowie Rohrleitungs­ matrialien zur Verfügung. Die Leitung kann mehrere Kilometer, z. B. zwei bis 6 Kilometer, lang sein.

Wie sich aus den vorstehenden Ausführungen ergibt, bedarf es bei der vorgeschlagenen Abwasseranlage außer der üblichen Druck­ pumpe mit Be- und Entlüftungsventil grundsätzlich keiner zusätz­ lichen Teile oder Tätigkeiten, um die Leitung in kurzen Zeitab­ ständen jedesmal praktisch vollständig zu leeren. Dies kann ohne Betriebsunterbrechung geschehen, so daß die Anlage für hohe Förderleistungen ausgelegt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels einer Abwasseranlage näher erläutert.

In der einzigen Figur ist dabei für die Höhe ein anderer Maß­ stab als für die Länge gewählt worden. Es sei beispielsweise im folgenden davon ausgegangen, daß die in der Zeichnung insge­ samt mit 10 bezeichnete Leitung auf einer Gesamtlänge von unge­ fähr 3 km eine Erhebung von ca. 20 m überwindet.

Das zu transportierende Abwasser fließt aus einer angedeuteten Kanalisation 12 in einen Sammelbehälter 14. Eine als Druckpumpe arbeitende Abwasserpumpe 16 mit einer nicht gezeigten Rückschlag­ klappe und einem dahinter angeordneten Be- und Entlüftungsventil 18 üblicher schwimmergesteuerter Ausführung drückt das Abwasser in die am Ende offene Leitung 10. Letztere gliedert sich in einen vor dem mit 20 bezeichneten Höchstpunkt befindlichen Lei­ tungsteil 22 mit stufenförmigem Verlauf und einen hinter dem Höchstpunkt 20 befindlichen Leitungsteil 24, der in Anpassung an das vorhandene Gelände im Beispielsfall zunächst nur flach und dann steil abfällt. Während der Leitungsteil 24 über den größten Teil seiner Länge beispielsweise 150 mm Nennweite hat, ist das z. B. 150 m lange Ende 26 der Leitung auf eine Nennweite von z. B. 100 mm reduziert.

Der vor dem Höchstpunkt 20 gelegene Teil der Leitung 10 ist untergliedert in kurze, unter etwa 45 bis 90° steil an­ steigende Leitungsstücke 28, die jeweils eine Höhe von z. B. 1 bis 3 m überwinden und je nach Gelände mehr oder weniger lange, leicht abfallende Leitungsstücke 30. Die Leitungs­ stücke 28 können eine Nennweite von beispielsweise 80 bis 100 mm und die leicht abfallenden Leitungsstücke 30 eine Nennweite von z. B. 150 oder 200 mm haben. Am Übergang zwi­ schen einem Leitungsstück 30 und dem in Strömungsrichtung folgenden steilen Leitungsstück 28 kann eine Tasche 32 ange­ ordnet sein.

Die Steuerung der dargestellten Abwasseranlage funktioniert wie folgt:

In dem Maße, wie Abwasser aus der Kanalisation 12 in den Sammel­ behälter 14 fließt, wird es durch die Pumpe 16 kontinuierlich oder intermittierend in den zum Höchstpunkt 20 ansteigenden Leitungsteil 22 gedrückt, bis dieser bis zum Höchstpunkt 20 gefüllt ist. Bevor nachfolgend weitergepumpt wird, muß ent­ weder der Sammelbehälter 14 genügend Abwasser enthalten, um in einem einzigen weiteren Pumpvorgang den Leitungsteil 24 soweit zu füllen, daß unter Berücksichtigung der kinetischen Energie der durch die Pumpe beschleunigten Wassersäule die Heberwirkung einsetzen kann, oder es muß während dieses Pump­ vorgangs noch genügend Wasser aus der Kanalisation in den Sammelbehälter 14 nachfließen, daß dieses Ziel erreicht wird. Nachdem eine ausreichend lange Wassersäule im Leitungsteil 24 erzeugt worden ist, kann die Förderung der Pumpe 16 aussetzen. Sobald in der Leitung am Be- und Entlüftungsventil 18 ein Sog entsteht, öffnet dieses Ventil und läßt Luft einströmen. Im günstigsten Falle folgt die Luft der abziehenden Wasser­ säule, ohne darin tiefer einzudringen. Auf jeden Fall ver­ hindert der beschriebene Leitungsverlauf mit engen steilen Leitungsstücken 28 und weiten, schwach abfallenden Leitungs­ stücken 30, daß Luft in größerer Menge durch die abziehende Wassersäule perlt und dann den hinteren Teil der Wassersäule abreißen und zurückfallen läßt.

Die Gefahr, daß Luft auch von der Mündungsöffnung her in die Wassersäule eindringt, ist nicht so groß, da die Luft­ blasen hier gegen die Wasserströmung aufsteigen müßten. Im übrigen wirkt sich die aus anderen Gründen vorgesehene Ver­ jüngung des Endbereichs 26 der Leitung auch in dieser Hin­ sicht günstig aus.

Sollte sich bei einer Anlage, bei der das Be- und Entlüf­ tungsventil 18 an der Pumpe 16 im Niveau unterhalb der Mün­ dungsöffnung der Leitung liegt, herausstellen, daß aus unvor­ hergesehenen Gründen die Heberwirkung nicht einsetzt, kann etwas oberhalb des Niveaus der Mündungsöffnung ein weiteres Be- und Entlüftungsventil 34 angebracht werden, wodurch dafür gesorgt wird, daß die Wassersäule in Strömungsrichtung hinter dem Höchstpunkt 20 länger ist als zwischen diesem und dem Be- und Entlüftungsventil 34, so daß sich die Leitung, nach­ dem sie einmal gefüllt worden ist, selbsttätig leert. Das Be- und Entlüftungsventil 34 kann ebenso wie das Ventil 18 in üblicher Ausführung mit einer Schwimmersteuerung versehen sein und sollte sich vorzugsweise in der geschlossenen Stel­ lung feststellen lassen, um ggf. unter günstigen Umständen mit dem Be- und Entlüftungsventil 18 arbeiten zu können, so daß auch der zwischen den beiden Ventilen 18 und 34 befindliche Teil der Leitung geleert wird.

Claims (11)

1. Verfahren zum Fördern von Abwasser aus einem Sammel­ behälter über eine Erhebung bis zu etwa 50 m Höhe in einer am Ende offenen Leitung mittels einer Druckpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Füllen des vor dem Höchstpunkt befindlichen Teils der Leitung bis zur vollständigen Füllung auch des hinter dem Höchstpunkt gelegenen Teils der Leitung mehr Abwasser pro Zeiteinheit hineingepumpt wird als am Ende ausfließen kann, und daß unmittelbar anschließend etwa auf dem Niveau der Leitungsmündung oder höher Luft in den vorderen Teil der Leitung eingelassen wird.

2. Abwasseranlage zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) am Anfang einer über eine Erhebung führenden Lei­ tung (10) eine Druckpumpe (16) und ein Be- und Ent­ lüftungsventil (18) angeordnet sind, und
• b) der vor dem Höchstpunkt (20) befindliche Teil (22) der Leitung (10) im wesentlichen stufenförmig mit verhältnismäßig kurzen, steil ansteigenden und da­ zwischenliegenden, leicht abfallenden Leitungs­ stücken (28 bzw. 30) verlegt ist.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die steil ansteigenden Leitungs­ stücke (28) einen Winkel von etwa 45 bis 90° zur Hori­ zontalen bilden und sich über ungefähr 1 bis 3 Höhenmeter erstrecken.

4. Anlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die steil ansteigenden Leitungsstücke (28) einen wesentlich kleineren Querschnitt haben als die flach abfallenden Leitungsstücke (30).

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die lichte Querschnittsfläche der steil ansteigenden Leitungsstücke (28) höchstens etwa halb so groß ist wie die der flach abfallenden Leitungs­ stücke (30).

6. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß am Übergang zwischen einem flach abfallenden Leitungsstück (30) und dem in Fließrichtung folgenden steil ansteigenden Leitungs­ stück (28) die Leitung eine Tasche (32) bildet.

7. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der hinter dem Höchstpunkt (20) gelegene Teil (24) der Leitung (10) im oberen Bereich einen verhältnismäßig weiten und zum Ende hin einen engeren Querschnitt hat.

8. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das Be- und Entlüftungsventil (18; 34) im vorderen Bereich der Leitung (10) ungefähr auf dem Niveau ihrer Mündungsöffnung oder einem höheren Niveau angeordnet ist, und daß das Be- und Entlüftungsventil (18; 34) z. B. schwimmergesteuert ist.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Be- und Entlüftungsventil (18) höchstens so weit unterhalb des Niveaus der Mündungs­ öffnung der Leitung (10) angeordnet ist, wie das hintere Ende der Wassersäule in der Leitung infolge der Bewegungs­ energie am Ende des Pumpvorgangs anhebbar ist.

10. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der Sammelbehälter (14) im wesentlichen nur das zum Fül­ len des hinter dem Höchstpunkt (20) gelegenen Teils (24) der Leitung (10) erforderliche Abwasservolumen faßt.

11. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Druckpumpe (16) zum Auslösen des den hinter dem Höchstpunkt gelegenen Teil (24) der Leitung (10) fül­ lenden Pumpvorgangs zeitabhängig oder in Abhängigkeit vom Druck in der Leitung (10) gesteuert ist.