Für eine saubere Umwelt: Wissenschaftler der htw saar entwickeln Feinrechen

 

Die steigende Verschmutzung des Abwassers bereitet den kommunalen Betrieben großes Kopfzerbrechen. Vor allem Einwegtücher aus reißfesten Kunststoffen verstopfen die Kanalisation und verfangen sich in Rohren und Pumpen. Gemeinsam mit dem mittelständischen Maschinenund Anlagenbauer Kuhn aus Höpfingen entwickeln Ingenieure der htw saar eine Feinrechenanlage für eine verbesserte Abwasserreinigung.

Über 2.460 Tonnen Rechengut fischten die Mitarbeiter des Entsorgungsverbandes Saar 2016 aus der Kläranlage. Rechengut, das sind neben Küchenabfällen und Fäkalien vor allem strapazierfähige Kunststoffgewebe wie Feucht- und Putztücher, Windeln, Abschminkpads, Wattestäbchen, Zigarettenkippen und vieles mehr. Auf dem Weg zum Klärwerk bilden sie lange verfilzte Zöpfe und Klumpen, die sich in den Pumpen verfangen und diese zum Stillstand bringen. „Mit der wachsenden Einweggeneration nehmen auch die Probleme zu“, erläutert Professor Klaus Kimmerle, Leiter des Instituts für Physikalische Prozesstechnik. „Trotz intensiver Aufklärungsarbeit der Kommunen sinkt der Anteil an Müll und Unrat im Abwasser nicht.“

„Wenn das Abwasser im Klärwerk eintrifft, führt es circa ein Drittel ungelöste und zwei Drittel gelöste Schmutzstoffe mit sich“, fügt Laborleiter Gerhard Braun hinzu. „Unser Anliegen war es, einen Rechen zu entwickeln, der selbst feine partikuläre Stoffe und Teilchen von der Größe einer Erbse entfernt. Ein solcher Feinrechen schützt die Maschinen und Pumpen vor Ausfällen und steigert die Betriebssicherheit. Letztendlich profitieren auch die nachfolgenden biologischen und chemischen Reinigungsstufen von einem stärker gereinigten Wasser.“

Berechnen, Messen, Simulieren – ein neuer Rechen entsteht
„Die Schmutzlast im Abwasser ist die eine Seite der Medaille“, erläutert Stefan Weißkircher, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Forschungsprojekts SIMRECH. „Auf der anderen Seite waren umfassende Untersuchungen notwendig, um all die Faktoren zu identifizieren, die bei der Neukonstruktion eines Rechens von Bedeutung sind.“ Auf vorhandene Arbeiten konnten die Wissenschaftler nicht zurückgreifen. Die letzten Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Rechen stammen aus dem Jahr 1926. „Eine profunde wissenschaftliche Lücke“, schmunzelt Weißkircher.

Untersucht wurden nicht nur Konstruktionsmerkmale des Feinrechens, einbezogen wurden auch mögliche Störungen wie Sand- und Steinablagerungen bei Trockenwetter und die plötzliche Mobilisierung von Sand- und Steinablagerungen bei stark einsetzendem Regen. Ebenso berücksichtigt wurden Belastungszustände, die auftreten, wenn saisonbedingt wenig Spülungen betätigt werden oder umgekehrt turbulente Strömungsverhältnisse vor dem Rechenrost herrschen. Auch hydraulische oder frachtbezogene Überlastungen bezogen die Forscher in ihre Arbeit mit ein.

„Uns war schnell klar, dass wir als Mittelständler alleine diese umfassenden Arbeiten nicht leisten können“, bestätigt Dr. Michael Kuhn, Geschäftsführer der Kuhn GmbH, Höpfingen. „Da kommen die Stärken einer Hochschulkooperation zum Tragen. Wir haben einen gemeinsamen Forschungsantrag speziell für mittelständische Unternehmen gestellt, um die Finanzierung zu sichern. Der Entsorgungsverband Saar hat uns ebenfalls frühzeitig Unterstützung zugesagt. Unverzichtbar war der Zugriff auf verschiedene Labore der htw saar und die Integration unseres Projektes in die Lehrveranstaltungen. Die angehenden Ingenieurinnen und Ingenieure haben wichtige Impulse in das Projekt eingebracht und profitierten umgekehrt von der praxisnahen Ausbildung.“ Im Zuge der Feinrechen-Entwicklung entstand darüber hinaus die Doktorarbeit von Dr.- Ing. Thomas Ukschies vom Entsorgungsverband Saar in Zusammenarbeit mit der Universität Luxemburg.

Kompetenzen über Fachgrenzen hinweg bündeln
Im Zeitraum von drei Jahren wurden allein 75 Vorversuche für die Untersuchung von Abflusskurven erstellt. Im Strömungskanal der Fakultät für Architektur und Bauingenieurwesen unter Leitung von Professor Alpaslan Yörük wurde an der optimalen Stabform, dem Stababstand, der Stabdicke und dem Anstellwinkel des Feinrechens experimentiert. Parallel zu den Tests wurden numerische Modelle mit der Software OpenFOAM erarbeitet. „Um die Komplexität der Simulation am Rechner zu minimieren, haben wir speziell für diesen Fall eine webbasierte Benutzeroberfläche entwickelt“, erläutert Frank Rückert, Professor für Fluidenergiemaschinen an der Fakultät für Wirtschaftswissenschaften. „Und die Ergebnisse können sich sehen lassen: Sie zeigen eine hohe Übereinstimmung mit den im Experiment erarbeiteten Daten. Die Übereinstimmung ist sogar so gut, dass die ingenieurmäßige Auslegung des neuen Feinrechens nicht mehr experimentell, sondern weitgehend am Computer erarbeitet werden kann. Das spart Entwicklungskosten.“

„Rechen haben eine Betriebslaufzeit von ca. 15 Jahren“, fügt Professor Klaus Kimmerle abschließend hinzu. „Bei richtiger Auslegung der Feinrechen in den rund 10.000 deutschen Kläranlagen ließen sich unseren Berechnungen nach rund 11 Millionen Euro an Betriebskosten einsparen. Dieses Geld käme letztendlich den Verbrauchern zugute, die für die Abwassergebühren aufkommen.“

Zwei neue Feinrechen aus der Forschungskooperation hat der Entsorgungsverband Saar in Saarwellingen und Büschfeld bereits in Betrieb genommen.