Allgemeine Bemessungsfragen, hydraulische Grundlagen, Sandfangbauarten

Das gültige Regelwerk wird seit mehr als 20 Jahren fast immer nur fortgeschrieben (ausführliche Darstellung in Kapitel „Aktuelles, DWA- Sandfang; Anmerkungen und Vorschläge zu dem DWA Arbeitsbericht 2008“). Die Regeln sind meist vage. Über die Sandabscheidung ist bisher kaum etwas ausgesagt. Solange diese Mängel nicht behoben sind, kann man die Vorgaben des Regelwerkes zur Sandfangtechnik insgesamt als fraglich bezeichnen. Dies wird bestätigt durch den äußerst geringen Sandanfall in kommunalen Kläranlagen, Literaturübersicht und Vergleich von veröffentlichten Zahlenwerten (BOTSCH 2016). Dagegen sind seit längerem die Analyse und Lösungen für die verschiedenen Sandfangbauarten, ihre beherrschende Hydraulik und die erreichbare Sandabscheidung beschrieben (BOTSCH 2011; 2013; 2016).

Der Sandfang wird im allgemeinen in der Form eines kombinierten belüfteten Sand- und Fettfangs (Abb. 4) nach dem Regelwerk der DWA (2008) ausgeführt. Im Deutschen Regelwerk nach DIN und auch im Europäischen Regelwerk nach DIN EN sind in den Abschnitten Preliminary Treatment und Grit Removal keine darüber hinausgehenden Angaben zur Abscheidung enthalten.
Kennzeichen für den belüfteten Sandfang ist eine dominierende Walzenströmung über die ganze Sandfanglänge. Dadurch wirkt sich die Durchflussschwankung nicht auf die Abscheidung aus.

Hinsichtlich der Einzelheiten zur Sandfangtechnik verweist der Autor auf die Ausführungen im Kapitel Publikationen. Mit dem Begriff Sandnorm sollen die neuartigen Erkenntnisse in der außerordentlich komplexen Sandfangtechnik beschrieben sein. Mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation konnte der Sandfang-Code geknackt werden. Das verwendete Programm CHAMPION3D wurde verifiziert (2003) hinsichtlich der Strömungstechnik in einem Großversuch in der Kläranlage München Großlappen und (2011) hinsichtlich der Sedimentation von Sand in turbulenter Strömung am Theodor-Rehbock-Wasserbaulabor am KIT (Universität Karlsruhe) in einem Kanal 1,5 m x 1,5m x 30 m. Anhand der Abscheide-Ergebnisse ergibt sich eine Typisierung der Sandfang-Bauarten:

  • ungestuft belüftete Sand- und Fettfänge
  • gestuft belüftete Sand- und Fettfänge
  • unbelüftete Sand- und Fettfänge
  • unbelüftete Sandfänge.

Alle Typen können als Hydrosandfang * ausgebildet oder nachgerüstet werden.

Abb. 4 zeigt den Querschnitt eines kombinierten belüfteten Sand- und Fettfangs nach DWA 2008, erweiterte Darstellung, ergänzende Strömungen durch den Autor eingefügt.

In den Abb. 5 sind verschiedene ausgeführte Sand- und Fettfänge zu sehen.

Die Walzenströmung wird durch in der Tiefe eingeblasene Druckluft erzeugt und ist von der Größe des Lufteintrages und von seiner Längsverteilung abhängig. Damit ist der Lufteintrag ein Werkzeug für die Größe der Hydraulik und der Sandabscheidung. Unbelüftete Sandfänge sind im Regelwerk zur Zeit nicht vorgesehen, zeichnen sich aber durch große Vorteile aus, ebenso Sandfänge ohne Fettfang.

  • Sand- und Fettfang - Leopoldshafen
  • Sand- und Fettfang - Weingarten
  • Sand- und Fettfang - München
  • Sand- und Fettfang - Plieningen

Der Fettfang längs des Sandfanges ist mit dem Sandfangteil durch Fenster in der Trennwand hydraulisch verbunden. Die Fenster sind meist durch Lamellen teilweise verschlossen. Die Gestalt des Fettfangs ergibt sich automatisch aus der Geometrie des Sandfangs entsprechend den Vorgaben nach DWA. Die Durchströmung des Fettfangs kann nicht getrennt gesteuert werden.

Der Abscheide-Erfolg in Sandfängen hängt von den hydraulischen Verhältnissen im Sandfang ab, von baulichen Parametern (Gestaltung des Einlaufs und Auslaufs, Beckengeometrie, Trennwand zwischen Sandfang und Fettfang usw.) und von verfahrenstechnischen Parametern (Durchfluss, Belüftung usw.).


Abb. 6: Teilströmungen im Sand- und Fettfang.

Das Regelwerk überlässt die bauliche Gestaltung und die hydraulische Führung dem Planer. Dies führt zu der Betrachtung des Sandfangs als black-box. Im realen Sand- und Fettfang treten unerkannte Teilströmungen auf (Abb. 6). Sie können zum Teil so groß wie die Durchflußströmung werden und sind für die Abscheidung des Sandes ungünstig. Meist können diese schädlichen Strömungen durch Anwendung der Technik Hydrosandfang verhindert oder stark eingeschränkt werden.

Hier tauchen Begriffe wie „Durchschussströmung“ und „Bypass-Strömung“ auf, die man mittels der numerischen Strömungssimulation erkennen kann. Die Bypass-Strömung kann als Verteilungsströmung oder als Rezirkulationsströmung mit einer Rückströmung im Sandfangteil oder in einer Mischströmung auftreten. Die Schwankungen des Sandfang-Durchflusses entsprechen im allgemeinen dem Zufluss zur Kläranlage. Hierin liegt aber ebenfalls ein gewisses Steuerungselement.

Die Sandentnahme erfolgt über fahrende Saugräumer in eine aufgeständerte oder ebenerdige Rinne oder über Schieberäumer, bei welchem die Pumpen in einem Trichter angeordnet sind. Der einwandfreie Pumpbetrieb ist von der einwandfreien Fluidisierung am Pumpenzulauf abhängig und kann sowohl bei unterlasteter als auch bei hochbelasteter Anlage kritisch sein und muss sorgfältig beachtet werden. Die Frage der optimierten Sandentnahme bezieht sich sowohl auf die bauliche als auch auf die betriebliche Seite.

Zur Vergleichbarkeit verschiedener Sandfänge und als Bemessungsrichtwert kann der Abscheidegrad η verwendet werden. Die Normabscheidung sei hier mit 95 % der Trennkorngröße 0,2 mm angenommen und η 95 % 0,2 mm oder η 95 % 0,2 genannt. Andere Abscheidegrade sind vereinbar.


Tab. 1: Sandabscheideklassen nach Sandfangtypen und Abscheidegrade % von Sand 0,2 mm bei unterschiedlichen Sandfangbauarten.

Für die Bemessung der Sandfänge gibt es unterschiedliche Vorgaben. Der Autor ist überzeugt, dass die verfahrenstechnisch eindeutige Abhängigkeit der Sedimentation von der sogenannten Flächenbeschickung qA gegenüber anderen Parametern zu bevorzugen ist. Die Bemessung nach der mittleren Durchflußgeschwindigkeit und nach der Aufenthaltszeit führt zu gravierenden Uneindeutigkeiten. In DWA 2008 wird in dieser Hinsicht von Handlungsbedarf gesprochen, um unerklärliche Ergebnisse zu vermeiden. Über den ganzen Anwendungsbereich gibt es noch keine zusammenfassende Bemessungsregel. Durch die Typisierung der Sandfang-Bauarten sind vom Autor ermittelte, zugeordnete Werte für die Flächenbeschickung qA zugänglich. Bei den Sandfang-Bauarten unterscheiden sich die zulässigen Flächenbeschickungen qA für den Normabscheidegrad zum Beispiel wie 1 : 2 : 3 (Beispielswert!). Umgekehrt unterscheiden sich die Abscheidegrade bei gleichem Becken und gleicher Belastung wie in Tab.1.

* Auch bei ungestufter Belüftung kann eine hohe Sandabscheidung erreicht werden, falls die Beschickung und/oder der Lufteintrag niedrig sind.