HRT-Rechner - Hydraulische Verweilzeit für Behandlungssysteme

Was ist die hydraulische Aufenthaltszeit?

Die hydraulische Aufenthaltszeit (HRT) ist die durchschnittliche Zeit, die eine Flüssigkeit in einem Tank, Becken oder Reaktor verbleibt, bevor sie abfließt. Ingenieure verwenden sie zur Auslegung und Überprüfung von Behandlungsanlagen wie Absetzbecken für Abwasser, Belebungsbecken und Sedimentationsbecken für Trinkwasser. Die HRT wird auch Aufenthaltszeit oder Verweilzeit genannt.

Ein Tank mit kurzer HRT leert sich schnell. Ein Tank mit langer HRT hält Wasser lange zurück. Die meisten Behandlungsprozesse, etwa Sedimentation, Desinfektion oder der biologische Abbau von Abwasser, benötigen eine gewisse Mindestzeit. Die HRT zeigt einem Ingenieur, ob ein Tank dem Prozess ausreichend Zeit gibt.

Formel für die hydraulische Aufenthaltszeit

Die HRT entspricht dem Tankvolumen geteilt durch den Durchfluss durch den Tank.

$\text{HRT} = \frac{V}{Q}$

• HRT ist die hydraulische Aufenthaltszeit, gewöhnlich in Stunden.
• V ist das Volumen des Tanks oder Reaktors, gewöhnlich in Kubikmetern (m³).
• Q ist der Durchfluss durch den Tank, gewöhnlich in Kubikmetern pro Stunde (m³/h).

Die Formel setzt einen konstanten Durchfluss und ein festes Tankvolumen voraus. Sie liefert einen theoretischen Mittelwert. Ungleichmäßige Strömungen im Tank werden nicht berücksichtigt; darauf wird weiter unten eingegangen.

Einheiten

Dieser Rechner verwendet Kubikmeter (m³) für das Volumen, Kubikmeter pro Stunde (m³/h) für den Durchfluss und Stunden als Ergebnis. In der Praxis sind auch andere Einheiten üblich:

So wird die hydraulische Aufenthaltszeit berechnet

1. Ermitteln Sie das Volumen des Tanks in Kubikmetern. Verwenden Sie das Volumen, das zwischen Zulauf und Ablauf tatsächlich Wasser enthält, nicht das Volumen bis zum Rand.
2. Ermitteln Sie den Durchfluss durch den Tank in Kubikmetern pro Stunde. Verwenden Sie den durchschnittlichen oder den Auslegungsdurchfluss.
3. Teilen Sie das Volumen durch den Durchfluss. Das Ergebnis ist die hydraulische Aufenthaltszeit in Stunden.

Beide Zahlen müssen größer als null sein. Ein Tank ohne Volumen oder ein System ohne Durchfluss hat keine sinnvolle Aufenthaltszeit.

Durchgerechnetes Beispiel

Ein Tank enthält 100 m³ Wasser. Wasser fließt mit 10 m³ pro Stunde durch den Tank.

$\text{HRT} = \frac{100 \text{ m}^3}{10 \text{ m}^3/\text{h}} = 10 \text{ Stunden}$

Das Wasser bleibt durchschnittlich 10 Stunden im Tank, bevor es abfließt.

Zweites Beispiel: Ein Vorklärbecken fasst 200 m³ und erhält einen Durchfluss von 100 m³/h.

$\text{HRT} = \frac{200 \text{ m}^3}{100 \text{ m}^3/\text{h}} = 2 \text{ Stunden}$

Zwei Stunden liegen innerhalb des Bereichs von 1,5 bis 2,5 Stunden, den Auslegungshandbücher für ein Vorklärbecken angeben.

Typische HRT-Bereiche in Behandlungsanlagen

Auslegungshandbücher geben für gängige Prozesse ungefähre Bereiche an. Die tatsächlichen Werte hängen vom jeweiligen Abwasser oder der jeweiligen Wasserquelle, den örtlichen Vorschriften und der Ausstattung ab.

Eine kurze HRT kann dazu führen, dass ein Prozess unvollständig bleibt, etwa weil Feststoffe noch nicht sedimentiert sind oder Bakterien das Abwasser noch nicht abgebaut haben. Eine lange HRT ist nicht immer besser. Sie erfordert einen größeren und teureren Tank und kann bei manchen biologischen Prozessen die Mikroorganismen von der stetigen Abwasserzufuhr abschneiden, die sie als Nahrung benötigen.

Warum die tatsächliche Aufenthaltszeit vom berechneten Wert abweicht

Die Formel HRT = V/Q liefert einen theoretischen Mittelwert unter der Annahme, dass sich das Wasser gleichmäßig durch den Tank bewegt. In der Praxis funktionieren Tanks nur selten so. Zwei Effekte führen meist dazu, dass die tatsächliche Aufenthaltszeit vom berechneten Wert abweicht.

Kurzschlussströmung tritt auf, wenn ein Teil des Wassers einen direkten Weg vom Zulauf zum Ablauf findet und deutlich schneller als im Durchschnitt abfließt. Eine ungünstige Anordnung von Zulauf und Ablauf ist die häufigste Ursache.

Totzonen sind Ecken oder Bereiche mit geringem Durchfluss, in denen sich Wasser staut und kaum bewegt. Dieses Wasser zählt zum Tankvolumen, leistet aber wenig nützliche Arbeit.

Zusammengenommen können diese Effekte dazu führen, dass die tatsächliche durchschnittliche Aufenthaltszeit in einem schlecht ausgelegten Tank deutlich unter der berechneten HRT liegt. Ingenieure wirken dem mit Leitblechen entgegen, die das Wasser auf einen längeren Weg zwingen, oder messen die tatsächliche Aufenthaltszeit mit einer Tracer-Untersuchung: Am Zulauf wird ein Farb- oder Salztracer hinzugegeben, und seine Konzentration wird im Laufe der Zeit am Ablauf gemessen, um zu ermitteln, wie lange das Wasser tatsächlich im Tank bleibt.

Häufig gestellte Fragen

Was ist die hydraulische Aufenthaltszeit einfach erklärt? Sie ist die durchschnittliche Zeit, die Wasser oder Abwasser in einem Tank verbringt, bevor es abfließt. Sie wird als Tankvolumen geteilt durch den Durchfluss berechnet.

Was ist der Unterschied zwischen HRT und SRT? Die HRT misst, wie lange die Flüssigkeit in einem Tank bleibt. Die Feststoffaufenthaltszeit (SRT), auch Schlammalter genannt, misst, wie lange die Feststoffpartikel oder Mikroorganismen im System bleiben. In einer Belebungsanlage können sich die beiden Werte stark unterscheiden, da Feststoffe häufig in den Tank zurückgeführt werden, während die Flüssigkeit weiter durch das System fließt.

Was geschieht, wenn die HRT zu kurz ist? Der Prozess im Tank wird möglicherweise nicht abgeschlossen. In einem Absetzbecken können sich Feststoffe nicht absetzen, bevor das Wasser abfließt. In einem biologischen Tank haben Mikroorganismen möglicherweise nicht genügend Zeit, Abwasser abzubauen, und langsam wachsende Bakterien können schneller ausgespült werden, als sie sich vermehren.

Kann die hydraulische Aufenthaltszeit zu lang sein? Ja. Ein Tank, der viel größer als nötig ist, verursacht höhere Baukosten und in belüfteten Systemen höhere Betriebskosten. Bei manchen biologischen Prozessen kann eine sehr lange HRT außerdem die Leistung verringern, sobald die Organismen keine Nahrung mehr haben.

Verändert die Temperatur die hydraulische Aufenthaltszeit? Die Temperatur verändert die berechnete HRT nicht, da diese nur vom Volumen und vom Durchfluss abhängt. Sie beeinflusst jedoch, was bei einer bestimmten Aufenthaltszeit erreicht wird, weil biologische und chemische Reaktionen in kälterem Wasser im Allgemeinen langsamer ablaufen.

Wie wird die tatsächliche Aufenthaltszeit in einem bestehenden Tank gemessen? Ingenieure führen eine Tracer-Untersuchung durch. Eine bekannte Menge eines Tracers, etwa eines Farbstoffs oder eines Salzes, wird am Zulauf hinzugegeben, und seine Konzentration am Ablauf wird im Laufe der Zeit verfolgt. Die daraus entstehende Kurve zeigt, wie sich die Aufenthaltszeit im durchströmenden Wasser tatsächlich verteilt. Dadurch können Kurzschlussströmungen oder Totzonen erkennbar werden, die die einfache Formel nicht erfasst.

Referenzen

• Metcalf & Eddy, Inc. Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery, 5. Auflage. McGraw-Hill Education, 2014.
• U.S. Environmental Protection Agency. Primer for Municipal Wastewater Treatment Systems, EPA 832-R-04-001, 2004.
• Crittenden, J. C. et al. MWH's Water Treatment: Principles and Design, 3. Auflage. John Wiley & Sons, 2012.