OPTIMIERTE ANLAGEN. OPTIMALER NUTZEN. RÜB-BW | DWA-LANDESVERBAND BADEN-WÜRTTEMBERG

Messtechnische Ausrüstung und Datenauswertung

Messgeräte

Es gibt drei Messtechnik-Prinzipien die zur Erfassung der Füllstände in RÜB zur Anwendung kommen: Druck-, Ultraschall- und Radarsensoren. Dabei berühren Drucksensoren das Medium, Ultraschall- und Radarsensoren sind berührungslos. Anhand der Füllstandhöhe sind Rückschlüsse auf Einstaudauer und -häufigkeit möglich.

Drucksonden: Hydrostatische Tauchsonden

Zur Füllstandsmessung in RÜB vor Überlaufschwellen, aber auch in Beckenkammern und Pumpensümpfen werden Tauchsonden eingesetzt. Diese werden an einem Kabel in einem Schutzrohr ins Bauwerk gehängt. Eine Druckempfindliche Membran misst dann den Druck, der durch die Wassersäule über ihr erzeugt wird. Zusätzlich wird der Umgebungsdruck gemessen, d.h. mit der hydrostatischen Tauchsonde wird der relative Druck ermittelt. Um brauchbare Werte zu erhalten, muss auf den Wertebereich der Messsonde geachtet werden. Nicht jeder Messbereich eignet sich für eine gute Datenauflösung.

Bei der Einrichtung der Messstelle ist die Länge des Kabels und den Aufhängungspunkt genau zu dokumentieren, um bei einem Ausbau der Sonde oder einem Austausch den Nullpunkt wieder exakt einstellen zu können. Hängt eine Tauchsonde nach dem Wiedereinbau einige Millimeter höher oder tiefer als vorher, kann dies ein Nullpunktfehler verursachen. Für eine fachgerechte Installation sind die Angaben des Geräteherstellers zu beachten.

Schließlich ist zu beachten, dass die Messsonden in Berührung mit dem Medium kommen, bei Regenüberlaufbecken also mit Mischwasser. Dies bedeutet, dass die Drucksonde regelmäßig gereinigt und gewartet werden sollte. Wenn die Messsonde im Prozessleitsystem angeschlossen ist, kann ein Sensordrift aufgrund von Dreck o.ä. auch von der Ferne erkannt werden.

Ultraschall-Abstandssonden

Ultraschall-Abstandssonden werden über der Wasseroberfläche montiert und kommen mit dem Medium Abwasser normalerweise nicht in Berührung. Der Sensor sendet Ultraschallsignale zur Wasseroberfläche und wertet das zurückkommende Echo aus. Bei der Auswertung wird vom Gerät anhand der gemessenen Laufzeit der Ultraschallwellen die Entfernung zwischen Sensorunterkante und Wasserspiegel berechnet. Dadurch kann der Füllstand im Becken gemessen werden.

Zu beachten gilt, dass die Ultraschallwellen von der Umgebung beeinflusst werden können, insbesondere durch die Temperatur, da die Schallgeschwindigkeit temperaturabhängig ist. Zwar versucht die Elektronik das zumeist zu kompensieren, doch registriert der dafür zuständige Thermosensor die Temperatur im Messpunkt (dort, wo er eingebaut ist) und nicht entlang der Messstrecke. Scheint die Sonne auf das Sensorgehäuse, so heizt sich dieses stärker auf als die Luft über dem Wasser. Dadurch ergibt sich eine Temperatur-Überkompensation mit entsprechendem Messfehler. Es empfiehlt sich deshalb, ein einfaches Sonnenschutzdach über dem Sensor zu installieren, das eine direkte Sonneneinstrahlung auf das Gehäuse des Messkopfes vermeidet.

Bei der Installation einer Ultraschallsonde, sind die Herstellerangaben zu berücksichtigen: Es muss u.a. ein Mindestabstand zwischen Sonde und Messoberkante (Blockdistanz) sowie der Öffnungswinkel der Schallkeule beachtet werden. Der Betreiber selber sollte sicherstellen, dass der Sensor an einer geeigneten Stelle fest montiert wird. Bei schlechteren Einbaubedingungen kann man sich mit Reflexionsplatten (bei geringem Abstand zwischen Sensor und Wasseroberkante) oder mit Referenzblechen (bei geneigtem Boden, der zu großem Echoverlust führen kann) behelfen.

Radar-Abstandssonden

Radar-Abstandssonden funktionieren ähnlich wie Ultraschallsonden: Sie werden oberhalb der Wasseroberfläche installiert und messen die Laufzeit zwischen Sensor und Wasseroberfläche im RÜB. Dafür senden die Radarsensoren Mikrowellen im Giga-Herz-Bereich aus. Wenn diese Radarwellen auf eine Oberfläche treffen, werden sie reflektiert und der Sensor erhält ein Echo vom ausgesendeten Signal. Das Gerät wertet dieses Signal aus und es ergibt sich daraus ein Füllstand.

Gegenüber Ultraschallsonden sind Radarsonden in der Regel genauer und auch weitgehend unempfindlich gegenüber Temperatureffekten. Schaum auf dem Wasser stellt in der Regel kein Problem dar.

Bei der Installation einer Radarsonde, sind die Herstellerangaben zu berücksichtigen. Auch Radarsensoren haben eine Art Blockabstand, in der der Sensor etwas ungenauer wird, aber weiterhin funktioniert. Bei beschränkter Einbauhöhe kann auch ein Winkelspiegel angewendet werden.

Messdatenspeicherung und -übertragung

Für die Erfassung, Speicherung und Übertragung der Messdaten gibt es je nach den örtlichen Gegebenheiten eine Reihe von technischen Lösungen mit unterschiedlichem Aufwand. Es gilt zunächst, die zum Beispiel von einem Wasserstandssensor kontinuierlich in Echtzeit gemessenen Messwerte zu speichern. In aller Regel wird kontinuierlich das Messsignal der Wasserstandssonde im System gespeichert. Bei einer guten Stromversorgung ist es empfehlenswert die Messwerte minütlich zu speichern. Wie eng tatsächlich die Zeitabstände zwischen den Messungen gewählt werden, hängt von der Stromversorgung und Datenübertragung ab. Längere Intervalle wie 15 Minuten eignen sich für energieautarke Messpunkte, also wenn kein Strom vorhanden ist und Datenübertragung nur über Mobilfunk funktioniert. Wenn in solch einem RÜB ein Einstau erkannt wird, sollten die Messwerte nicht mehr im 15 Minuten-Takt sondern im Minutentakt aufgezeichnet werden.

Zur Aufzeichnung und Speicherung von Messdaten kann auch die Delta-Event-Methode genutzt werden. Nach dieser Methode werden erst neue Messsignale gespeichert, sobald sich der Messwert um ein bestimmtes Maß geändert hat.. Als Kriterium für eine zu speichernde Änderung wird meist eine prozentuale Veränderung (z.B. +/- 1 % des vorherigen Wertes) definiert. Dies kann dann aber zur Folge haben, dass bei hohen Messwerten, die über längere Zeit anliegen (beispielsweise bei einem Entlastungsereignis mit länger anhaltendem hohen Wasserstand) eine vergleichsweise grobe Abspeicherung der Messdaten mit Sprüngen im Bereich mehrerer Zentimeter auftritt. Bei einem Wasserstand von 3,50 m und einem Deltawert von 2 % werden die Daten dann nur bei einem Unterschied von mehr als 7 cm aufgezeichnet. Für eine Entlastungsprotokollierung ist dies zu grob. Bei Systemen mit Delta-Event-Speicherung ist dieser Umstand entsprechend zu beachten und in der Konfiguration richtig anzupassen.

Die Wasserstandsdaten werden in den meisten (Prozessleit-)Systemen über die Zeit aufgetragen, wodurch die sogenannten Ganglinien entstehen. Es empfiehlt sich dringend, diese Ganglinie als Rohdatensatz zu speichern und nicht nur die ausgewerteten/weiterverarbeiteten Daten. Dadurch ist eine Plausibilitätskontrolle der Messdaten im Nachhinein oder wenn Probleme mit der Messsonde auftreten möglich. Zum Beispiel kann es passieren, dass eine berührungslose Messsonde überspült wird und dadurch ein falsches Signal ausgibt, nämlich dass sie kein Wasserstand mehr misst. Somit würde das Überlaufereignis kürzer als in der Realität ausfallen. Mit den Ganglinien können u.a. Signalverluste ersichtlich sein. Die Rohdaten sollten auf Dauer verfügbar sein.

Messdatenauswertung

Das Ziel der Messdatenauswertung ist der Nachweis einer ordnungsgemäßen Funktion der Regenüberlaufbecken. Die Prüfung zur ordnungsgemäßen Funktion von Messtechnik, Maschinentechnik etc. kann neben der Prüfung vor Ort auch aus der Ferne anhand von Messdaten erfolgen. Dafür sind die aufgezeichnete Ganglinien des Wasserstands und die Betriebszeitpunkte von Aggregaten wie Rührwerke o.ä. sowie die Betriebsdokumentation notwendig. Optimalerweise werden diese Daten alle bereits im Prozessleitsystem (in Echtzeit) angezeigt. Anhand der Messdatenauswertung könne bestehende Anlagen optimiert werden.

Besonders nach der Optimierung/Sanierung eines Bauwerks mit Nachrüstung von Komponenten wie einer neuen Drosseleinrichtung oder von Reinigungseinrichtungen kann der Erfolg der Maßnahmen mit der Messdatenauswertung überprüft werden. Diese Prüfung der Beckenfunktionen anhand von Messdaten sollte sich dabei generell an den Empfehlungen für die Durchführung eines Probebetriebs nach DWA-A 166 (2013) bzw. VDMA 24657 (2012) orientieren und folgende wesentliche Punkte beinhalten:

Registrierung und Auswertung von Messdaten als Ganglinien bei mindestens drei Einstauereignissen (besser Entlastungsereignissen) in Folge
Kontrolle des Drosselverhaltens (plausibles Einhalten des geforderten Drosselabflusses, ggf. Funktion der Abflussregelung)
Kontrolle von Ein-/Ausschaltpunkten der Pumpen und Rührwerke
Erkennen möglicher Instabilitäten (wie oft werden Schieber bewegt und Pumpen oder Rührwerke ein- bzw. ausgeschaltet?)
Dokumentation der Ergebnisse, so dass diese bei künftigen Wiederholungen der Prüfung vorliegen

Selbst bei Bestandsanlagen sollte eine Datenauswertung im Sinne eines Probebetriebs durchgeführt werden, um zu überprüfen, wie sich das Becken normalerweise verhält. Insbesondere dann, wenn die Regenbecken bereits seit vielen Jahren auf ein Prozessleitsystem aufgeschaltet sind und die Dokumentation lückenhaft ist. Dabei ist die Brauchbarkeit der vorhandenen Daten zu überprüfen, z.B. im Hinblick auf das Zeitintervall und den Speicherzeitraum der Rohdatenarchivierung. Wenn nötig, etwa bei zu grober Zeitabständen und wenig aussagekräftigen Daten, können beispielsweise am Aufzeichnungsmodus Änderungen vorgenommen werden. Diese Anpassungen sollten in der Betriebsdokumentation klar ersichtlich festgehalten werden.

Bewertungsmöglichkeiten der Überlaufhäufigkeit von Regenbecken

Zur Bewertung der gemessenen Überlaufaktivität von Regenbecken gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie zum Beispiel Summenhäufigkeitsverteilung oder dem Krauth-Index. Einige Möglichkeiten werden im Verlauf kurz vorgestellt.

Summenhäufigkeitsverteilung der Überlaufdauer und -häufigkeit

Eine Summenhäufigkeitsverteilung bei Regenentlastungen zeigt die Verteilung der Überlaufdauer D(e) und der Überlaufhäufigkeit n(e) auf der X-Achse und die Anzahl der untersuchten Regenüberlaufbecken auf der Y-Achse. Aus den vielen Messdatenpunkten ergibt sich eine typenspezifische Summenkurve für Fangbecken und Durchlaufbecken. Dadurch entstand das Ranking, ob ein RÜB im Vergleich zu allen anderen untersuchten RÜB eher selten oder häufiger einstaut. Die Summenhäufigkeitskurven sind in Abbildung 2 und Abbildung 3 zu sehen.

Abbildung 2: Ranking-Kurven für die Überlaufhäufigkeit n(e) in Kalendertagen pro Jahr

Abbildung 3: Ranking-Kurven für die Überlaufdauer D(e) in Stunden pro Jahr

Der Krauth-Index: Anteil der Tage mit Überlauf an den Tagen mit Einstau

Krauth (2014) schlägt für die Bewertung der Entlastungsaktivität vor, "zu dokumentieren, an wie vielen Tagen pro Jahr durch die Becken eine Gewässerbelastung vermieden werden konnte." Als Kriterium wird die relative Belastungshäufigkeit (des Gewässers) durch ein Regenbecken definiert. Diese Größe wird im Folgenden als "Krauth-Index" K bezeichnet und in % angegeben. Dabei bezeichnen n(e) die Entlastungs- und n(f) die Einstauhäufigkeit in Kalendertagen pro Jahr. Als Maßstab für die Bewertung werden die in Tabelle 1 angegebenen Werte vorgeschlagen. Ein Becken verhält sich demnach "gut", wenn es häufig eingestaut ist, aber nur selten überläuft. Staut es hingegen sehr oft ein, ohne überzulaufen, ist das wiederum ein Indiz für eine nicht optimale Situation und könnte z.B. auf einen hohen Fremdwasserzufluss hindeuten.

Tabelle 1: Bewertungsmaßstab des Krauth-Indexes

Im Gegensatz zu den Summenhäufigkeitsverteilungen ist der Krauth-Index unabhängig von einem Referenzdatensatz. Ein weiterer Vorteil ist, dass Besonderheiten des Niederschlagsgeschehens teilweise kompensiert werden, da in einem "nassen" Jahr sowohl die Einstau- als auch die Entlastungshäufigkeit zunimmt. Die Frage in welchem Rahmen Schwankungen tolerierbar bleibt ungeklärt. Der Ansatz, Becken mit K < 20 % oder K > 80 % als falsch bemessen oder betrieben einzuordnen, ist bewusst subjektiv gewählt. Dafür gilt es auffällige Becken näher zu untersuchen und eine Ursachenforschung zu betreiben.

Vergleich von Messdaten mit den Ergebnissen einer Schmutzfrachtberechnung

Die gewonnenen Messdaten können mit Schmutzfrachtberechnungen verglichen werden. Dabei werden reale Messdaten mit simulierten Ergebnisse verglichen. In der Simulation wurden bereits die jährlichen Entlastungsvolumina und -frachten aller RÜB berechnet und auch die Dauer und Häufigkeit der Entlastungen können von einer Software ermittelt werden. Dabei werden die hydrologischen Einflüsse durch detailliertes Ansetzen der Einzugsgebiets- und Beckendaten berücksichtigt, wie auch die gegenseitige Beeinflussung der Bauwerke infolge ihrer Hintereinanderschaltung. Zum Nachweis der Regenwasserbehandlung gibt das Regelwerk DWA-A 102 die Vorgehensweise beim Nachweisverfahren vor.

Lösungsansätze zur Optimierung von Regenbecken

Es wird davon ausgegangen, dass im Einzugsgebiet einer Kläranlage alle erforderlichen Regenüberlaufbecken bereits existieren und dass diese nach Maßgabe der technischen Regeln für einen hinreichenden Gewässerschutz bemessen sind, etwa nach dem DWA-Arbeitsblatt DWA-A 102. Durch Anpassungen im Betrieb von bestehenden Regenbecken können aber Optimierungen bestehender Systeme erzielt werden.

Als häufigste Maßnahme zur Optimierung, die aus Wirtschaftlichkeitsgründen ohne größere Umbaumaßnahmen auskommen soll, kommt die Veränderung der Drosselabflüsse der Einzelbauwerke in Betracht. Drosselabflüsse können statisch verändert werden (z.B. durch Einbau eines neuen Drosselorgans mit geändertem Bemessungsabfluss) oder aber dynamisch, so dass sie während des Betriebs verändert werden können. In letzterem Fall spricht man von einer Abflusssteuerung. Veränderungen der Drosselabflüsse bedürfen einer Genehmigung durch die Aufsichtsbehörde.

Strangbetrachtungen

Anhand der Systemtopologie, wie sie aus einem Allgemeinen Kanalisationsplan (AKP), besser noch aus einer Schmutzfrachtberechnung hervorgeht, kann das Einzugsgebiet schematisch in Teileinzugsgebiete bzw. Teilstränge des Kanals unterteilt werden, speziell natürlich bei größeren Einzugsgebieten. Jeder Strang wird in der Regel durch ein Regenbecken abgeschlossen, d.h. der gesamte Trockenwetterabfluss aus dem Teileinzugsgebiet passiert dieses RÜB. Einen schematischen Strangeinteilungsplan zeigt Abbildung 4. Eine vergleichende Betrachtung der Entlastungsaktivität kann sich dann auf einzelne Stränge erstrecken, also nur die Becken in diesem Strang untersuchen mit dem strangabschließenden Becken am Ende.
Verschiedene Regenüberlaufbecken im gleichen Einzugsgebiet können sich durch die Systemtopologie, also ihre gegenseitige Anordnung (Hintereinander- oder Parallelschaltung) gegenseitig beeinflussen. Dabei entlasten Sie z.T. auch in den gleichen empfindlichen Gewässerabschnitt. Aus diesem Grund genügt es nicht, jedes RÜB für sich zu untersuchen, sondern es gilt stets, Einzugsgebiet, Regenbecken und Kläranlage gesamtheitlich zu betrachten.

Abbildung 4: Strangeinteilungsplan