FG Wassertechnik
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Durch die in dieser Arbeit durchgeführte Klassifizierung der Rauheiten, geometrischen Faktoren und ihre systematische Darstellung und Auswertung konnte eine Abbildungsvorschrift erstellt werden, welche die entstehenden hydraulischen Verluste abbildet. Dazu ist eine Bereichseinteilung für die Rauheitsdichte cK‘ erforderlich. Innerhalb der einzelnen Teilbereiche sind durch die Darstellung unterschiedlicher Quellen mit gleichen k/D-Verhältnissen polynomische Ausgleichsfunktionen 5. Grades (max) (Sandrauheit/Rauheitshöhe als Funktion der Rauheitsdichte) erstellt worden. Mittels der darauf basierenden Parameterfunktion (Polynom a0 bis a5) kann eine allgemein gültige Verlustberechnung erfolgen.
Water is a primordial resource for the development of urban agglomerations. Today, 50% of the population worldwide is concentrated in urban settlements and 10 - 20% of all worldwide freshwater consumption occurs in the domestic sector (UN: World water development report 3). By 2030, 60% of the world’s population will be living in urban settlements (UNESCO), and domestic freshwater consumption will rise by 70% in 2025. Urban areas inflict high pressure on the local and even regional water sources, since the high population density requires large flow volumes in a restricted area, with often competing pressures on the water resource per se as well as for the space needed for water storage or aquifer recharge. This becomes complicated and even critical in areas where natural water availability is already scarce and urban demand is high due to large population sizes. Today 700 million people in 43 countries are living in water stress condition (Human Development Report 2006). Mexico, ranking 88 on a global scale in water availability per capita, is a clear example of this situation, where the most populated urban settlements, such as Mexico City, Monterrey, Guadalajara, Puebla or Queretaro are located in regions which concentrate only 31% of the renewable water of the country (CONAGUA). Thus, the main question arises: How will the urban settlements develop a sustainable water supply now and in the future?
The city of Guadalajara, in particular, has seen an extremely fast and chaotic development in the past three decades, where the population of the city increased from 1,354,000 inhabitants in 1970 to 4,064,000 in 2005; by 2020 Guadalajara is expected to overpass the 5 million inhabitants thus becoming a megacity. Nowadays, overall water consumption in the city is about 9.3 m3/sec. and it is estimated to be 10.3 m3/sec by 2030, with Lake Chapala as the main water source, supplying 55% of the water demand. However, Lake Chapala has been confronted with several severe droughts which critically lowered its water table as was the case between 1998 and 2003 and due to its weak equilibrium droughts could be more recurrent in the future. As the water supply of Guadalajara is strongly linked to the faith of Lake Chapala, Guadalajara needs to reduce its pressure on the lake by adopting strategies based on sustainable development.
The main goal of this research is to provide governments and decision makers with a robust tool that integrates the most amount of information possible but presents this information in a simple way, offering at the same time the possibility to detect the factors that need to be addressed in order to reach sustainability.
The specific aim is to test the use of composite indices (CIs) to the case of the city of Guadalajara in the period of the year 2000 to 2009. CI is a holistic methodology in which independent variables can be aggregated into a single result. CIs thus allow for the comparison between different cases, the integration of qualitative and quantitative variables and the easy use by decision makers. We used 11 carefully selected variables from all three sectors of sustainability, economical, ecological and social, which were first normalized using ranging procedures and process capability indices, and aggregated by using the weighted geometric mean. A set of best strategies Guadalajara should follow are suggested in order to have a sustainable water supply in the future.
With this study, we have been able to show that CIs are an effective tool for evaluating sustainability of domestic freshwater supply at local scale. Overall, Guadalajara reached a CI of 0.29 showing, that its domestic water supply is currently not sustainable. It was able to identify the following three main problems: a) lack of wastewater treatment with just less than 3% of the waste water being treated; b) water loss in the distribution system, with 34% of the water extracted being lost at some point in the distribution system (during treatment, in the pipelines and dweller connection to the distribution net); c) water availability, with increased flow volumes of Lake Chapala in the last six years, but only surpassing its natural storage twice (2004 and 2009). Nonetheless, a clear trend of continuous improvement could be seen overall in the past years with a decline in the domestic water consumption per capita to levels comparable to the one in Berlin, as a consequence of people awareness after the several drought Lake Chapala suffered in the beginning of the decade, and an increase in the level of access to piped water and connectivity to the drainage system to 94% of the city’s coverage in 2009 (on year 1990, the access to piped water was 89% and the connectivity to the drainage system was 92%).
Biologische Kleinkläranlagen finden dort ihren Einsatz, wo eine zentrale Abwasserreinigung nicht wirtschaftlich ist. Auf dem Prüffeld im Rahmen der bauaufsichtlichen Zulassung erreichen die Anlagen deutlich geringere Ablaufwerte als in der Praxis. Die Ursachen für die höheren Ablaufwerte liegen in den vielfältigen Einflussfaktoren auf die Funktionstüchtigkeit einer Kleinkläranlage. In einer Auswertung von über 11.000 Datensätzen wurden die wichtigsten Faktoren, wie zum Beispiel Zulauf- und Ablaufqualität/–quantität, Wartungshäufigkeit, technisch/technologische, betreiberbedingte oder Witterungsfaktoren, auf ihren Einfluss auf die Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit von Kleinkläranlagen bewertet. Die Bestimmung der Funktionstüchtigkeit der Kleinkläranlagen bei der Wartung wird mit der Überprüfung betriebsrelevanter Bedingungen und Parameter sowie der Messung der Ablaufkonzentrationen erleichtert. Die chemische Bestimmung der Ablaufqualität ist vor Ort jedoch aufwendig und daher nicht praktikabel. Zudem sind Kleinkläranlagen überwachungsintensiv. Anlagenausfälle werden aufgrund geringer Wartungshäufigkeiten und mangelhafter Eigenüberwachung durch den Betreiber nicht kurzfristig erkannt und behoben. Daher wurden einfache physikalische Messmethoden, wie die Messung des Gehalts an gelöstem Sauerstoff, der Trübung, der Redoxspannung sowie des spektralen Absorptionskoeffizienten SAK254, auf ihre Eignung als Ersatzparameter für den CSB, BSB5 sowie NH4-N im Ablauf einer Kleinkläranlage untersucht. Die Bewertung erfolgte im Rahmen von Einzel- wie auch Online-Messungen. Auf der Grundlage der analysierten Zusammenhänge konnten praktikable Konzepte zur Vorgehensweise der Ablaufkontrolle vor Ort einerseits und zur Online-Betriebskontrolle andererseits aufgezeigt werden. Wichtige Wartungsmaßnahmen und Lösungsvorschläge für Problembereiche wurden aus den Erfahrungen des Betriebs von Kleinkläranlagen heraus zusammengestellt, um den Einsatz von Kleinkläranlagen zuverlässiger zu gestalten.
Für die Beschreibung von Vielkomponentensystemen über Verteilungsfunktionen oder Pseudokomponenten wurden thermodynamische Grundlagen zusammengestellt und auf sehr unterschiedliche Phänomene der Wasserbehandlung angewendet. Für organische Stoffe wurde ein zweidimensionales Ordnungsschema nach dem log KOW und der Molmasse vorgeschlagen. In dieses Schema lassen sich bekannte Stoffe zusammen mit unterschiedlich ermittelten Pseudokomponenten eintragen. Über die Lage von Stoffen in diesem Schema erhält man orientierende Informationen zu deren Behandlungseigenschaften und Umweltverhalten (Adsorption, Flockung, Bioakkumulationsvermögen). In diesem Zusammenhang wurden neue Auswertemethoden für UV/VIS-Spektren, Titrationskurven, Adsorptionsisothermen und Filterversuche vorgestellt.
Als Folge des Braunkohlebergbaus entstehen im Lausitzer Revier eine Vielzahl von Tagebauseen, deren Wasserbeschaffenheiten häufig durch niedrige pH-Werte und hohe Eisen- und Sulfatkonzentrationen gekennzeichet sind. Bisher ist keine Technologie verfügbar, die neben einer Neutralisation auch die Verminderung der Sulfatkonzentration im großtechnischen Einsatz leisten kann. Mit der vorliegenden Arbeit wurde ein Verfahren entwickelt, das die Entsäuerung schwefelsaurer Wässer durch mikrobielle Sulfatreduktion und Fällung von Eisensulfiden erreicht. Für den dreistufigen Aufbereitungsprozeß wurden verschiedene Festbettreaktoren erprobt und die zu erwartenden Behandlungskosten abgeschätzt. Die Ergebnisse können auf andere Anwendungsfälle übertragen werden. Mit den ermittelten Anwendungsgrenzen ist die Auswahl zweckmäßiger Sanierungstechnologien zur Entsäuerung und sinnvollen Verminderung der Sulfatkonzentrationen möglich.
Gekoppelte fluidmechanische Modelle für Desinfektionsvorgänge und deren Effizienz in UV-Reaktoren
(2005)
Ziel der Dissertation ist es, mikrobiologische, biophysikalische, optische und fluidmechanische Ansätze von einem theoretischen Standpunkt derart zu vereinen, dass für den betreffenden Anwendungsfall mit einem durchgängigen Rechengang der optimale UV-Reaktor dimensioniert werden kann. Ein solches die Einzeldisziplinen verbindendes Modell erhält die Bezeichnung Gekoppeltes Fluidmechanisches Modell (GFM) bzw. wenn weitere Gesichtspunkte eine Rolle spielen Gekoppelte Fluidmechanische Modelle. Dieses Ziel wurde durch die Formulierung und die Aufstellung der entsprechenden Gleichungssysteme erreicht. Für diesen Zweck wurden aufbauend auf dem Erkenntnisstand der Einzeldisziplinen die adäquaten Ergebnisse und Modellansätze ausgewählt und mathematisch erprobt. Eine repräsentative Auswahl der derzeit in der Bundesrepublik Deutschland seitens der Industrie verwendeten UV-Reaktorkonstruktionen wurden untersucht und bewertet. Die im Rahmen der Arbeit entwickelten Gekoppelten Fluidmechanische Modelle (GFM) wurden unter dem Aspekt eines theoretischen Modellreaktors und einer konkreten technischen Anwendung (Praxisreaktor) sowie deren Erweiterung durch die Variation eines Konstruktionsparameters, in numerische Berechnungen getestet. Vorliegende meßtechnische in der Praxis des Betriebs von Schwimmbädern gewonnene Ergebnisse dienten als experimenteller Hintergrund. Der Inhalt der Arbeit ist derart aufbereitet, dass die Ansätze und Verfahrensvorschläge für die Einbindung in ein existierendes CFD-software-Paket geeignet sind oder in einer kombinierten Form genutzt und angewendet werden können (spread-sheet-Lösung). Während der Analyse wurde eine Klassifizierungsmethode entwickelt, die sich auf den technischen Details der Reaktorkonstruktionen und auf den in diesen verwendeten Plasma - Strahlungsquellen gründet.
Beim Transport von Flüssigkeiten durch Rohrleitungssysteme werden sowohl die Flüssigkeitssäule als auch echt gelöste, kolloidale oder suspendierte Inhaltsstoffe bewegt. Strömungsvorgänge im wandnahen Bereich sind durch starke Geschwindigkeitsgradienten charakterisiert. Hier kommt es zu Wechselwirkungen zwischen dem Wandmaterial, der Flüssigkeit und den in der Flüssigkeit transportierten Inhaltsstoffen. Entsprechend differenzierter Foulingmechanismen entwickeln sich Rohrwandbeläge, welche selbstorganisierende Strukturen aufbauen können. Die Wechselwirkung zwischen wandnahen Strukturen, der bewegten Flüssigkeit, Adhäsionsvorgängen von Inhaltsstoffen bzw. Strukturveränderungen der Wandoberfläche und der Erhöhung des Strömungswiderstandes wurde bislang nur in Ansätzen analysiert. Diese Vorgänge können zu extremen Leistungsminimierungen der Rohrleitungssysteme bei sehr geringen Ablagerungshöhen führen. Sie können selbstorganisierende Rauheitsstrukturen generieren, welche sich als riffelartige Formationen eines dünnen Films auf der Rohrwand ausbilden. Riffelartige Ablagerungsstrukturen wurden in verschiedenen Druckrohrleitungen beobachtet. WIEDERHOLD (1949), SEIFERT und KRÜGER (1950) untersuchten in diesem Zusammenhang eine Druckrohrleitung (Fernwasserleitung der Eckertalsperre), die nach kurzer Betriebsdauer eine extreme Reduktion der Durchflussleistung zeigte. In einer Betriebszeit von 3 Jahren verringerte sich die Leistungsfähigkeit der Druckrohrleitung DN 500 auf 57,1% der ursprünglichen Leistung. Die Vermessung des Wandbelages ergab eine durchschnittliche Riffelhöhe von 0,7 mm und einen mittleren Riffelabstand von 5 mm. Unter Annahme der Gültigkeit der Sandrauheitstheorie nach NIKURADSE kann eine äquivalente Sandrauheit von 14,6 mm bei einer tatsächlich gemessenen Riffelhöhe von 0,7 mm bestimmt werden. Gegenstand der vorliegenden Untersuchungen ist es, die bislang durch Berechnungsansätze unberücksichtigten Formen der selbstorganisierenden Rauheiten in Druckrohrleitungen, auch bekannt als Rauheitsanomalie, zu beschreiben. Es wird eine Theorie entwickelt, die bei auftretenden selbstorganisierenden Rauheitsstrukturen die Berechnung der festzustellenden Verlusthöhen in Druckrohrleitungen zur Sicherung der dimensionierten Leistungsfähigkeit ermöglicht. Auf Basis des vorhandenen Datenmaterials wurde der durch SEIFERT und KRÜGER postulierte Ansatz, von Resonanzerscheinungen zwischen Schwingungen der riffelartigen Wandbeläge und den turbulenten Schwankungsgeschwindigkeiten, weiterentwickelt.. Diese These wurde auf Basis der durch BÜNGER prognostizierten Frequenzen für Strömungsvorgänge verifiziert. Es wird ein analytisches / empirisches Modell zur Bestimmung von Widerstandsbeiwerten bei selbstorganisierender Rauheit in Druckrohrleitungen vorgeschlagen. Das Modell wurde auf der Grundlage vorhandener Messreihen validiert.
