Ungleich verteilte Schlammlast – CFD Simulation findet Ursachen

Kläranlage Brandenburg-Briest (Bild: AirbusGeoBasis-DE/BKG (©2009) + Google)

Zwei identische Nachklärbecken und ein Verteilerbauwerk, das rechnerisch fehlerfrei arbeitet, und dennoch erhält eines der Becken seit Jahren rund 20 % mehr Schlamm als das andere. Eine zeitabhängige 3D CFD Simulation identifizierte die Ursache.

Deutsche Kläranlagen stehen vor einer Modernisierungswelle. Die novellierte EU Kommunalabwasser-richtlinie (KARL), in Kraft seit Januar 2025, verschärft die Anforderungen stufenweise bis 2045 und betrifft in Deutschland rund 4.700 Anlagen. Der Investitionsbedarf wird auf 20 bis 25 Mrd. Euro in den kommenden zwei Jahrzehnten geschätzt. Wer jetzt saniert, braucht eine belastbare Planungsgrundlage.

Genau das war die Ausgangslage an der Kläranlage Brandenburg-Briest des Betreibers – BRAWAG GmbH. Seit Jahren wurde eines der beiden Nachklärbecken mit rund 20 % mehr Schlamm beschickt als das andere, mit den bekannten Folgen: Schlammabtrieb bei Regenwetter und Grenzwertüberschreitungen. Eine Nachrechnung nach DWA-A 131 bestätigte das Problem, konnte es aber nicht erklären. Das Verteilerbauwerk arbeitete rechnerisch einwandfrei: Der Wasserstrom wurde nahezu exakt zur Hälfte geteilt. Warum also dieses Ungleichgewicht in der Verteilung?

Der digitale Blick ins Innere der Becken

Um das zu klären, erstellte THINK Fluid Dynamix^® ein detailgetreues digitales Abbild des Verteilerbauwerks und eines Nachklärbeckens, nach den Originalzeichnungen der Anlage. Die zeitabhängige Mehrphasensimulation zeigte, wie sich Wasser und Schlamm bei Normalbetrieb und bei Starkregen tatsächlich verhielten, zeitaufgelöst und unter realen Betriebsbedingungen.

Das Ergebnis: Das Verteilerbauwerk teilte den Wasserstrom zwar nahezu exakt zur Hälfte, homogenisierte dabei aber nicht. Kam der Schlamm aus der biologischen Stufe bereits ungleich verteilt an, was im realen Betrieb regelmäßig vorkommt, bleib dieser Unterschied erhalten. Eine gezielte Testsimulation mit genau diesem Szenario reproduzierte die im Betrieb gemessene Differenz von rund 20 % in guter Übereinstimmung mit den Betriebsdaten. Damit war die Ursache identifiziert: nicht das Bauwerk war entscheidend, sondern die ungleiche Zulaufverteilung davor.

Das zweite Ergebnis: eine klare Kapazitätsgrenze

Eine zweite Simulation zeigte einen weiteren Schwachpunkt. Bei Normalbetrieb funktionierte das Nachklärbecken einwandfrei, der Schlammgehalt im Ablauf lag bei 0,8 mg/l. Im simulierten Starkregenszenario kippte das Becken jedoch: Der Schlammspiegel steig bis nahe an die Wasseroberfläche, der berechnete Ablaufwert erreichte 2.500 mg/l. Die Simulation zeigte damit, dass das Becken für Regenwetterlasten zu klein dimensioniert war.

Bedeutung für die Praxis

Die grundlegende Erkenntnis reicht über Brandenburg-Briest hinaus: Wasser- und Schlammverteilung sind zwei unterschiedliche Aufgaben. Ein Verteilerbauwerk kann hydraulisch einwandfrei arbeiten und dennoch eine ungleiche Schlammbelastung durchreichen. Eine Nachrechnung nach Regelwerk erfasst diesen Effekt nicht unbedingt. Anlagen mit ähnlicher Konfiguration tragen dieses Risiko häufig unbemerkt.

Für BRAWAG und das planende Ingenieurbüro lieferte die Simulation eine belastbare Planungsgrundlage: Investitionen in einen Umbau des Verteilerbauwerks wären wirkungslos gewesen. Die weitere Planung setzt nun an der tatsächlichen Ursache an, der Zulaufverteilung vor dem Bauwerk, sowie an der Regenwetterkapazität der Nachklärung. Fehlinvestitionen wurden vermieden, bevor gebaut wurde.