Ein Wasserwerk. Eine Nachrüstung. Drei Zahlen, die wichtig sind.Nach dem Einbau einer Luft-Wasser-Rühr- und Entleerungsvorrichtung in einen Schrägrohrabscheider, der seit 1998 in Betrieb war, verzeichnete die Anlage a20 % weniger Entleerungshäufigkeit, a 12 % Reduzierung der chemischen Reinigungskosten, und a15 % Rückgang des Arbeitseinsatzes. Noch wichtiger ist, dass die Sanierung ein hartnäckiges Sommerproblem löste, das jahrelang zu Beschwerden über die Wasserqualität geführt hatte: Rote Würmer und Chironomidenlarven brüteten in stehenden Schlammtaschen. Wenn Ihr Rohrabscheider über einen perforierten Schlammaustrag verfügt, der ständig von Verstopfungen befreit werden muss, ist diese Fallstudie genau das Richtige für Sie.
Das Problem
Wenn Schlamm sich weigert zu gehen
Der Schrägrohrklärer dieses Wasserwerks wurde 1998 gebaut und befindet sich in einem Quellwasserschutzgebiet ersten Grades. Das Rohwasser – Reservoiroberflächenwasser – zeichnet sich durch eine geringe Trübung und einen hohen Algengehalt aus. Während der Röhrenabscheider selbst eine hohe Sedimentationseffizienz bei kompakter Stellfläche bietet, führt seine Lage in der Nähe der Rohwasserpumpstation dazu, dass die chemische Vermischung von Natur aus ungleichmäßig ist. Die Herausforderung bei der Behandlung wird im Sommer noch schlimmer, wenn die Wassermenge stark schwankt und die Algenzahl in die Höhe schnellt.
Wie bei den meisten geneigten Röhrenabscheidern dieser Zeit war das Schlammableitungssystem auf ein System angewiesenperforierte Rohre. Der Mechanismus ist einfach: Der statische Wasserdruck vom Wasserspiegel im Reaktions-Sedimentationstank drückt den Schlamm in Richtung der Perforationen, und die Schwerkraft-Siphonwirkung zieht das Schlamm-Wasser-Gemisch aus dem Tank. Keine Pumpen. Keine beweglichen Teile. Aber es gibt einen Haken:Öffnungen verstopfen. Und sobald sie verstopfen, sammelt sich Schlamm an. Und sobald sich Schlamm ansammelt, beginnen die Dinge darin zu leben.
Das Feldteam dieser Anlage beobachtete jeden Sommer genau diese Kette von Ereignissen: verstopfte perforierte Rohröffnungen → unvollständiger Schlammaustrag → stagnierende Schlammschichten → Nährboden für rote Würmer und Chironomidenlarven → Anomalien der Wasserqualität. Die bestehende Reinigungsmethode – chemisches Einweichen kombiniert mit Hochdruckwasserstrahlen – funktionierte, war jedoch mit Kosten verbunden. Bei Entleerungsintervallen von mehr als 20 Tagen im Sommer bzw. 30 Tagen im Winter kam es zu Moosbildung auf den Rohroberflächen und Tankwänden, was deutlich längere Spülzeiten erforderlich machte. Aufgrund der Wasserverschwendung, des Chemikalienverbrauchs und der verbrannten Arbeitsstunden stiegen die Betriebskosten der Anlage immer weiter.
Ursachenanalyse
Das Ingenieurteam identifizierte vier verschiedene Mechanismen hinter dem Verstopfungsproblem. Zwei sind betriebsbedingt, zwei sind physikalische Designbeschränkungen. Alle vier tragen zum gleichen Endergebnis bei:Überbrückung- ein Zustand, in dem Sandpartikel in der Nähe der Öffnungen bei sehr geringem Feuchtigkeitsgehalt und gegenseitiger Partikelwechselwirkung zu einer festen Masse verdichtet werden, die durch den statischen Wasserdruck nicht zerbrochen werden kann.
| # | Ursache | Mechanismus | Warum es wichtig ist |
| 1 | Längere Schlammansammlung | Schlamm, der nicht rechtzeitig entfernt wird, verliert Feuchtigkeit. Wenn der Feuchtigkeitsgehalt unter einen kritischen Schwellenwert sinkt, verschlechtert sich die innere Fließfähigkeit der Schlammschicht – sie wird eher zu einem Feststoff als zu einer Aufschlämmung. | Der statische Wasserdruck allein kann die verdichtete Schicht nicht durch die Öffnungen drücken. Dies ist der Hauptgrund für die Überbrückung. |
| 2 | Falsches Schlammaustragsintervall und übergroßer Sand | Die Anlage pumpt Rohwasser direkt aus einem Reservoir. Sandgehalt, Körnung und Partikelgröße variieren je nach Jahreszeit und Klima. Wenn die Sandkorngröße den Öffnungsdurchmesser überschreitet, verstopfen die Öffnungen. Wird zum Ausgleich das Entladeintervall nicht verkürzt, bricht die Effizienz ein. | Ein statisches Intervall kann die dynamische Rohwasserqualität nicht bewältigen. Die Antwort ist entweder adaptive Planung oder größere Öffnungen – größere Öffnungen verringern jedoch die Gleichmäßigkeit der Entladung (siehe Abschnitt 3.2 „Testen“). |
| 3 | 10 mm Höhenversatz: Rohr vs. Trichterboden | Aufgrund der damaligen Baunormen liegt das Schlammabzugsrohr 10 mm über dem Trichterboden. In diesem Totraum unterhalb des Rohres sammelt sich im Laufe der Betriebsjahre Sand an. | Hierbei handelt es sich um ein physikalisches Designproblem, das durch keine noch so große betriebliche Anpassung behoben werden kann. Nur eine Nachrüstung mit Bodenreinigungsrührwerk kann Abhilfe schaffen. |
| 4 | Fremdkörper und alte Rohrfragmente | Nach längerer Einwirkung von Chemikalien und Sonnenlicht altern Teile des Röhrenabscheidermediums, reißen und geben Kunststofffragmente in die Schlammzone ab. Diese Fragmente verstopfen die Körperöffnungen. | Auch eine physikalische Ursache, die jedoch die Bedeutung der Auswahl UV-stabilisierter Medienmaterialien für Außeninstallationen unterstreicht. |
Die Ursachen Nr. 1 und Nr. 2 sind betrieblicher Natur – sie können durch ein besseres Schlammmanagement angegangen werden. Die Ursachen Nr. 3 und Nr. 4 sind im physischen Design und in der Materialauswahl verankert. Die Nachrüstung musste alle vier gleichzeitig angehen.
Die Nachrüstlösung: Luft-Wasser-Rührung
Das Prinzip: Druckluft trifft auf Wasser
Das Kernkonzept ist elegant schlicht. Perforierte Rohre werden am Tankboden verlegt und an ein externes Gebläse angeschlossen. Durch die Öffnungen injizierte Druckluft kollidiert mit Wassermolekülen und erzeugt Hochgeschwindigkeitsturbulenzen im Tank. Dies bewirkt drei Dinge gleichzeitig:
1. Aufregung.Durch die Luft-Wasser-Kollision wird die verdichtete Schlammschicht aufgebrochen – die „Überbrückung“, die der statische Wasserdruck nicht überwinden kann. Abgesetzte Feststoffe werden mit dem Wasser resuspendiert und homogenisiert und dann als fließfähige Aufschlämmung ausgetragen.
2. Sauerstoffversorgung.Der in der Druckluft enthaltene Sauerstoff kommt in engen Kontakt mit dem Wasser und sorgt so für eine Oxidationskapazität. Dies ist besonders wertvoll bei der Behandlung organischer Stoffe im abgesetzten Schlamm und schafft eine Umgebung, die für anaerobe Organismen feindlich ist.
3. Kontaktumgebung.Die Turbulenzen fördern den Kontakt zwischen organischen, anorganischen Stoffen und gelöstem Sauerstoff und begünstigen so die oxidative Zersetzung des angesammelten organischen Materials – genau der Substanz, die rote Würmer und Chironomidenlarven ernährt.
Kurz gesagt: Das Gerät bewegt nicht nur Schlamm – es macht die Schlammzone aktiv feindlich gegenüber den Organismen, die Beschwerden über die Wasserqualität verursachen. Dieser doppelte Mechanismus (physikalische Entfernung + biologische Unterdrückung) macht die Nachrüstung effektiver als die einfache Zugabe weiterer Chemikalien oder die Verkürzung des Reinigungszyklus.
Technisches Design
3.1 Anordnung und Materialauswahl der Luftleitung
Der Rohrabscheider arbeitet nach einem Aufwärtsströmungsmuster: Mit Gerinnungsmittel dosiertes Rohwasser gelangt durch eine Rektifikationsplatte in die Verteilungszone, fließt durch die geneigten Rohre nach oben (wo sich Feststoffe schnell abscheiden) und tritt als geklärtes Wasser durch die Auffangwanne oben aus. Abgesetzte Feststoffe rutschen an den 60-Grad-Rohrwänden entlang in die Schlammansammlungszone. Am unteren Ende dieser Zone liegen die vorhandenen perforierten Schlammrohre.
Bei der Nachrüstung wird eine Schleife aus perforierten Belüftungsrohren hinzugefügt, die neben den vorhandenen Schlammrohren verlegt werden. Für die Belüftungsrohre wurden zwei Materialien bewertet:
| Material | Vorteile | Fataler Fehler |
| Edelstahl | Hohe mechanische Festigkeit, Hitzebeständigkeit | Längerer Kontakt mit chemisch behandeltem Wasser führt zu innerer Oxidation und Korrosion. Aus dem Rohrinneren abgelöste Oxidflocken führen zusammen mit dem im Betrieb abgelagerten Sand zu einer erneuten Verstopfung der Öffnungen. Genau das Problem, das mit der Nachrüstung gelöst werden soll. |
| Einzigartiger Kunststoff (PVC) | Geringeres Gewicht, glattere Innenoberfläche (geringerer Reibungskoeffizient), korrosionsbeständig, geringere Kosten | Keine identifiziertfür diese Anwendung. Als endgültiges Material ausgewählt. |
3.1 Berechnung des Rohrdurchmessers: GOLAN Slug-Flow-Methode
Der Rohrdurchmesser wurde mithilfe der GOLAN-Flow-Pattern-Grenze-Methode berechnet, wie von Gu Xiaojuan für die Auslegung des Steigrohrdurchmessers empfohlen. GOLAN klassifiziert Lufttransportströmungsmuster in vier Regime:Schwallströmung, Blasenströmung, Pfropfenströmung und Ringströmung. Unter diesen liefert die Schwallströmung die höchste Lufthebeeffizienz – sie ist der Zielbereich für die Gestaltung von Schlammableitungssystemen.
Der Rohrdurchmesser wird aus der Schwallströmungs-Grenzgleichung abgeleitet. Die Oberflächengeschwindigkeit von Druckluft (Vg) und die Oberflächengeschwindigkeit der angehobenen Flüssigkeit (Vl) werden unter Verwendung der Gleichungen (1) bis (4) berechnet, gefolgt von korrigierten Werten Vg* und Vl* nach der Komprimierung:
Basierend auf der tatsächlichen Durchflussrate der geförderten Flüssigkeit und dem Lufteinlassvolumen wurde der Durchmesserbereich des Steigrohrs berechnet. Die endgültige Auswahl:DN110 mmUndDN50 mmRohre, die durch eine Reduzierkupplung verbunden sind, um die Druckdifferenz im gesamten System zu erhöhen. Die Anzahl der Öffnungen wurde aus dem Luftvolumen, der Luftgeschwindigkeit und der Öffnungsquerschnittsfläche abgeleitet, um die Öffnungen pro Meter Rohr zu berechnen.
3.2 Luft-Wasser-Schlammaustragsoptimierung
Die Luftversorgung erfolgt über ein Roots-Gebläse – zwei Einheiten, eine im Betrieb und eine im Standby-Modus. Die Rohrleitungen verlaufen entlang der Absetzbeckenwand, teilen sich oberhalb des Flockungstankkorridors in zwei Zweige und reichen in einer Schleifenanordnung bis zum Tankboden. Das Hauptrohr ist DN110 mm und leitet Druckluft0.16 MPa. Neben dem ursprünglichen Schlammrohr wird ein Hilfsrohr DN50 mm mit gleichmäßig verteilten Belüftungslöchern verlegt. Der Rührzyklus beginnt, wenn der Wasserstand auf unter sinkt0,2 m unterhalb der Auffangwanne.
Eine kritische Designvariable istÖffnungsdurchmesser. Aus der Forschungsliteratur geht hervor, dass die Leistung des Schlammabzugs perforierter Luftheberohre durch den Öffnungsdurchmesser, die Luftströmungsrate und das Eintauchverhältnis bestimmt wird. Die Schlammaustragsmenge und -effizienz korrelieren positiv mit dem Öffnungsdurchmesser und dem Eintauchverhältnis. Es gibt jedoch einen Kompromiss: Größere Öffnungen erhöhen den GesamtdurchsatzReduzieren Sie die Gleichmäßigkeit der Entladung, da der Reibungswiderstand mit der Entfernung vom Steigrohr zunimmt – Öffnungen in der Nähe des Steigrohraustrags sind größer, Öffnungen weit vom Steigrohraustrag entfernt weniger und die Schlammansammlung ist ungleichmäßig.
Das Projektteam führte einen Feldtest durch, bei dem drei Öffnungsdurchmesser verglichen wurden. Die Ergebnisse legten den Entwurf fest:
| Öffnungs-∅ | Verhältnis der offenen Fläche | Gleichmäßigkeit des Schlammabflusses | Ergebnis |
| 5 mm | Größte (höchstes Verhältnis) | Am schlimmsten ist, dass sich Schlamm in der Nähe des Steigrohrs ansammelt | Abgelehnt |
| 4 mm | Medium | Mäßig | Akzeptabel, suboptimal |
| 3 mm | Kleinstes (niedrigstes Verhältnis) | Am besten – einheitlich über alle Positionen hinweg | ✓ Ausgewählt |
Der kontraintuitive Befund:Kleinere Öffnungen sorgen für einen gleichmäßigeren Schlammaustrag. Der Grund dafür ist, dass das Verhältnis der offenen Fläche mit dem Durchmesser der Öffnung variiert und die Gleichmäßigkeit des Schlammaustrags negativ damit korreliert. Größere Öffnungen bedeuten ein größeres Öffnungsflächenverhältnis, was bedeutet, dass der Druckgradient entlang des Rohrs steiler ist, was bedeutet, dass Öffnungen in der Nähe des Steigrohrs die Strömung beeinträchtigen. Die 3-mm-Öffnungen sorgen für eine gleichmäßigere Luftverteilung über alle Positionen.
Endgültige Installationsparameter nach der Optimierung:
| Parameter | Wert |
| Gebläse | ZSR-100 Roots-Gebläse, 15 kW (2 Einheiten, 1 Betrieb + 1 Standby) |
| Hauptrohr | DN110 mm, Länge 6,6 m |
| Hilfsrohr | DN50 mm, Länge 3,7 m |
| Rohrdruckbewertung | 1.6 MPa |
| Öffnungsdurchmesser | 3 mm |
| Öffnungsabstand | 30 mm von Mitte zu Mitte |
| Öffnungswinkel | 45 Grad auf beiden Seiten der unteren Mittellinie – zur Erhöhung der Bodenreinigungsintensität |
| Position der Öffnung | Zwischen den beiden Reihen vorhandener Schlammrohre |
| Gebläseschutz | Die installierte Schutzabdeckung verlängert die Lebensdauer und gewährleistet einen stabilen Betrieb im Freien |
SPS-Steuerung und Automatisierung
3.3 Automatische Entleerungssequenz
Die Nachrüstung umfasst ein SPS-basiertes automatisches Steuerungssystem, das die Abhängigkeit vom Bediener beseitigt. Der programmierte Ablauf läuft wie folgt ab:
Schritt 1:Entleerungszyklus-Timer löst aus →Schritt 2:Roots-Gebläse startet →Schritt 3:Gebläse setzt Rohrleitung unter Druck, erzeugt Vakuum →Schritt 4:Magnetventil öffnet →Schritt 5:Im Abluftrohr bildet sich Vakuum →Schritt 6:Luft wird durch Öffnungen abgeführt →Schritt 7:Wasser-Schlamm-Gemisch wird gerührt und homogenisiert →Schritt 8:Die Entleerung erfolgt →Schritt 9:Entleerung abgeschlossen, Vakuumweg unterbrochen →Schritt 10:Das System geht der Reihe nach zum nächsten Tank über
Das System verwaltet10 Sätze Schlammaustragsvorrichtungen. Jedes Schlammablassventil wird durch ein Vierwege-Magnetventil mit zwei Positionen und einer Ein-Antrieb-Zwei-Steuerungsmethode gesteuert. Die Entladezeit pro Ventil ist auf eingestellt120 Sekunden, mit einer Verzögerung von 1 Sekunde zwischen Ventilen in derselben Gruppe und einer Intervallverzögerung von 10 Sekunden zwischen Gruppen. Die Ventile bestehen ausEdelstahl 304um der korrosiven Installationsumgebung im Freien zu widerstehen.
Da die beiden Seiten des Absetzbehälters nur separat entleert werden können (eine Einschränkung des ursprünglichen Entwurfs von 1998), wurde über dem Absetzbehälter eine elektrische Absperrklappe mit DN10 mm installiert, um das Luftauslassrohr über ein Reduzier-T-Stück in zwei Zweige aufzuteilen. Der Steuerkreis des Magnetventils ist in Abbildung 2 dargestellt.
Sicherheits- und Alarmfunktionen
Das SPS-Programm umfasst Produktionssicherheitsfunktionen, die auf der Grundlage der Betriebserfahrung der Anlage entwickelt wurden:
| Besonderheit | Beschreibung |
| Sprachansage beim Start | 5 Sekunden langer Piepton, wenn die automatische Entleerung beginnt, um den Bediener darauf aufmerksam zu machen, den Vorgang zu inspizieren und zu überwachen |
| Störungsalarm | Wenn der Vakuumweg nicht normal ist oder das Gebläse ausfällt, ändert sich die Sprachansage in kurze, schnelle Pieptöne. Ein Alarm wird an den zentralen Kontrollraum gesendet und das Bedienfeld vor Ort zeigt den Alarminhalt oder den Fehlercode an. |
| Zwangsentleerung | Wenn aufgrund einer abnormalen Wasserqualität eine Notentleerung erforderlich ist, kann das automatische System über eine spezielle Taste „Zwangsentleerung“ sofort aktiviert werden. |
| Nothalt | Während der automatischen Entleerung kann der Vorgang jederzeit durch Drücken der Taste „Entleerung stoppen“ unterbrochen werden. |
Wartungsregime
Das Werk hat ein zweistufiges Wartungsprogramm eingeführt:
Tägliche Routinekontrolle:Stellen Sie sicher, dass Luftstrom und Druck den Prozessanforderungen entsprechen. Überprüfen Sie die Rohrleitungen auf hörbare Lecks. Überprüfen Sie die Betriebstemperatur des Gebläses.
Regelmäßige Inspektion:Detaillierter Wartungsplan für das Luftversorgungssystem, die Rohrleitungen und die Ventile. Analysieren Sie historische Fehlerursachen und lassen Sie die gewonnenen Erkenntnisse in die Betriebsabläufe einfließen. Organisieren Sie technische Schulungen für relevantes Personal. Führen Sie unangekündigte Stichprobenkontrollen zur Gleichmäßigkeit des Schlammaustrags durch.
Ergebnisse und ROI
Nach einer vollständigen Betriebszeit nach der Umrüstung verzeichnete die Anlage drei quantifizierte Verbesserungen:
| -20% Häufigkeit der Entleerung |
-12% Kosten für chemisches Einweichen |
-15% Arbeitseinsatz |
Abgesehen von den Zahlen hat die Nachrüstung ihr primäres Betriebsziel erreicht:Die durch Rotwürmer und Chironomidenlarven verursachten sommerlichen Wasserqualitätsanomalien wurden beseitigt. Der Luft-Wasser-Bewegungs- und Sauerstoffanreicherungsmechanismus unterdrückte die anaerobe Mikroumgebung, in der sich diese Organismen vermehren. Die Anlage meldete außerdem eine geringere Oberflächenbelastung des Absetzers (es sammelte sich zwischen den Zyklen kein Schlamm mehr an) und einen geringeren Wasserverbrauch für Reinigungsvorgänge.
Nächster Verbesserungsschritt identifiziert
Das Projektteam begnügte sich jedoch nicht mit der Nachrüstung. Bei der Post-Retrofit-Analyse wurden zwei Bereiche für weitere Verbesserungen identifiziert:
1. Geometrie des Bodentrichters.Der vorhandene Stahlbetontrichter könnte durch vorgefertigte Terrazzoplatten aufgerüstet und mechanisch poliert werden, um den Gleitreibungswinkel und den Neigungswinkel zu erhöhen. Wenn die Gleitkraft durch Schwerkraft den Strömungswiderstand übersteigt, gleitet der angesammelte Schlamm ohne mechanische Hilfe sanft in den Hauptschlammtrichter. Dies würde die Abhängigkeit vom Luftrührsystem weiter verringern und einen selteneren Betrieb ermöglichen.
2. Online-Überwachung.Durch die Installation von Ultraschall-Füllstandsmessern und Schlammkonzentrationsmessern entlang des Fließwegs der Ausrüstung würden Echtzeitdaten (Schlammkonzentration, Wasserstand) an die Überwachungsstation übermittelt. Die SPS könnte dann die Betriebsparameter – Schlammaustragsmenge, Rückspülintervall und Rührdauer – dynamisch anpassen, basierend auf tatsächlichen Bedingungen und nicht auf festen Zeitplänen. Dies geht von der zeitbasierten zur zustandsbasierten Wartung über, dem Goldstandard für automatisierte Kläranlagen.
Was das für Ihre Anlage bedeutet
Diese Fallstudie zeigt, dass die Luft-Wasser-Rühr- und Entleerungstechnologie kein theoretisches Konzept ist – es handelt sich um eine bewährte Nachrüstung mit quantifizierter Amortisation in mehreren Dimensionen: Betrieb (weniger Reinigungszyklen), Chemie (geringerer Verbrauch) und Arbeit (weniger manuelle Eingriffe). Der gleiche Ansatz kann auf geneigte Rohrabscheider in der chemischen Verarbeitung, in pharmazeutischen Abwässern, in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie in Umweltschutzanwendungen angewendet werden.
Die Frage ist, ob das Schlammaustragssystem Ihres Rohrabscheiders wie vorgesehen funktioniert. Wenn bei Ihnen eines der folgenden Ereignisse auftritt:
•Schlammüberbrückung erfordert manuelles Eingreifen
•Saisonale Verschlechterung der Wasserqualität aufgrund der Schlammansammlung
•Rote Würmer oder Chironomidenlarven im abgesetzten Wasser während der warmen Monate
•Perforierte Rohröffnungen, die häufig gereinigt werden müssen
•Steigender Chemikalienverbrauch für Reinigungszyklen
...dann lohnt es sich, die Nachrüstung der Luft-Wasser-Rühranlage für Ihre Anlage in Betracht zu ziehen. Die Technik ist ausgereift, die Amortisation ist dokumentiert und die Nachrüstung erfolgt ohne Änderung der bestehenden Tankstruktur.
Ganz gleich, ob Sie eine bestehende Anlage aufrüsten oder ein neues System entwerfen, Juntai bietet komplette Rohrabscheiderlösungen – von UV-stabilisierten PP/PVC-Medien bis hin zu Stützrahmen und technischen Größen. Senden Sie uns innerhalb von 24 Stunden Ihre Beckenabmessungen und Betriebsbedingungen für eine kostenlose Systemempfehlung.
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