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Bemessung von Belüftungssystemen

Das Prinzip der Bemessung von Belüftungssystemen beruht darauf, dass der Sauerstoffeintrag des Systems unter Betriebsbedingungen αSOTR [kg O2/h] gleich dem vorhandenen Spitzen-Sauerstoffbedarf OVR [kg O2/h] unter den maßgebenden Bemessungsbedingungen ist. Bei der Bemessung wird das erforderliche Sauerstoffzufuhrvermögen unter Betriebsbedingungen αSOTR in das erforderliche standardisierte Sauerstoffzufuhrvermögen SOTR des Belüftungssystems umgerechnet:

αSOTR = OV R

Die standardisierten Bedingungen sind Reinwasser, Sauerstoffgehalt c = 0 mg/l, Temperatur = 20 °C, Luftdruck 1013,25 hPa und ein Wasserüberdruck, wie er im Belebungsbecken vorhanden ist.

Grundlage der Bemessung sind die Gleichungen:

SOTR = ( k L a ) 20 · f d · c S,20

(kLa)T: Belüftungskoeffizient bei T bzw. 20 °C

fd: Tiefenfaktor zur Berücksichtigung des Einflusses des Wasserüberdrucks auf cs,T

cS,T: Sauerstoffsättigungskonzentration bei T bzw. 20 °C

SOTR = ( k L a ) T · f d · c S,T - c

wobei

( k L a ) T = ( k L a ) 20 · θ ( T - 20 )

α: Sauerstoffzufuhrfaktor: (»α-Faktor«, »α-Wert«)

θ: Temperaturkoeffizient: (»θ-Wert«) θ=1,02

Der Einfluss des Wasserüberdrucks im Becken auf die Sauerstoffsättigungskonzentration cs,T im Bereich der Luftblasen, die ins Wasser eingeblasen oder eingeschlagen sind, wird über den Tiefenfaktor fd berücksichtigt. Der zusätzliche Einfluss von Luftdruckänderungen wird üblicherweise vernachlässigt. Bei feinblasigen flächendeckenden Druckluftbelüftungssystemen wird die halbe Eintauchtiefe hD zur Ermittlung des Einflusses des Wasserüberdrucks auf die Sättigungskonzentration angesetzt:

f d = 1 + 0,5 · h D / 10,33 = 1 + h D / 20,7 [-]

Dagegen wurde bei Oberflächenbelüftungssystemen festgestellt, dass der maßgebende Druck in 7% der Beckentiefe hw auftritt:

f d = 1 + 0,07 · h W / 10,33 = 1 + h W / 150 [-]

Die wirksame Sauerstoffsättigungskonzentration beträgt: fd · cS,T [g/m³]
und unter Standardbedingungen: fd · cS,20 [g/m³]

Insgesamt ergibt sich damit für den erforderlichen Sauerstoffeintrag unter Standardbedingungen SOTR in Abhängigkeit des Spitzen-Sauerstoffbedarfs OVR unter den dafür ermittelten Betriebsbedingungen einschließlich des α-Wertes:

SOTR = OV R · f d · C S,20 ( f d · C S,T - C ) · θ ( T - 20 ) · α [kg/h]

Dieser errechnete erforderliche Sauerstoffeintrag ist den Kläranlagenausrüstern anzugeben, damit die konstruktive Umsetzung in ein geeignetes Belüftungssystem vorgenommen werden kann.

Zur Verdeutlichung des prinzipiellen Bemessungsganges ist nachfolgend ein Beispiel angegeben.

Beispiel

maßgebende Temperatur T = 15°C
Sauerstoffsättigungskonzentration cS,20 = 9,09 mg/l
Sauerstoffsättigungskonzentration cS,15 = 10,08 mg/l
Temperaturkorrektur Belüftungskoeffizient θ(15-20) = 0,888
erforderlicher Sauerstoffgehalt c = 2,0 mg/l
Druckluftbelüftung (hD = 5,00 m) fd = 1 + 5/20,7 = 1,24
Sauerstoffzufuhrfaktor (α-Wert) α = 0,6
SOTR = OV R · f d · C S,20 ( f d · C S,T - C ) · θ ( T - 20 ) · α SOTR = OV R · 1,24 · 9,09 ( 1,24 · 10,08 - 2 ) · 1,024 ( 15 - 20 ) · 0,6 = 2,015 · OV R

Das Beispiel zeigt, dass das maßgebende standardisierte Sauerstoffzufuhrvermögen des Belüftungssystems etwa das 2-fache des Spitzen-Sauerstoffbedarfs beträgt.

Bemessung der Druckluftbelüftung

Die nähere Bemessung der Druckluftbelüftung erfolgt über den Kennwert spezifische Sauerstoffaufnahme SSOTR (g O2 /(m3·m)) oder über den spezifischen Sauerstoffausnutzungsgrad SSOTE (%/m). Der spezifische Sauerstoffausnutzungsgrad lässt sich aus der spezifischen Sauerstoffaufnahme berechnen (SSOTE = SSOTR/3; da 300 g O2/m3 ). Diese Kennwerte können aus der Richtwerttabelle entnommen werden oder werden von Ausrüstungsfirmen angegeben.

Aus der obigen Definition der spezifischen Sauerstoffaufnahme SSOTR (g O2 /(m3·m)) ergibt sich mit dem Sauerstoffeintrag SOTR (kg O2 /h):

SSOTR = 3 · SSOTE = 1000 · SOTR Q L,St · h D [g/m³·m]

und damit der erforderliche Luftvolumenstrom QL,St

Q L,St = 1000 · SOTR SSOTR · h D = 1000 · SOTR 3 · SSOTE · h D [m³/h]

Da der Sauerstoffeintrag bereits für Betriebsbedingungen ermittelt wurde, müssen für die spezifische Sauerstoffaufnahme SSOTR bzw. für den spezifischen Sauerstoffausnutzungsgrad SSOTE die "Reinwasserwerte" aus der Richtwerttabelle oder Herstellerangaben angesetzt werden. Dies gilt auch für die angegebenen Werte des Sauerstoffertrags SAE (kg O2/kWh), die jeweils auf die Brutto-Leistungsaufnahme aus dem Netz bezogen sind.

Die Anzahl der Belüftungselemente folgt aus der Luftaustrittsgeschwindigkeit und der Abgasungsfläche der Belüftungselemente

  • Luft-Austrittsgeschwindigkeit vL (m3/h Luft je m² Belüfterfläche: m/h) vL = 20 bis 60 m/h
  • Abgasungsfläche der Belüftungselemente Ag (0,05 bis 0,30 m² je Element) Damit ergibt sich die Anzahl der Belüftungselemente n:
Q L,St V L · A g [-]

Der erforderliche Luftvolumenstrom QL,St ist hier als vorzuhaltender Spitzenwert abgeleitet und sollte bei maximal vertretbarer Austrittsgeschwindigkeit vL erreicht werden. Zur Anpassung des Sauerstoffeintrags an die Erfordernisse von Nitrifikation und Denitrifikation ist ein großer Regelbereich (mindestens ca. 1:10) erforderlich. In Becken mit Wechselnutzung ist ein längerfristiges vollständiges Abschalten der Belüftung ohne Verstopfung der Belüftungselemente unbedingte Voraussetzung.