Untersuchungen zur Feststoffbildung in Unterdrucksystemen für den Schwarzwassertransport

Band 31

Raphael Rohde

Kurzübersicht

Beim Einsatz von sogenannten "Neuartigen Sanitärsystemen" (NASS) wird oftmals auf bekannte Techniken zurückgegriffen, diese müssen dann an die geänderten Randbedingungen angepasst werden. Beispiel hierfür ist der Einsatz der Unterdruckentwässerung, die sich zum Transport von Schwarzwasser anders verhält als bei dem bereits bekannten Schmutzwassertransport. Die geringen Volumina des hoch konzentrierten Teilstroms Schwarzwasser stellen andere Anforderungen an diese Technik. So waren Hinweise auf die Bildung von Ablagerung in diesen Systemen bekannt. In der vorliegenden Promotionsschrift legt Raphael Rohde erstmals ein umfassendes Erklärungsmodell für diese Ablagerungsbildung vor und präsentiert Strategien zur Minimierung und Vermeidung.
ISBN: 978-3-944101-58-3
ISSN: 1862-1406
Veröffentlicht: März 2016, Band 31. Auflage, Einband: Hardcover, Abbildung und Tabellen: zahlr. , davon 25 farbig, Seiten 186, Format 170x240 mm, Gewicht 0.4 kg
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35,10 €

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Details

Raphael Rohde

Untersuchungen zur Feststoffbildung in Unterdrucksystemen für den Schwarzwassertransport

Band 31 der Schriftenreihe des Bauhaus-Instituts für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is).

17. Jahrgang 2016.
2016. Format B5. Hardcover. 186 Seiten. Zahlreiche Tabellen und Abbildungen, 25 davon farbig. ISBN 978-3-944101-58-3. Preis 35,10 Euro.
RHOMBOS-VERLAG, Berlin 2016


Gutachter:

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong
Bauhaus-Universität Weimar, Professur Siedlungswasserwirtschaft
http://www.uni-weimar.de/Bauing/siwawi/home/_home.htm

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Theo Schmitt
Universität , Kaiserslautern, Professur Siedlungswasserwirtschaft
http://siwawi.bauing.uni-kl.de/index2.php?link=tgs

Prof. Dr.-Ing. Martin Oldenburg,
Fachgebiet "Biologische Abwasserreinigung und Abwasserverwertung"
Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Höxter
https://www.hs-owl.de/fb8/fachgebiete/biol-abwasserreinigung-u-abwasserverw/personen/leitung.html

Herausgeber der Schriftenreihe:

Bauhaus-Institut für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is)
http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/institute/bis/

Zu den Herausgebern der Schriftenreihe

Das Bauhaus-Institut für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is) verfolgt das Ziel, die Kooperation der beteiligten Professuren Siedlungswasserwirtschaft, Biotechnologie in der Ressourcenwirtschaft und Urban Energie Systems zu intensivieren, um Lehr-, Forschungs- und Beratungssaufgaben auszubauen. So sind beispielsweise die Weiterentwicklung von Studiengängen, gemeinsame Doktorandenkolloquien oder gemeinsame Forschungs- und Entwicklungsaufgaben angedacht.

Das neu gegründete "Bauhaus-Institut für zukunftsweisende Infrastruktursysteme" (b.is) will sich deutlich sichtbar im Bereich der Infrastrukturforschung aufstellen. Die Forschung und Lehre in diesem Bereich orientiert sich am medienübergreifenden Modell der nachhaltigen Gestaltung von Stoff- und Energieflüssen, die verbindendes Konzept der Kernprofessuren des Instituts sind.

Dem b.is gehören an:

Professur Biotechnologie in der Ressourcenwirtschaft (Prof. Dr.-Ing. Eckhard Kraft)
http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/professuren/biotechnologie-in-der-ressourcenwirtschaft/

Professur Siedlungswasserwirtschaft (Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong)
http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/professuren/siedlungswasserwirtschaft/

Junior-Professur Urban Energy Systems
http://www.uni-weimar.de/Bauing/energy/index.html

Professur Technologien urbaner Stoffstromnutzungen (Kommissarischer Leiter: Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong)
http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/professuren/technologien-urbaner-stoffstromnutzung/

Professur Verkehrssystemplanung (Prof. Dr.-Ing. Uwe Plank-Wiedenbeck)
http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/professuren/verkehrssystemplanung/

Honorarprofessor Dr.-Ing. U. Arnold
http://www.ahpkg.de/index.php?id=93

Zum Buch

In der Diskussion um die notwendige Veränderung und Anpassung von Infrastruktursystemen werden Transformationsprozesse erforderlich, die auf unterschiedliche technische Systeme zurückgreifen. Neuartige Sanitärsysteme (NASS) bieten dabei Möglichkeiten die gesellschaftlich bedeutsame Wandlung und der damit verbundenen Auswirkung auf Abwasserinfrastruktursysteme zu begegnen.
Bei dem Einsatz dieser Neuartigen Sanitärsysteme (NASS) wird oftmals auf bekannte Techniken zurückgegriffen, diese müssen dann an die geänderten Randbedingungen angepasst werden. Beispiel hierfür ist der Einsatz der Unterdruckentwässerung, die sich zum Transport von Schwarzwasser anders verhält als bei dem bereits bekannten Schmutzwassertransport. Die geringen Volumina des hoch konzentrierten Teilstroms Schwarzwasser stellen andere Anforderungen an diese Technik. So waren Hinweise auf die Bildung von Ablagerung in diesen Systemen bekannt, eine Ursachenforschung hierzu hat bisher noch nicht stattgefunden.
Im Rahmen der vorliegenden Promotionsschrift hat sich Herr Raphael Rohde der Herausforderung der systematischen Untersuchung gestellt. Erstmals liegt somit ein umfassendes Erklärungsmodell für diese Ablagerungsbildung vor und Strategien zur Minimierung und Vermeidung werden vorgeschlagen.
Die vorliegende Arbeit wurde als kooperative Promotion zwischen der Bauhaus Universität Weimar und der Hochschule Ostwestfalen-Lippe in Höxter durchgeführt. Die Bearbeitung erfolgte dabei im Rahmen der Mitarbeit der Hochschule Ostwestfalen-Lippe als Projektpartner in dem Forschungsprojekt „KREIS – Kopplung von Regenerativer Energiegewinnung mit Innovativer Stadtentwässerung“, das von dem Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wurde (Förderkennzeichen 033L047E). Am Standort Höxter wurden Laborversuche und eine halbtechnische Versuchsanlage betrieben. Ergänzend mit Untersuchungen an Unterdruckentwässerungsanlagen ergaben sich Erkenntnisse, die durch den Einsatz von Simulationsmodellen verifiziert wurden.
Diese ingenieurwissenschaftliche Arbeit erforderte dabei einen Blick auf andere Fachdisziplinen und zeigt, dass die Integration chemischer, biologischer und technischer Aspekte im Rahmen dieser Arbeit hervorragend gelungen ist.

Weimar, im September 2015
Prof. Dr.-Ing. Martin Oldenburg, Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong

Zusammenfassung

Vorbehaltlich einer Trennung von Grau- und Schwarzwasser in Siedlungsgebieten können Toilettenabwässer vorteilhaft durch den Einsatz der Unterdruckentwässerung gesammelt und abgeleitet werden. Infolge der hohen Konzentrationen durch geringe Spülwassermengen lassen sich nach adäquater Behandlung Nährstoffe und Energie gewinnen und die Gesamtkosten reduzieren. Aus den betrieblichen Erfahrungen bestehender Schwarzwasserunterdrucksysteme im Siedlungsbereich sind Verstopfungen der Leitungen bekannt, deren Genese in der Bildung von Feststoffen an der Rohrinnenwandung vermutet wird; systematische Untersuchungen der chemischen und physikalischen Prozesse der Feststoffbildung sowie der relevanten Einflussgrößen fehlen bislang.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Identifizierung dieser Prozesse sowie die Erstellung von geeigneten Konzepten, um die betriebliche Sicherheit der Unterdruckentwässerung von Schwarzwasser zu erhöhen. Hierzu wurden Untersuchungen an bestehenden Unterdruckanlagen durchgeführt und die Bildung von Ablagerungen (Inkrustierung) unter Verwendung von Modellschwarzwasser abgebildet.
Anhand von Proben aus verschiedenen Unterdrucksystemen konnte gezeigt werden, dass Inkrustationen sowohl organische als auch anorganische Bestandteile aufweisen, wobei die organische Fraktion auf eine Ablagerung der suspendierten Cellulose und Fäzesbestandteile im Schwarzwasser infolge einer Dünnfilmverdunstung auf der Rohrwandung zurückgeführt werden kann. Als Hauptbestandteile der anorganischen Fraktion wurden die Mineralien Hydroxylapatit, Struvit und Calcit identifiziert. Durch Implementation der chemischen und physikalischen Vorgänge in ein thermodynamisches Modell konnten diese auf Präzipitationsprozesse deduziert werden, welche aus der Hydrolyse des im Schwarzwasser enthaltenen urinbürtigen Harnstoffs initiiert werden. Während der überwiegende Anteil des entstehenden Präzipitats als Suspension im Schwarzwasser verbleibt, kristallisiert ein geringer Anteil durch mikrobielle Stoffwechselaktivitäten an der Rohroberfläche und bildet dort Inkrustationen.
Nach Etablierung von Modellschwarzwassersystemen konnte der mehrphasige Bildungsprozess erfolgreich im labor- sowie halbtechnischen Maßstab abgebildet sowie die chemischen, physikalischen Einflussfaktoren auf die Inkrustierung identifiziert werden.
Entgegen bisheriger Literaturangaben sind die Auswirkungen der Spülwasserhärte, der Temperatur sowie des Unterdruckes hinsichtlich einer Feststoffbildung als geringfügig zu bewerten. Hoher Einfluss konnte hingegen der Rohroberflächenrauheit, Schubspannungen sowie dem Luft:Wasser-Verhältnis zugeordnet werden. Weiterführend wurde das bislang schwierig abbildbare, hochturbulente 2-Phasengemisch im Unterdrucksystem durch CFD-Simulationen simuliert, als deren Ergebnis fluviatile Effekte in Interaktion mit der Inkrustation nachgewiesen werden konnten.
Während eine chemische Beseitigung nur geringfügige Erfolge aufwies, wurde eine hohe Reinigungsleistung beim Einsatz mechanisch-abrasiver Verfahren aufgezeigt. Im Zuge des Projektes KREIS erfolgt in Zukunft eine großtechnische Umsetzung der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten bau- und betrieblichen Vermeidungskonzepte im Siedlungsgebiet Jenfelder Au (Hamburg).

Schlagwörter:        Schwarzwasser, Inkrustation, Ablagerung, Unterdrucktoilette, Vakuumtoilette, Ausfällung, Harnstoffhydrolyse, CFD Strömungssimulation

Abstract

Basing on separation of grey- and blackwater wastewater from toilets can be collected and drained advantageously by the use of low pressure drainage system in urban areas. Due to high concentrations caused by low flushing volumes, a recovery of nutrients and energy as well as a reduction of total costs can be achieved. From operational experience of these low pressure sewer systems in residential areas clogging of the piping system is known caused by formation of solids on the inner pipe surface. However, systematic studies on the origin of these solids and the relevant influencing parameters are still missing.
The aim of the present work is to identify these processes and to develop suitable concepts to increase operational safety of low pressure sewer systems for blackwater. Therefore, investigations were carried out on existing low pressure sewer systems and the formation process of deposits (encrustation) was reproduced using synthetic blackwater.
Analysis of samples from various low pressure sewer systems revealed that incrustations consist of organic as well as inorganic components. The organic fraction could be attributed to depositions of the suspended cellulose and faeces components in the black water as a result of thin film evaporation on the inner pipe surface. As major constituents of the inorganic fraction the minerals hydroxyapatite, struvite and calcite have been identified. By implementation of the chemical and physical processes in a thermodynamic model, the formation of these minerals could be traced on precipitation processes, which are the result of the hydrolysis of urea from black water. While the majority of these precipitations remained suspended in the black water, only a small fraction crystallized as a result of microbial metabolic activity on the pipe surface which leads to formation of mineral incrustations.
By establishing a model of the blackwater system, the multi-phase formation process which leads to the formation of incrustations could be reconstructed under laboratory and pilot scale conditions; thereby, the structural and organizational parameters influencing the formation process could be identified.
Contrary to the results of previous investigations, the influence of flushing water hardness, temperature, and the reduced pressure are regarded as insignificant on the formation of incrustations. However, surface roughness, shear stresses and the air/water-ratio were found to play a significant role in the formation of the incrustations. In addition, the highly turbulent 2-phase mixture in the low pressure sewer system was simulated using a CFD Model. Results indicate that  
fluviatile effects can significantly decrease persistence of incrustations.
While the application of chemicals for controlling incrustations gave poor results, a high cleaning performance could be achieved by mechanical-abrasive methods. As part of the KREIS project, a large-scale implementation of presented prevention concepts will take place in the Jenfelder Au, Germany.


Keywords:    Blackwater, incrustation, deposits, low pressure toilets, vacuum toilets, precipitation, urea hydrolysis, CFD flow simulation

Einleitung

Eine der wesentlichen Errungenschaften des 19. Jahrhunderts ist die Versorgung urbaner Gebiete mit sauberem Trinkwasser und die Entsorgung des verschmutzten Wassers. In den industrialisierten Ländern setzte sich dabei die Entsorgung über das Verfahren der Schwemmkanalisation mit anschließender zentraler Behandlung durch. In den letzten Jahrzehnten stellten sich im Zuge des demographischen Wandels durch wandelnde Siedlungsdichten, sinkende Wasser- sowie Abwassermengen neue Herausforderungen. Neben höheren Investitions- und damit spezifischen Behandlungskosten kommt der Fragestellung hinsichtlich der Aufkonzentration von Mikroschadstoffen innerhalb des Wasserkreislaufs verstärke Bedeutung zu (Londong et al., 2011). Spätestens durch steigende Rohstoffpreise und unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit wird deutlich, dass die bisherigen Konzepte zur Abwasserentsorgung sowie -behandlung weder zeitgemäß noch zukunftsorientiert sind (Otterpohl und Oldenburg, 2002).
Ein generelles Umdenken hinsichtlich der Sammlung, dem Transport sowie der Behandlung von Abwasser erfolgt im Zuge der Implementierung Neuartige Sanitärsysteme (NASS) als Alternative zu den bestehenden Entwässerungskonzepten. Diese sehen eine weitestgehende Schließung von Stoff- und Wasserströmen nach dem Stand der Technik vor, um den wissenschaftlichen und gesellschaftlichen Ansprüchen auch in Zukunft Rechnung zu tragen (DWA, 2008). Ganzheitliche Lösungskonzepte berücksichtigen hierbei neben einer dezentraler Behandlung auch die Trennung der verschiedenen Abwasserströme nach ihrem Verschmutzungsgrad in Niederschlagwasser, Abwasser aus Küchen, Duschen und Waschmaschinen (Grauwasser) sowie Abwasser aus der Toilette (Schwarzwasser). Insbesondere durch eine separate Erfassung und Behandlung des Schwarzwassers können sowohl die Gesamtkosten reduziert als auch Nährstoffe und Energie zurückgewonnen werden (Peter-Fröhlich et al., 2004).
Um dies zu ermöglichen, erfolgt die Ableitung des Schwarzwassers unter Verwendung von geringen Mengen an Spülwasser durch die Sammlung und den Transport mittels Unterdrucktechnologie. Während für die Verwendung von Unterdrucktoiletten in Zügen und Flugzeugen langjährige Erfahrungen im Betrieb vorliegen (Wilfert, 2005), zählt der Einsatz im terrestrischen Bereich bislang zu den Sonderanwendungen. Aus den betrieblichen Erfahrungen bestehender Schwarzwasserunterdrucksysteme (SWUD) im Siedlungsbereich sind Schwierigkeiten bei der Gewährleistung der Systemsicherheit durch auftretende Verstopfungen der Leitungen bekannt, welche in Zusammenhang mit Ablagerungen bzw. Inkrusta
tionen an der Rohrinnenwandung vermutet werden (Oldenburg et al., 2008). Durch das Fehlen von systematischen Untersuchungen sind die derzeit vorliegenden Kenntnisse über die entsprechenden Bildungsmechanismen nicht ausreichend, um geeignete Kontroll- und Wartungskonzepte zu erstellen, so dass hier Forschungsbedarf konstatiert und dieser im Rahmen eines Forschungsvorhabens untersucht wurde.

1.1    Hintergrund der Arbeit
Neue Impulse für die Weiterentwicklung von ressourcenoptimiertem Betrieb sowie längere bzw. flexiblere Nutzung von Infrastrukturen erfolgen verstärkt durch innovative Konzepte für Siedlungs- und Infrastrukturen. Ergänzend zu Aspekten der Energietechnik und Reststoffnutzung sowie Fragestellungen zu ökonomischen und ökologischen Auswirkungen steht vor allem die Entwässerungstechnik im Fokus verschiedener Verbundprojekte.

Die bautechnische Realisierung eines derartigen Konzeptes findet seit dem Baubeginn im Oktober 2013 im Wohngebiet Jenfelder Au in Hamburg statt. Neben den ca. 900 Wohneinheiten wird mit dem Bau sozialer und kultureller Infrastrukturen das Gebiet als sogenanntes Stadtquartier umgesetzt. Unter dem Motto
„Versorgung durch Entsorgung” ist das Projekt in der realisierten Größenordnung für einen urbanen Raum bislang einmalig (Londong und Hartmann, 2013). Zur Deckung des Strom- und Wärmebedarfs werden dabei neben regenerativen Energiequellen auch lokal anfallende Abwässer und Bioressourcen im Rahmen des sogenannten HAMBURG WATER Cycle® genutzt (Schonlau und Li, 2010; Schönfelder et al., 2013). Die Sammlung und der Transport des anfallenden Schwarzwassers im Siedlungsgebiet erfolgt dabei mittels einer Unterdruckentwässerung. Im Rahmen der Fördermaßnahme INIS „Intelligente und multifunktionelle Infrastruktursysteme für eine zukunftsfähige Wasserversorgung und Abwasserentsorgung“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung erfolgt die wissenschaftliche Begleitung des Bauprojektes für den Zeitraum November 2011 bis Februar 2015 als transdisziplinäres Forschungsprojekt KREIS „Kopplung von regenerativer Energiegewinnung mit innovativer Stadtentwässerung“. Die vorliegende Arbeit ist im Wesentlichen im Kontext dieses Projektes entstanden.

1.2    Zielstellung und Struktur der Dissertation
Die Ergebnisse der Arbeit setzen sich aus fünf Hauptkapiteln zusammen. Durch Untersuchungen der chemischen Prozesse im Schwarzwasser sowie von Inkrustationen aus bestehenden Unterdruckanlagen wurde der Bildungsprozess der Inkrustierung unter Laborbedingungen nachgebildet sowie die strömungstechnischen und thermodynamischen Prozesse innerhalb von Unterdrucksystemen durch Modelle beschrieben. Ausgehend von den Hauptkapiteln konnten Zwischenergebnisse sowie entwickelte Methoden erstellt werden, welche durch Ergebnisse aus in situ-, Labor- sowie halbtechnischen Versuchen validiert wurden (gestrichelte Linie). Die Zwischenergebnisse wurden jeweils am Ende des entsprechenden Kapitels komprimiert als Einzelpunkte zusammengefasst und in Form einer Modellvorstellung zur Inkrustierung von Schwarzwasserunterdrucksystemen am Ende der Arbeit zusammenfassend dargestellt, aus denen bau- und betriebstechnische Auswirkungen sowie entsprechende Maßnahmen abgeleitet werden konnten.

Insgesamt soll diese Arbeit einen Beitrag zur wissenschaftlichen Diskussion in den nachfolgenden Gebieten liefern:

  • Daten hinsichtlich der Zusammensetzung des Stoffstromes Schwarzwasser wurden generiert, über die bislang wenige oder keine Angaben in der Literatur zu finden sind.
  • Eine Methode zur synthetischen Herstellung von schwarzwasserspezifischen Ablagerungen durch Verwendung von Modellschwarzwasser wurde entwickelt und der Inkrustierungsprozess innerhalb einer halbtechnischen Versuchsanlage umgesetzt.
  • Im Kontext videotechnischer Inspektion von Kanalsystemen wurde ein Verfahren zur statistischen Auswertung bei Leitungen mit geringen Rohrdurchmessern entwickelt..
  • Thermodynamische Prozesse als Folge der Harnstoffhydrolyse im Schwarzwasser konnten in Form eines Modells abgebildet und prognostiziert werden.
  • Detaillierte Einsichten in bislang schwierig abbildbare strömungstechnische Bedingungen der Unterdruckentwässerung konnten mittels CFD-Simulationen ermöglicht werden.
  • Einflussparameter bei der Bildung von Inkrustationen wurden spezifiziert.
  • Über den wissenschaftlichen Bereich hinausgehend konnten Beiträge zur Erhöhung der betrieblichen Sicherheit von Unterdruckentwässerungssystemen und damit zur Verbesserung der Implementierung von Neuartigen Sanitärsystemen geleistet werden.
    .

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis    XIX
Tabellenverzeichnis    XXV


1    Einleitung    1
1.1    Hintergrund der Arbeit    2
1.2    Zielstellung und Struktur der Dissertation    3

2    Grundlagen der Unterdruckentwässerung    5
2.1    Funktionsprinzip und technisches Regelwerk    6
2.2    Projektbeispiele für Schwarzwasserunterdrucksysteme    10
2.3    Der Stoffstrom Schwarzwasser    11
2.4    Zusammenfassung    17

3    Chemische Prozesse im Schwarzwasser    19
3.1    Schwarzwasser in Unterdruckentwässerungssystemen    19
3.1.1    Schwarzwasserzusammensetzung    20
3.1.2    Feststoffe aus chemischen Umsetzungen    22
3.1.3    Komplexbildungen    23
3.2    Modellschwarzwasser    25
3.2.1    Zusammensetzung der Modelllösung    25
3.2.2    Vergleich von Modell- und nativem Schwarzwasser    27
3.3    Auswirkungen der Harnstoffhydrolyse    28
3.4    Zusammenfassung    29

4    Modellierung der physikalischen und chemischen Prozesse im Schwarzwasser    31
4.1    Grundlagen    32
4.1.1    Löslichkeit und Kristallisation    32
4.1.2    Besonderheiten bei der Verwendung thermodynamischer Modelle   .  35
4.1.3    Stoffausträge über die Gasphasen    35
4.2    Modellerstellung und -validierung    38
4.2.1    Flüssigphase    38
4.2.2    Gasphase    41
4.3    Einflussfaktoren der Feststoffbildung im Schwarzwasser    43
4.3.1    Einfluss der Spülwassermenge    45
 
4.3.2    Einfluss der Spülwasserzusammensetzung    47
4.3.3    Einfluss des Systemdruckes    48
4.4    Zusammenfassung    51

5    Grundlagen der Bildung von Ablagerungen und Inkrustationen . .  53
5.1    Klassifizierung von Inkrustationsarten    54
5.1.1    Stofftrennung    54
5.1.2    Phasenwechsel    56
5.1.3    Biogenes Wachstum    59
5.2    Bildungsprozesse bei der Mineralinkrustation    60
5.2.1    Abiotische Bildung    60
5.2.2    Biotische Bildung    61
5.3    Auftreten von Inkrustationen in abwasserführenden Systemen    63
5.4    Maßnahmen gegen Inkrustationen    65
5.5    Zusammenfassung    68

6    Untersuchungen an Unterdruckentwässerungssystemen    69
6.1    Auftreten von Inkrustationen in Unterdrucksystemen    70
6.1.1    Material und Methoden    70
6.1.2    Ergebnisse und Diskussion    73
6.2    Untersuchung des Probenmaterials    77
6.2.1    Mikroskopische Untersuchungen    78
6.2.2    Röntgendiffraktometrie    79
6.2.3    Chemische/ physikalische Untersuchungen    81
6.3    Wechselwirkung von Ablagerungen und Harnstoffhydrolyse    83
6.4    Zusammenfassung    85

7    Inkrustionsprozess unter Verwendung von Einzelsubstanzen  . . .  87
7.1    Bildung organischer Inkrustationen    88
7.1.1    Material und Methoden    88
7.1.2    Ergebnisse    89
7.2    Bildung anorganischer Inkrustationen    92
7.2.1    Material und Methoden    92
7.2.2    Ergebnisse    94
7.3    Kombination von Partikel- und Kristallinkrustation    97
7.3.1    Vorgehen    97
7.3.2    Validierung der Methode    98
7.4    Zusammenfassung    100
 
8    Schwarzwasser innerhalb von Unterdrucksystemen    103
8.1    Halbtechnische Versuchsanlage    103
8.2    Bau- und betriebstechnische Einflüsse auf die Bildung von
Inkrustationen    106
8.2.1    Luft:Wasser-Verhältnis    106
8.2.2    Einfluss der Rohrtemperatur    111
8.2.3    Einfluss des Rohrmaterials    112
8.3    Versuche zur Beseitigung von Inkrustationen    115
8.3.1    Material und Methoden    115
8.3.2    Ergebnisse und Diskussion    116
8.4    CFD-Strömungssimulation    120
8.4.1    Grundlagen der Computational fluid dynamics    121
8.4.2    Modellerstellung    123
8.4.3    Modellvalidierung    124
8.4.4    Transportverhalten im Unterdrucksystem    128
8.4.5    Fließgeschwindigkeiten    130
8.4.6    Übertragbarkeit der Simulation auf die Bildung von Inkrustationen   . 131 8.5    Zusammenfassung    133

9    Zusammenfassung und Auswirkungen auf die Bemessung und
den Betrieb    135
9.1    Modellvorstellung des Bildungsprozesses    135
9.2    Qualitative Zusammenfassung der Einflussfaktoren    136
9.3    Bau- und betriebstechnische Verminderungs- und
Vermeidungskonzepte    137
9.4    Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Systeme    139
9.5    Ausblick    140

Literaturverzeichnis    141

Zusatzinformation

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