Wie ein horizontaler Strömungsabschnitt die Trübung des abgesetzten Wassers von 6,15 auf 1,3 NTU senkte – Fallstudie zur Nachrüstung eines Rohrabscheiders im Originalmaßstab

Ein 1989 erbautes Kreiswasserwerk. Fünf Monate im Jahr Rohwasser bei 0–5 Grad. Ein Behandlungszug, der 3 NTU nicht durchbrechen konnte.Die Ingenieure der Anlage nahmen eine strukturelle Änderung an ihrem Schrägrohrabscheider vor – sie fügten einen horizontalen Strömungsrektifikationsabschnitt hinzu, der nur ein Drittel der Tanklänge einnahm – und beobachteten, wie die Trübung des abgesetzten Wassers von 6,15 NTU auf sankunter 2 NTU innerhalb von 72 Stunden nach dem Start. Drei Jahre später funktionierte das System immer noch1,3 NTU-Durchschnittohne jegliche Modifikation der Panzerhülle. Wenn Sie einen Schrägrohrabscheider betreiben, der in kaltem Wasser keine gute Leistung erbringt oder mit Stoßbelastungen zu kämpfen hat, zeigt diese Fallstudie genau, wie die Lösung funktioniert – und warum sie einfacher ist, als Sie denken.

Die Herausforderung: Neue Standards, alte Anlage, kaltes Wasser

Wenn weniger als oder gleich 1 NTU das Gesetz ist und Ihre Anlage für weniger als oder gleich 3 NTU gebaut wurde

Das Kreiswasserwerk liegt im Norden von Shaanxi, einer Region, in der die Wassertemperaturen im Winter regelmäßig sinken0–5 Gradund die Trübung des Rohwassers schwankt je nach Jahreszeit zwischen 15 und 77 NTU. Die Anlage wurde 1989 mit einem konventionellen Verfahren in Betrieb genommen: Faltplattenflockung, Schrägrohrsedimentation und Schwerkraftfilter ohne Ventil. Zwei parallele Züge mit jeweils 6.000 m³/Tag und einer Gesamtkapazität von 12.000 m³/Tag. Zwei Jahrzehnte lang war das ausreichend. Das fertige Wasser lag bei etwa 3 NTU – akzeptabel nach dem alten Standard.

Dann änderten sich die Vorschriften. Die neuen Trinkwasserhygienestandards haben die Messlatte von weniger als oder gleich 3 NTU auf erhöhtKleiner oder gleich 1 NTU. Der bestehende Prozess konnte diese Lücke nicht schließen. Das Wasserwerk stand vor einer Entscheidung, vor der jedes alternde Werk irgendwann stehen muss:abreißen und neu aufbauen oder innerhalb der bestehenden Grundfläche nachrüsten. Letzteres war die einzig realistische Option. Die Aufbereitungsanlagen wurden zur Wärmedämmung in Innenräumen untergebracht – eine Notwendigkeit im Klima im Norden von Shaanxi, wo Außentanks gefrieren würden. Mauern einzureißen, um zu expandieren, kam nicht in Frage. Sie mussten dafür sorgen, dass das, was sie hatten, besser funktionierte.

Das Ziel: Steigerung der Einzelzugkapazität von 6.000 m³/d auf10,000 m³/d(Gesamtanlagenleistung: 16.000 m³/Tag), wobei die Trübung des abgesetzten Wassers konstant unter 3 NTU liegt, um den Filtern eine Chance zu geben, den Endwasserbedarf von weniger als oder gleich 1 NTU zu bewältigen.

Die Retrofit-Strategie: Drei Upgrades, ein Prinzip

Das Ingenieurteam hat die Panzerhülle nicht berührt. Sie änderten den darin enthaltenen Prozess und wandelten die alte „Flockung mit gefalteten Platten + Sedimentation mit geneigten Rohren + Filter ohne Schwerkraftfilter“ um„Kontaktflockung + verbesserter Schrägrohrabscheider + Schwerkraftfilter ohne Ventil“. Drei Upgrades trieben die Transformation voran:

1. Mehrrohrmischer ersetzt den statischen Rohrmischer

Der ursprüngliche statische Rohrmischer hat eines getan: Er hat gemischt. Der Ersatz-Mehrrohrmischer erledigt drei Dinge gleichzeitig:Schneid- und Spaltstrom, umgekehrter Rückfluss und schnelles Mischen. Beim Durchströmen von Wasser durch die Mehrrohrgeometrie bilden sich an der Rohrwandgrenzschicht hochfrequente Wirbelströme. Diese Wirbel erzeugen Mikrozonen mit intensiver Scherung, die das Koagulationsmittel innerhalb von Sekunden gleichmäßig über den gesamten Strömungsquerschnitt verteilen. Die gemessene Mischeffizienz übertrifft94%, und der Druckverlust ist geringer als beim ursprünglichen statischen Mischer – eine ungewöhnliche Kombination, die eine bessere Durchmischung bei weniger Energie bedeutet.

Der praktische Nutzen:20–30 % Chemikalieneinsparungim Vergleich zum Originalmischer mit besserer Anpassungsfähigkeit an Schwankungen der Durchflussmenge und der Wasserqualität. Für eine Anlage, in der die Rohwassertrübung saisonal zwischen 15 und 77 NTU schwankt, ist diese Anpassungsfähigkeit wichtig.

2. Die Gitterflockung mit sternförmigen Schaufeln ersetzt die Flockung mit gefalteten Platten

Bei der Flockung mit gefalteten Platten wird Wasser durch einen schlangenförmigen Pfad zwischen parallelen Platten gedrückt. Es erzeugt Turbulenzen, aber nicht die richtige Art. Das verbesserte Design verwendetsternförmige Flügelsenkrecht zur Strömungsrichtung in Gitterfächern montiert. Diese Flügel erzeugen hochfrequente Mikrowirbel – Turbulenzen in einem Ausmaß, das die Partikelkollision fördert, ohne bereits gebildete Flocken auseinanderzuscheren.

Der Flockungsbehälter ist unterteilt in11 Fächerüber zwei Reaktionsstufen. Stufe 1: 8 Fächer à 1,5 m × 1,5 m, 8,95 Minuten Retention. Stufe 2: 3 Fächer à 1,5 m × 2,0 m, 4,48 Minuten Retention. Gesamte hydraulische Verweilzeit:13,43 Minutenbei einem GT-Wert von 1,7 × 10⁴. Das zweistufige Design erzeugt dichtere, scherbeständigere Flocken als die einstufige Flockung – ein entscheidender Vorteil, wenn diese Flocken später in die Verteilungszone des Rohrabscheiders gelangen, wo übermäßige Turbulenzen sie auseinanderbrechen würden.

3. Die wichtigste Innovation: Horizontaler Strömungsgleichrichtungsabschnitt vor dem Rohrabscheider

Hier weicht die Nachrüstung von der gängigen Praxis ab und es konnte der größte Leistungsgewinn erzielt werden. Ein herkömmlicher Absetzer mit geneigtem Rohr erhält Wasser direkt vom Auslass des Flockungstanks. Der Übergang erfolgt abrupt: Wasser geht von einem turbulenten Mischströmungsregime in ein laminares Absetzregime ohne Zwischenkonditionierung über. Das Ergebnis istungleichmäßige Strömungsverteilungüber das Rohrbündel. Einige Kanäle sehen hohe Geschwindigkeiten und spülen Flocken direkt durch. Andere sehen eine niedrige Geschwindigkeit und sammeln Schlamm an. Beide Bedingungen verschlechtern die Abwasserqualität.

Durch die Nachrüstung wurden zwei Elemente hinzugefügt, die dieses Problem lösen:

Ein untergetauchtes Wehr am Auslass des Flockungstanks.Anstatt das Wasser direkt in die Verteilungszone zu leiten, fließt es zunächst über ein untergetauchtes Wehr, das als Strömungsgleichrichter fungiert. Dadurch werden Geschwindigkeitsgefälle geglättet und große Turbulenzen abgebaut, bevor das Wasser in den Absetzbehälter gelangt.

Ein horizontaler Strömungsabschnitt, der 1/3 der gesamten Tanklänge (24 m²) einnimmt.Das ist die Innovation. Nach dem Überqueren des Wehrs gelangt das Wasser in eine horizontale Fließzone, bevor es durch die geneigten Rohre aufsteigt. Leitwände sowohl im horizontalen Abschnitt als auch im geneigten Rohrabschnitt steuern den Strömungsweg. Die horizontale Zone erfüllt drei Funktionen gleichzeitig: Sie reduziert die horizontale Strömungsgeschwindigkeit auf12,73 mm/s(innerhalb des 10–18 mm/s-Fensters, das laut Untersuchungen für eine stabile Sedimentation entscheidend ist), bietet es zusätzliche Absetzzeit für größere Flocken und fungiert als hydraulischer Puffer, der Strömungsschwankungen absorbiert, bevor sie das Rohrbündel erreichen.

Die Verteilerwand am Ende des Übergangsabschnitts nutztPerforationen mit größerem Abstand oben und engerem Abstand unten. Diese kontraintuitive Anordnung ist bewusst: Sie kompensiert die natürliche Tendenz des Wassers, zum oberen Ende der Verteilungszone hin einen Kurzschluss zu bilden, und erzwingt so eine gleichmäßigere vertikale Strömungsverteilung über die gesamte Höhe des Rohrbündels.

Warum der horizontale Strömungsabschnitt funktioniert: Die technische Begründung

Das Problem bei herkömmlichen Schrägrohrabscheidern sind nicht die Rohre selbst. Es ist das, was passiertbevor das Wasser sie erreicht. Die Forschung hat vier Parameter identifiziert, die die Gleichmäßigkeit der Strömungsverteilung in Röhrenabscheidern steuern: das Verhältnis von Länge zu Breite des Tanks (L/B), die Oberflächenbeladungsrate (q), der Röhrendurchmesser (D) und die Höhe der Verteilungszone unter den Röhren.

Von diesen,Den größten Einfluss haben das L/B-Verhältnis und die Flächenbelastung (q).. Mit zunehmendem L/B-Verhältnis wird die Strömungsverteilung ungleichmäßiger und die kritische Absetzgeschwindigkeit – die Mindestgeschwindigkeit, mit der sich ein Partikel einer bestimmten Größe absetzt – steigt. Die Oberflächenbelastung (q) ist ungefähr proportional zur kritischen Absetzgeschwindigkeit: Drücken Sie mehr Strömung durch denselben Bereich, und Sie benötigen eine höhere Absetzgeschwindigkeit, um dieselben Partikel einzufangen. Beide Effekte wirken sich negativ auf die Abwasserqualität aus.

Herkömmliche Röhrenabscheider leiden auch unter dem Problem der perforierten Wände. Um eine gleichmäßige Verteilung zu erreichen, benötigt die Lochwand am Einlauf kleinere Öffnungen als ein horizontal durchströmtes Sedimentationsbecken – das heißthöhere Öffnungsgeschwindigkeiten. Hochgeschwindigkeitsstrahlen durch diese Öffnungen brechen Flocken auf, die der Flockungstank gerade 13 Minuten lang gebildet hat. Schlimmer noch: Die Düsen können abgestorbenen Schlamm, der sich am Boden der Verteilungszone ablagert, aufwirbeln und bereits abgesetzte Feststoffe wieder suspendieren.

Der horizontale Strömungsabschnitt löst diese Problemkette an der Wurzel. Durch das Hinzufügen von 1/3 der Tanklänge als horizontale Strömungszone vor den geneigten Rohren werden mit der Konstruktion vier Dinge erreicht:

Designparameter: Die Zahlen hinter der Nachrüstung

Der geneigte Rohrabschnitt nutztGegenstrom- Wasser steigt durch die Rohre nach oben, während Feststoffe entlang der 60-Grad-Neigung nach unten rutschen. Die Rohre bestehen aus Ethylen-Propylen-Copolymer (EPC) mit sechseckigen Wabenquerschnitten, 30 mm Durchmesser und 1 m Länge. EPC wurde aufgrund seiner überlegenen Leistung in kaltem Wasser gegenüber Standard-PVC oder PP gewählt: Es behält seine Flexibilität und Schlagfestigkeit bei Temperaturen bei, bei denen Hart-PVC spröde wird.

Für die Schlammsammlung werden große Schwerkrafttrichter verwendet, deren Gleitwinkel steiler ist als bei herkömmlichen kleinen Trichtern, wodurch eine gründliche Schlammentfernung mit minimalen lokalen Strömungsstörungen gewährleistet wird. Die Schlammablassventile sindmanuell-elektrischer Schnellöffnungstyp- eine praktische Wahl, bei der Zuverlässigkeit und einfache Wartung Vorrang vor vollständiger Automatisierung haben. Weniger Geräte, geringere Ausfallraten, geringere Kosten.

Ergebnisse: 4 NTU weniger in 3 Tagen, 1,3 NTU nach 3 Jahren

72-Stunden-Testlauf: Sofortiger Leistungsunterschied

Vom 15. bis 17. Oktober 2011 wurde ein dreitägiger kontinuierlicher Versuch durchgeführt, bei dem der Zufluss auf 100 °C kontrolliert wurde750 m³/h. Die Anlage beprobte während des gesamten Versuchs gleichzeitig Rohwasser, Abwasser aus dem unveränderten herkömmlichen Rohrabscheider (Parallelzug) und Abwasser aus dem verbesserten Rohrabscheider.

Die Ergebnisse waren eindeutig. Die Trübung des Abwassers des verbesserten Siedlers warmehr als 4 NTU niedrigerals das traditionelle Design an allen Probenahmepunkten. Der Abstand war konsistent und sofort vorhanden – keine Einlaufzeit, keine Abstimmung erforderlich. Die Abwasserqualität entsprach vom ersten Tag an den Designerwartungen und reduzierte die Filterbelastung stromabwärts erheblich.

TOC-Entfernung: 6,08 % Verbesserung gegenüber dem herkömmlichen Design

Trübung und organische Stoffe hängen im Oberflächenwasser eng zusammen – dieselben Partikel, die Licht streuen, tragen auch adsorbierte natürliche organische Stoffe (NOM). Während des Versuchs maß die Anlage den TOC im Abwasser beider Sedimentationsverfahren. Der TOC des Rohwassers war stabil2,5–3,0 mg/L.

Eine Verbesserung der TOC-Entfernung um 6 % mag bescheiden erscheinen, aber bei der Trinkwasseraufbereitung verringert die Entfernung organischer Stoffe in der Sedimentationsstufe direkt das Potenzial für die Bildung von Desinfektionsnebenprodukten (DBP) nachgelagert. Jedes Milligramm TOC, das vor der Chlorierung entfernt wird, ist ein Milligramm, das im Verteilungssystem keine Trihalomethane (THMs) oder Halogenessigsäuren (HAAs) bildet.

Drei-Jahres-Verifizierung: Die Zahlen gelten

Die Nachrüstung wurde am 15. April 2012 in Betrieb genommen. Im Laufe von drei Jahren Dauerbetrieb hat die Anlage regelmäßig Proben der Trübung des abgesetzten Wassers sowohl aus der nachgerüsteten Linie als auch aus der unveränderten Parallellinie genommen. Die Daten erzählen eine klare Geschichte der nachhaltigen Leistung:

Der durchschnittliche Wasserdurchschnitt von 1,3 NTU ist die Zahl, die am meisten zählt. Durch die Zufuhr von Wasser mit 1,3 NTU anstelle von 2,3 NTU zu den Filtern reduzierte der verbesserte Absetzer die Feststoffbelastung des Filters um ungefähr43%. Dies bedeutet längere Filterläufe zwischen den Rückspülungen, einen geringeren Rückspülwasserverbrauch und – was entscheidend ist – fertiges Wasser, das zuverlässig den Standard von weniger als oder gleich 1 NTU erfüllen kann. Ein Filter, der 2,3 NTU abgesetztes Wasser aufnimmt, hat nur sehr wenig Spielraum, um 1 NTU fertiges Wasser zu erreichen. Ein Filter, der 1,3 NTU abgesetztes Wasser aufnimmt, hat Platz zum Arbeiten.

Was das für Ihre Anlage bedeutet

Diese Fallstudie zeigt, dass ein leistungsschwacher Schrägrohrabscheider nicht ersetzt werden muss. Das Problem sind selten die Rohre selbst, sondern das, was in der Verteilungszone passiert, bevor das Wasser sie erreicht. Die Nachrüstprinzipien sind übertragbar:

1. Wenn die Trübung Ihres abgesetzten Wassers uneinheitlich ist, überprüfen Sie zunächst Ihre Durchflussverteilung.Eine ungleichmäßige Strömung über das Rohrbündel ist die häufigste Ursache für Leistungsschwankungen bei geneigten Rohrabscheidern. Ein untergetauchtes Wehr am Flockungsauslass und eine perforierte Verteilerwand mit abgestuften Lochabständen sind kostengünstige Lösungen, die dieses Problem an der Quelle beheben.

2. Wenn Sie kaltes Wasser aufbereiten (<5°C), add a horizontal flow section.Kaltes Wasser erzeugt schwache Flocken, die den Turbulenzen eines herkömmlichen Röhrenabscheidereinlasses nicht standhalten können. Der horizontale Strömungsabschnitt bietet eine Übergangszone mit niedriger Energie, in der sich diese fragilen Flocken absetzen können, ohne auseinandergeschert zu werden.

3. Wenn Ihre Rohwasserqualität saisonal schwankt, erhöhen Sie den Verteilungszonenpuffer.Die Fähigkeit des horizontalen Abschnitts, Stoßbelastungen zu absorbieren, ist kein „nice-to-have“ – sie macht den Unterschied zwischen stabilem Abwasser und saisonalen Beschwerden über die Wasserqualität aus. Die in diesem Projekt verwendete Aufteilung der Tanklänge auf 1/3 ist ein guter Ausgangspunkt für die Konstruktion.

4. Rohrmaterial ist in kalten Klimazonen wichtig.Die für dieses Projekt ausgewählten EPC-Schläuche behalten ihre Flexibilität bei Temperaturen, bei denen Hart-PVC spröde wird. Wenn Ihr Rohwasser über einen längeren Zeitraum unter 5 Grad fällt, besprechen Sie die Auswahl des Rohrmaterials mit Ihrem Lieferanten. Standard-PVC und PP haben unterschiedliche Leistungsbereiche bei niedrigen Temperaturen.

5. Eine Verbesserung der TOC-Entfernung um 6 % ist mehr wert, als es aussieht.Bei der Trinkwasseraufbereitung werden organische Stoffe vor der Desinfektion entfernt, wodurch das DBP-Bildungspotenzial eliminiert wird. Die TOC-Verbesserung um 6,08 % in der Sedimentationsstufe führt zu einer messbar geringeren THM- und HAA-Bildung stromabwärts – ein Vorteil bei der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften, der sich über die gesamte Lebensdauer der Anlage auswirkt.

Die hier beschriebene Nachrüstung erhöhte die Aufbereitungskapazität bei gleicher Tankfläche um 33 % (von 12.000 auf 16.000 m³/Tag) und verbesserte gleichzeitig die Abwasserqualität. Diese Kombination -mehr Wasser, besseres Wasser, dasselbe Gebäude- ist es, weshalb sich das Konzept der horizontalen Strömungsrektifizierung für jede veraltete Wasseraufbereitungsanlage, die strengeren Standards gegenübersteht, lohnenswert macht.