Grundlagen

Regenbecken

Grundlagen Regenbecken

Im Mischsystem wird das in Haushalten, Gewerbe und Industrie anfallende Abwasser (Schmutzwasser) zusammen mit dem Niederschlagswasser und dem unvermeidlichen Fremdwasser in einem Kanal gesammelt und abgeleitet. Bei Regen treten sehr hohe Abflüsse auf, die nicht vollständig in den Kläranlagen behandelt werden können. Daher sind Bauwerke nötig, an denen ein Teil dieser Abflüsse zwischengespeichert oder schadlos aus dem Kanalnetz überlaufen und in ein Gewässer eingeleitet werden kann.

Regenüberlauf

Das einfachste Bauwerk zur Drosselung und Abflussaufteilung ist der Regenüberlauf. Übersteigt der Zufluss zum Regenüberlauf den Drosselabfluss, wird der darüber hinausgehende Zufluss direkt in ein Gewässer entlastet. Das (geringe) Speichervolumen bleibt unberücksichtigt. Der kritische Mischwasserabfluss Q(krit) muss an Regenüberläufen in voller Höhe in Richtung der Kläranlage weitergeleitet werden. Zum Schutz der Gewässer muss in Baden Württemberg die in Q(krit) enthaltene kritische Regenspende r mit mindestens 15l/(s · ha), bei besonders empfindlichen Gewässern mit bis zu 45 l/(s · ha) angesetzt werden.
Die Entlastungshäufigkeit eines Regenüberlaufs liegt etwa zwischen 5 bis 20 mal pro Jahr (Faustwerte).

Regenüberlaufbecken

Auch Regenüberlaufbecken haben die grundsätzliche Funktion den weitergeführten Abfluss in Richtung der Kläranlage zu begrenzen. Sie werden an Stellen angeordnet, an denen der kritische Mischwasserabfluss Q(krit) nicht wie bei einem Regenüberlauf in voller Höhe in Richtung der Kläranlage weitergeleitet werden soll oder darf. Dies trifft zum Beispiel auf die letzte Entlastungsanlage vor der Kläranlage zu. Spätestens hier muss der Abfluss auf den Bemessungszufluss Q zur Kläranlage gedrosselt werden. Dieser Wert ist allerdings deutlich niedriger als Q(m). Abflüsse, die Q überschreiten, werden deshalb zunächst in Regenüberlaufbecken zwischengespeichert. Erst nach Vollfüllung des Beckens wird in ein Gewässer entlastet. Nach Regenende wird der Inhalt des Beckens gedrosselt in den weiterführenden Kanal in Richtung der Kläranlage weitergeleitet. Die Entlastungshäufigkeit von Regenüberlaufbecken liegt etwa zwischen 18 bis 36 mal pro Jahr (Faustwerte).

Arten von Regenüberlaufbecken

Je nach Bauform geht das Wirkprinzip von Regenüberlaufbecken über die reine Zwischenspeicherung hinaus. Dafür sind Regenüberlaufbecken in Form von Fangbecken oder in Form von Durchlaufbecken zu unterscheiden.

  • Fangbecken werden angeordnet, wenn mit einem ausgeprägten Spülstoß aus dem Einzugsgebiet zu rechnen ist. Dies trifft in der Regel auf kleine Einzugsgebiete (bis 20 ha, A) mit kurzen Fließzeiten (bis zu ca. 15 min) zu. Es speichert die stark verschmutzten Abflussanteile zu Beginn eines Regenereignisses. Nach Regenende wird der gesamte Inhalt der Speicherkammer gedrosselt in Richtung der Kläranlage weitergeleitet. Wird während eines Regenereignisses die Speicherkapazität des Beckens überschritten, wird ein Teil des Zuflusses über den Beckenüberlauf in ein Gewässer entlastet. Durch die Anordnung des Beckenüberlaufs im Zulaufbereich wird das zu entlastende Mischwasser nicht mit dem stärker verschmutzten im Becken durchmischt. Durchlaufbecken werden für größere Einzugsgebiete vorgesehen, aus denen kein ausgeprägter Spülstoß, sondern eine gleichmäßigere Verschmutzungskonzentration zu erwarten ist.

  • In Durchlaufbecken wird das Mischwasser nicht nur zwischengespeichert, sondern ein Teil durch Absetzen (Sedimentation)
    mechanisch vorgereinigt. Um das mechanisch vorgereinigte Mischwasser in das Gewässer abzuleiten, besitzen Durchlaufbecken zusätzlich zum Beckenüberlauf einen gedrosselten Klärüberlauf. Die Drosselung dient dazu, den Zufluss zum Becken zu begrenzen, damit eine ausreichende Aufenthaltszeit für den Absetzvorgang gewährleistet wird. Außerdem sollen bereits abgesetzte Stoffe nicht wieder aufgewirbelt werden. Der Beckenüberlauf dient (wie beim Fangbecken) der direkten Entlastung in das Gewässer nach der Beckenfüllung. Er ist grundsätzlich höher angeordnet als der Klärüberlauf und entlastet nur sehr selten. Eine Kombination aus Fang- und Durchlaufbecken ist das Verbundbecken. Es besitzt sowohl einen Fang- also auch einen Klärteil. Zu Beginn eines Regenereignisses wird das ankommende Mischwasser mit dem stark verschmutzten Spülstoß im Fangteil gespeichert. Nach der Füllung des Fangteils durchfließt das dann ankommende, weniger verschmutzte Mischwasser den Klärteil und wird dabei mechanisch gereinigt und schließlich über den Klärüberlauf ins Gewässer geleitet. Eine andere Form von Speicherbauwerken sind die Stauraumkanäle. In der Regel handelt es sich um Rohrleitungen mit großem Durchmesser. Sie werden nach der Anordnung der Entlastung unterschieden. Stauraumkanäle mit obenliegender Entlastung (SKO) wirken wie Fangbecken im Hauptschluss. Daneben gibt es auch Stauraumkanäle mit untenliegender Entlastung (SKU). Bei ihnen besteht allerdings eine erhöhte Gefahr, dass bei Starkregenereignissen abgesetzte und wieder aufgewirbelte Stoffe in das Gewässer entlastet werden.

Anordnung der Regenüberlaufbecken

Anordnung von Regenüberlaufbecken Regenüberlaufbecken können sowohl im Hauptschluss als auch im Nebenschluss angeordnet werden. Beim Hauptschluss durchfließt der Trockenwetterabfluss das Becken. Übersteigt bei Regenwetter der Zufluss zum Becken den maximalen Abfluss durch die Drossel, beginnt sich das Becken zu füllen. Die Beckenkammer und das Kanalnetz füllen und entleeren sich zeitgleich. Dies wird als hydraulische Kopplung bezeichnet.

Beim Nebenschluss wird der Trockenwetterabfluss durch ein Trennbauwerk am Becken vorbeigeführt. Erst ein Regenereignis führt durch Rückstau und der dadurch hervorgerufenen Wasserspiegelerhöhung im Trennbauwerk zu einem Überlauf von Mischwasser in das Becken. Nach Regenende muss zunächst der Wasserspiegel im Kanalnetz sinken, bevor das Becken entleert wird. Das Becken füllt und entleert sich somit zeitversetzt zum Kanalnetz. Es liegt eine hydraulische Entkopplung vor. Beim unechten Nebenschluss sind Kanalnetz und Becken zeitweise gekoppelt und zeitweise entkoppelt. Das ist zum Beispiel dann der Fall, wenn die Trennbauwerksschwelle wesentlich niedriger als der Klär- bzw. Beckenüberlauf ist.

Bauformen und Bauwerkskomponenten

Bauformen

Die Bau- und Beckenformen von Regenüberlaufbecken lassen sich grundsätzlich unterteilen in:

  • offene oder geschlossene Becken
  • Rund-, Rechteckbecken oder Stauraumkanäle

Regenüberlaufbecken werden in der Regel als Massivbecken in Stahlbetonbauweise ausgeführt. Seltener gibt es auch Ausführungen in Stahl, Edelstahl oder Kunststoff.

Offene und geschlossene Becken

Vorteile offener Regenüberlaufbecken:

  • wirtschaftlicher zu bauen und zu betreiben
  • wartungs- und reinigungsfreundlicher
  • die Unfallgefahr für das Betriebspersonal ist geringer

Vorteile geschlossener Regenüberlaufbecken:

  • insgesamt geringerer Flächenbedarf
  • Geringere Gefahr von Vandalismus
  • Anderweitige Nutzung des Grundstücks möglich
  • Keine Umzäunung notwendig

  • Geringere Materialbeanspruchung durch Temperaturschwankungen

  • Rundbecken

Rundbecken werden in der Regel mit einem sohlnahen tangentialen Einlauf ausgestattet. Der Beckenablauf befindet sich in oder nahe der Beckenmitte. Der tangentiale Einlauf bewirkt in der runden Speicherkammer eine Drehströmung. Durch die Abtrennung absetzbarer Stoffe und den Transport zur Beckenmitte wird die Selbstreinigung der Becken begünstigt. Trotzdem wird bei größeren Abmessungen der Einsatz von starren Rührwerken empfohlen.

Die tangential angeströmten Rundbecken werden unterschieden in:

  • Wirbelschachtbecken (Fang- oder Durchlaufbecken im Haupt- oder Nebenschluss)
  • Regenzyklonbecken (Fang- oder Durchlaufbecken im Haupt- oder Nebenschluss)

Wirbelschachtbecken werden in der Regel mit Durchmessern bis 15 m gebaut. Ihre Beckensohle ist zur Mitte hin flach geneigt (2 % bis 5 %). Durch die flache Sohle sind Wirbelschachtbecken gut begehbar. Zur Unterstützung der Beckenreinigung wird im Arbeitsblatt DWA-A 166 der Einsatz von starren Rührwerken empfohlen.

Regenzyklonbecken werden bevorzugt ab einem Beckendurchmesser von ca. 10 m gebaut, der maximale Durchmesser sollte 20 m nicht übersteigen. Sie besitzen im Vergleich zu Wirbelschachtbecken eine aufwändiger gegliederte Sohle, mit einem flachen Außenkreisring (ca. 5° bis 12°), einem steileren Mitteltrichter (mindestens 25°) und einem steilen Innenkegel (größer 35°). Durch die großen Sohlneigungen ist die Selbstreinigungskraft gegenüber den Wirbelschachtbecken erhöht, allerdings sind die Sohlen dadurch nicht mehr begehbar.

Bei großen Regenzyklonbecken im Nebenschluss und mit sehr breitem Außenkreisring empfiehlt das Arbeitsblatt DWA-A 166 zur Unterstützung der Beckenreinigung den Einsatz von starren Rührwerken. Nur bei Regenüberlaufbecken mit Drosselabflüssen unter 15 l/s empfiehlt es sich auch in runden Regenbecken schwenkende Rührwerke einzusetzen, die in gewissem Umfang Drosselverlegungen verhindern können.

Der Klärüberlauf bei Wirbelschacht- und Regenzyklonbecken als Durchlaufbecken wird am Beckenrand im 4. Quadranten (gezählt in Drehrichtung vom Zulauf her) angeordnet. Daraus ergibt sich der benötigte Fließweg für die Absetzvorgänge.

  • Rechteckbecken

Rechteckbecken stellen die häufigste Ausführungsform für Regenüberlaufbecken dar. Sie sind gegenüber den Rundbecken bautechnisch einfacher zu erstellen und lassen sich in der regel, insbesondere bei einer Anordnung im Nebenschluss, einfacher in Grundstücke einpassen. Sehr große Regenüberlaufbecken (über 2200 m^3 Nutzvolumen) können grundsätzlich nur als Rechteckbecken ausgebildet werden. Die spezifischen Baukosten sind im Allgemeinen allerdings höher als bei Rundbecken.

Der Klärüberlauf von Durchlaufbecken wird in der Regel über die gesamte ablaufseitige Beckenbreite angeordnet. So werden in Verbindung mit einem Einlauf- und Verteilungsbauwerk eine gleichförmige und richtungsstabile Durchströmung der Sedimentationskammer und eine gleichmäßige Anströmung des Klärüberlaufs erreicht.

Als Reinigungseinrichtungen kommen Schwallspüleinrichtungen (Spülkippen, Kammerspüleinrichtungen, Kanalvolumen aktivierende Spüleinrichtungen) und Strömungserzeuger (Rührwerke, Strahlreiniger, Umpumpsysteme) zum Einsatz.

Bauwerkskomponenten

Zu den wichtigsten Bauwerkskomponenten für die Funktion eines Regenüberlaufbeckens zählen:

  • Drosselbauwerk
  • Trennbauwerk
  • Überläufe

Drosselbauwerk

Das Drosselbauwerk dient der Aufnahme des Drosselorgans (siehe maschinentechnische Ausrüstung). Man unterscheidet die trockene, halbtrockene und nasse Aufstellung des Drosselorgans.

  • trockene Aufstellung: das Abwasser durchfließt das Drosselbauwerk in einem geschlossenen System
  • halbtrockene Aufstellung: das System ist bis zum Drosselorgan geschlossen, danach tritt das Abwasser in ein offenes Gerinne aus
  • nasse Aufstellung: das System ist komplett offen, bei einem Aufstau im Becken ist das Drosselorgan von Abwasser umgeben

Aufgrund des hohen Betriebsrisikos sollte die nasse Aufstellung bei Regenüberlaufbecken vermieden werden.

Trennbauwerk

Regenüberlaufbecken im Nebenschluss muss ein Trennbauwerk vorgeschaltet werden. Wird der Drosselabfluss zur Kläranlage im Zulauf überschritten, steigt im Trennbauwerk der Wasserspiegel, und das überschüssige Mischwasser wird über die Trennbauwerksschwelle in die Speicherkammer des Regenüberlaufbeckens geleitet. In der Regel werden das Trennbauwerk und der Beckenüberlauf in einem Bauwerk zusammengefasst.

Klärüberlauf

In Durchlaufbecken wird ein Teil des Mischwassers mechanisch geklärt, bevor es entlastet wird. Während das Mischwasser das Durchlaufbecken durchströmt, findet eine Sedimentation von absetzbaren Stoffen statt. Daher besitzt ein Durchlaufbecken im Gegensatz zu einem Fangbecken, in dem das Mischwasser nur zwischengespeichert werden soll, einen Klärüberlauf.

Durch die Gestaltung des Klärüberlaufs wird der Zufluss zum Durchlaufbecken begrenzt. Diese Begrenzung ist notwendig, um die gewünschte Absetzwirkung zu erzielen und zu verhindern, dass abgesetzter Schlamm wieder aufgewirbelt wird. Dazu wird der Klärüberlauf häufig in Form von gedrosselten Auslaufschlitzen ausgebildet. Als Alternative werden von Ausrüstern auch selbstregulierende Klärüberläufe angeboten.

Das durch Absetzen vorgereinigte Mischwasser wird über den Klärüberlauf in ein Gewässer entlastet.

Beckenüberlauf

Nachdem die Speicherkammer eines Regenüberlaufbeckens vollständig gefüllt ist und das Bauwerk keinen zusätzlichen Zufluss von Mischwasser aufnehmen kann, springt der Beckenüberlauf an. Er hat dann die Aufgabe jene zufließende Mischwassermenge, die nicht über die Drossel weiter zur Kläranlage und auch nicht über den Klärüberlauf abgeleitet werden kann, ohne vorherige Absetzvorgänge direkt in das Gewässer zu entlasten. Beckenüberläufe werden in der Regel als feste Überlaufschwellen mit seitlicher Anströmung als Streichwehr ausgebildet. Beckenüberlauf und Trennbauwerk werden aus wirtschaftlichen Gründen meist in einem Bauwerk zusammengefasst.

Maschinen- und elektrotechnische Ausrüstung

Die bestimmungsgemäße Funktion eines Regenüberlaufbeckens lässt sich nicht allein mit der konstruktiven Gestaltung des Bauwerks erreichen. Je nach Beckentyp und Funktionsweise ist eine mehr oder weniger umfangreiche maschinentechnische Ausrüstung notwendig. Für die Steuerung und Regelung, aber auch die Überwachung des Bauwerks durch Messungen kommt elektrotechnische Ausrüstung zum Einsatz.

  • Drosselorgane

Drosselorgane haben die Aufgabe, den in Richtung der Kläranlage weitergeführten Abfluss auf den Drosselabfluss Q(Dr) zu begrenzen. Dabei soll der Abfluss bei verschiedenen Wasserständen im Becken und dem damit verbundenen variablen Vordruck (Gesetz von Torricelli) möglichst konstant gehalten werden. Je steiler die Abflusskurve bzw. je höher die Trennschärfe eines Drosselorgans ist, desto genauer wird der vorgesehene Drosselabfluss eingehalten.

Die Drosselorgane sind die wichtigsten maschinentechnischen Einrichtungen eines Regenüberlaufbeckens. Sie bedürfen einer intensiven Überwachung, weil ihre Funktionsfähigkeit zentral den Erfolg der Regenwasserbehandlung bestimmt.

Grundsätzlich kann eine Drosselung einfach mithilfe eines reduzierten Abflussquerschnitts (z.B. Rohr mit kleinem Durchmesser) erreicht werden. Es handelt sich dann um eine Drosselstrecke, die zu den passiven Drosselorganen zählt.

  • Reinigungseinrichtungen

Schlamm, der sich auf der Sohle und an den Wänden eines Regenüberlaufbeckens ablagert, muss nach Regenende der Kläranlage zugeführt werden. Er darf weder im Regenüberlaufbecken verbleiben (Faulung) noch während einer Entlastung in das Gewässer eingetragen werden.

Eine zufriedenstellende Selbstreinigung ist nur in günstig konstruierten Becken mit gutem Gefälle und einem großen Drossel- oder Trockenwetterabfluss zu erreichen. Die Gestaltung der Beckensohle als Schlangenrinne, mit der ein sehr gutes Selbstreinigungsvermögen erreicht werden kann, wird heute aus Kostengründen, nicht mehr realisiert. In der regel ist daher der Einbau von automatischen Reinigungseinrichtungen notwendig.

Regenüberlaufbecken werden überwiegend mit Schwallspüleinrichtungen oder Strömungserzeugern ausgerüstet.

Schwallspüleinrichtungen werden in drei Gruppen eingeteilt:

  • Spüleinrichtungen mit drehbar gelagerten, kippenden Spülwasserbehältern
  • Kammerspüleinrichtungen mit statischen Spülwasserbehältern
  • Kanalvolumen aktivierende Spüleinrichtungen

Bei allen drei Gruppen wird das Becken nach der Entleerung mit einem Wasserschwall von Ablagerungen gereinigt. Das Spülwasser fließt dann einem oder mehreren Spülsümpfen zu und wird zur Kläranlage weitergeleitet.

Nach einem anderen Wirkprinzip arbeiten die Strömungserzeuger. Sie lassen sich konstruktiv unterscheiden in:

  • starre oder schwenkende Rührwerke
  • starre oder schwenkende Strahlreiniger, Strahlreiniger mit pulsierender Betriebsweise
  • Umpumpsysteme

Durch ein Flügelrad (Rührwerke) oder eine Wasserstrahlpumpe (Strahlreiniger) wird das Wasser im Regenüberlaufbecken beim Entleerungsvorgang in Bewegung gehalten. Abgesetzte Feststoffe werden dadurch aufgewirbelt und gemeinsam mit den noch nicht abgesetzten in Schwebe gehalten.

  • Elektrotechnische Ausrüstung

Prinzipiell können Regenüberlaufbecken auch ohne elektrotechnische Ausrüstung funktionieren. Voraussetzung ist allerdings, dass sie durch ihre bauliche Gestaltung selbstreinigend sind und die Drossel keine Fremdenergie benötigt.

  • Messtechnik

Messtechnik an Regenüberlaufbecken liefert die Voraussetzungen für

  • die automatische Steuerung und Regelung von maschinellen, elektrisch angetriebenen Aggregaten
  • die Auslösung automatischer Störmeldungen und die Fernüberwachung
  • die Überwachung des Betriebsverhaltens durch die Erfassung der Häufigkeiten und Dauern von Einstau- und Entlastungsereignissen

In Tabelle 1 sind die messtechnischen Größen zusammengefasst, die an einem Regenüberlaufbecken erfasst werden sollten.


Tabelle1: Empfehlung für die messtechnisch zu erfassenden Größen an einem Regenüberlaufbecken

Störmeldungen, Fernüberwachung und Fernwirktechnik

Um stets die Betriebssicherheit der Anlagen zur Mischwasserbehandlung mit der zugehörigen maschinen- und messtechnischen Ausrüstung zu gewährleisten und die Einflüsse von Entlastungen auf die Umwelt zu minimieren, ist eine intensive Überwachung notwendig. Die EKVO-BW sieht daher Vor-Ort-Kontrollen nach jeder Belastung der Anlagen vor. Gleichzeitig wird die Möglichkeit eingeräumt, diese Kontrollen teilweise auch über Fernüberwachungssysteme durchzuführen.

Eine einfache Form der Fernüberwachung ist die reine Übertragung von Störmeldungen. Damit können Störungen der maschinentechnischen Ausrüstung (z.B. Drehmomentüberschreitungen) automatisch an eine zentrale Stelle oder beispielsweise an ein Mobiltelefon des Bereitschaftsdienstes gemeldet werden. Die Gefahr, dass Störungen über längere Zeiträume unerkannt bleiben, kann so reduziert und es können schneller Maßnahmen zu deren Beseitigung ergriffen werden.

*Auszüge aus dem Handbuch "Betrieb von Regenüberlaufbecken"

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