Immissionsorientierte Bewirtschaftung von Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer
31.07.2007
Die integrale Betrachtung der Einzelsysteme Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer ist der zentrale Ansatz für die zukünftige ökologische und ökonomische Verbesserung der Gewässerqualität. Mit dem Erkennen der Stoffeintragspfade aus den verschiedenen wasserwirtschaftlichen Systemen in das Gewässer und der Analyse der Wechselwirkungen zwischen den Einzelsystemen wird die Voraussetzung für eine ganzheitliche Optimierung des Gesamtsystems geschaffen. Aufgrund der immer detaillierter werdenden Kenntnisse über Vorgänge im Kanalnetz, in den Kläranlagen und in den Gewässern hat die Spezialisierung der Fachleute zugenommen.
Eine Verbesserung der Gewässer, die sowohl ökologisch als auch ökonomisch optimiert ist, ist auf den bisher beschrittenem Weg, der sich im Wesentlichen an Emissionsstandards und dem Stand der Technik und dadurch an isoliert voneinander betrachteten Einzelmaßnahmen orientiert, nicht zu erreichen. Daher muss mit einem integralen, an Nachhaltigkeitskriterien ausgerichteten Ansatz gearbeitet werden. Hierzu ist eine stoffstromorientierte Verknüpfung von Modellbetrachtungen notwendig.
Ziel der neu entwickelten Planungsmethodik ist es, dem planenden Ingenieur eine Anleitung zur Auswahl von verfügbaren Modellen orientierend an seiner Maßnahmenplanung zu geben, aber auch die Grenzen der Anwendung aufzuzeigen. Anhand der gewählten Modellkombination soll er die Bewirtschaftungsstrategie für Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer ermitteln, welche die für den Gewässerschutz günstigste Lösung darstellt. Der hier beschriebene Modellansatz eignet sich schwerpunktmäßig zur dynamischen Analyse von Einzelereignissen.
Mathematische Modelle für die einzelnen Systeme der Wasserwirtschaft wurden bisher unabhängig voneinander entwickelt. Dies hatte zur Folge, dass sowohl die Modelle an den Systemgrenzen als auch die Simulationsprogramme nicht kompatibel zueinander waren. In der Vergangenheit wurden daher verschiedene Methoden zur integrierten Simulation erprobt. Einen guten Überblick über bereits existierende Modellansätze für die einzelnen Teilsysteme, die z.T. auch in kommerzielle Software umgesetzt wurden, wird in SCHÜTZE ET AL. [2002], ERBE ET AL. [2002] UND ERBE [2004] gegeben. Im später dargestellten Anwendungsfall Dhünn/Odenthal wurde im Rahmen eines F+E Vorhabens von Wupperverband und Ruhr-Universität Bochum die Anwendung bestehender Modellansätze zur immissionsorientierten Planung untersucht (WEILANDT ET AL. [2002]; ORTH ET AL [2003]; LONDONG ET AL. [2003]; WEILANDT ET AL. [2005]). Hierbei wurden auf Basis von Langzeitsimulationen immissionsorientierte Grenzwerte für Einleitungen auf Basis einer Amplituden-Dauer Matrix angewendet.
Zunächst sind für ein Untersuchungsgebiet die Problembereiche und die Entwicklungsziele zu definieren. Dann schließt sich die Analyse der Belastungswirkungen im Ist-Zustand und deren Verursacher an. Diese Analysephase könnte auf Basis bestehender Messdaten erfolgen. Oft ist jedoch der vorliegende Datenbestand hierzu nicht ausreichend oder der Datenbestand gibt spezielle Effekte nicht wieder. Daher kann ein Simulationsmodell bereits in der Analysephase eingesetzt werden. Hieraus ergeben sich erste Maßnahmenvorschläge zur Behebung der Defizite, deren Auswirkungen grob abgeschätzt werden können. Die für die konkrete Abschätzung der Maßnahmen erforderlichen Szenarienberechnungen erfolgen mit einem Simulationsmodell. Aufgrund der Komplexizität und des hohen rechentechnischen Aufwandes für ein integriertes Modell ist es aber erforderlich, das Modell entsprechend der zu untersuchenden Fragestellung anzupassen.
- Im ersten Schritt muss festgestellt werden, welche Teilsysteme durch die zu untersuchende Maßnahme direkt beeinflusst werden. Dies sind die Teilsysteme, in denen die Maßnahme umgesetzt wird. Die für die Abbildung dieser Teilprozesse verwendeten Modelle müssen aufgrund der gewählten Maßnahme angepasst werden. Die Anpassungen betreffen die Eingangsgrößen, die Modellstruktur und die Modellparameter. Aufgrund einer Maßnahme können sich auch Beeinflussungen auf andere Teilprozesse ergeben, die zwar nicht zu Anpassungen der Eingangsgrößen und der Modellstruktur dieser Teilmodelle führen müssen, jedoch eine Anpassung der Modellparameter erfordern. Dies muss im Einzelfall untersucht werden.
- Im zweiten Schritt muss bewertet werden, welche Teilsysteme zur Bewertung der gewählten Maßnahme in der Simulation berücksichtigt werden müssen. Hierbei wird nicht mehr zwischen den Teilprozessen unterschieden, sondern nur zwischen Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer. Dabei wird davon ausgegangen dass die Niederschlags-Abfluss-Simulation im Teilsystem Einzugsgebiet immer im Vorlauf zur Kanalnetzsimulation erfolgt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil einer integrierten Simulation ist die Möglichkeit, Wechselwirkungen zwischen den Teilsystemen abzubilden und teilsystemübergreifende Bewirtschaftungsmaßnahmen abzubilden.
- Allerdings ist die parallele Gesamtsimulation aller Teilsysteme sehr rechenaufwendig. Daher ist im dritten Schritt zu bewerten, ob zur Bewertung der gewählten Maßnahme eine parallele oder sequenzielle Simulation erforderlich ist.
- Die im ersten Schritt aufgrund der gewählten Maßnahme erforderlichen Modellanpassungen sind auf die durch die Modellstruktur vorgegebenen Parameter bezogen. Einzelne Bewirtschaftungsmaßnahmen erfordern jedoch neu zu erstellende Modellblöcke, die im vierten und letzten Schritt auszuführen sind.
Als Beispielprojekt wurde das Entwässerungssystem der Gemeinde Odenthal gewählt. Odenthal ist eine rund 40 km² große, ländlich strukturierte Gemeinde am südlichen Rand des Wupperverbandsgebietes. Die Kläranlage Odenthal war zum Untersuchungszeitpunkt auf 14.000 Einwohnerwerte ausgelegt und wurde mittlerweile erweitert. Die Einzugsgebietsfläche beträgt ca. 429 ha, wovon ca. 123 ha befestigte Fläche im Modell erfasst sind. Das System entwässert hauptsächlich im Mischverfahren. Die durchschnittliche jährliche Niederschlagshöhe beträgt 996 mm. Das Kanalnetz hat eine einfache, gering verzweigte Struktur mit drei Hauptzweigen, vier Regenüberlaufbecken mit einem Volumen von 100 bis 1.750 m³ und fünf Regenüberläufen. Das größte RÜB liegt auf dem Gelände der Kläranlage. Die Kläranlage war als AB-Anlage konzipiert. Der Hauptvorfluter im Einzugsgebiet ist die Dhünn, die am nördlichen Rand der Gemeinde durch die Große-Dhünn Talsperre zur Trinkwassergewinnung aufgestaut wird. Die Talsperre unterbricht nicht nur die Längskontinuität, sondern ihre Betriebsweise ist darüber hinaus verantwortlich für den Wassermengen- und Temperaturhaushalt des betrachteten Gewässerabschnittes. Die Dhünn gilt im Bereich Odenthal als naturnahes Gewässer und ist ein wichtiger Bestandteil im Wanderfischprogramm des Landes NRW.
Das integrierte Modell umfasst das vollständige Entwässerungssystem der Gemeinde Odenthal, die Kläranlage und einen 6 km langen Abschnitt der Dhünn vom Ortszentrum Odenthal bis zum Pegel Hummelsheim. Die Umsetzung des detailliert vorliegenden Kanalsystems erwies sich als rechentechnisch zu aufwendig. Es erfolgte daher eine Vereinfachung. Die über 1.000 Haltungseinzugsgebiete wurden zu 56 Teileinzugsgebieten zusammengefasst und im Modell PLASKI abgebildet. Die einzelnen Haltungen wurden zu 56 Hauptsammlerabschnitten zusammengefasst. Die Simulation der biologischen Stoffumsetzungsprozesse im Kanalnetz erfolgte mit einem Modellansatz nach ALMEIDA [1999] ergänzt um einen Ansatz für die Abbildung von Sedimentations- und Erosionsprozesse partikulärer Stoffe nach SCHILLING ET AL. [1998]. Beim Kläranlagemodell wird die modifizierte A-Stufe als Belebungsbecken, die Zwischenklärung mit dem Vorklärbeckenmodell nach Otterpohl und Freund [OTTERPOHL 1995] beschrieben. Die Stufe B besteht aus einem Block für den Denitrifikationsvolumenanteil des Belebungsbeckens und einem Block für das Nitrifikationsvolumen. Als Nachklärbeckenmodell kommt das Schichtenmodell nach OTTERPOHL [1995] zur Anwendung, um in der Lage zu sein, die Veränderung des Schlammspiegels und den Schlammabtrieb zu simulieren. Die biologischen Abbauprozesse werden mit einem um die Stoffgruppe Nitrit erweitertem ASM1 [HENZE ET AL. 2000] modelliert.
- Reduzierung der versiegelten Fläche durch Abkopplung und Versickerung
- Erweiterung der Kläranlage
- Lokale und integrierte Steuerung von Kanalnetz und Kläranlage
- Steuerung des Abflusses der Dhünn mit Hilfe des Talsperrenabflusses
Standard-Maßnahmen wie die Erweiterung der Kläranlage tragen besonders zu einer Verbesserung während Trockenwetter bei. Diese Maßnahme wurde bereits umgesetzt. Nachfolgend werden die Ergebnisse der Bewirtschaftung des Systems mit Steuerstrategien vorgestellt. In Bild 5 sind verschiedene Strategien dargestellt, die im Gesamtsystem untersucht werden können. Hierbei handelt es sich z.T. um komplexe Strategien, deren Anwendbarkeit in der Praxis geprüft werden muss, jedoch im diesem Fall die Leistungsfähigkeit des Planungswerkzeuges darstellen sollen.
- A) Die Drosselwassermenge des RÜB Hahnenberg, das in einem der Zulaufsammler zum Trennbauwerk vor der Kläranlage liegt, wird verringert, solange es durch die dadurch bedingte Erhöhung der Entlastungswassermenge nicht zu einer Überschreitung der Ammoniakkonzentration in der Dhünn von 0,04 mg/l kommt.
- B) In einem weiteren Zulaufsammler zum Trennbauwerk vor der Kläranlage wird in einem flach verlegten Sammlerabschnitt von ca. 300 m Länge und 1,2 m Durchmesser ein bewegliches Wehr zur Aktivierung von Kanalstauvolumen betrieben. Der Einstau des Kanalstauraums wird in Abhängigkeit des Füllgrades des RÜB Kläranlage (BKLA) geregelt.
- C) Der Mischwasserzulauf zur Kläranlage wird in Abhängigkeit von Leistungsfähigkeit der Nitrifikation und Nachklärung, sowie von der Ammoniakkonzentration im Gewässer nach Einleitung der KA geregelt. Hierbei wird zuerst ermittelt, ob die Leistungsfähigkeit der Nitrifikation oder der Absetzprozesse im NKB einen höheren Zulauf zur KA erlauben. Der ungünstigere Wert von beiden ist maßgebend. Der Zulauf zur Kläranlage (Ist-Zustand 2Qs+Qf=110 l/s) kann zwischen 80 und 150 l/s variiert werden. Sollte die Erhöhung der KA-Zulaufes über 110 l/s jedoch zu einer Überschreitung der Ammoniakkonzentration von 0,04 mg/l in der Dhünn nach der KA-Einleitung führen, wird der Zulauf auf 110 l/s begrenzt.
- D) Das Trennbauwerk (VKLA) vor der Kläranlage leitet die nicht von der Kläranlage aufgenommenen Wassermengen in Richtung RÜB Kläranlage (BKLA). In der Zuleitung zum RÜB wird ein weiteres Trennbauwerk (VBKLA) eingerichtet, das es ermöglicht, Mischwasser ohne Durchleitung durch das RÜB in die Dhünn zu entlasten. Dies kann dann erfolgen, wenn die Ammoniumkonzentration im RÜB höher ist als in dem vom Trennbauwerk VKLA in Richtung RÜB entlasteten Strom. Es verbleibt in allen Fällen eine Mindestweiterleitungsmenge zum RÜB BKLA von 20 % des Gesamtzulaufes zum Trennbauwerk VBKLA. Eine weitere Prüfung der Ammoniakkonzentration im Gewässer entfällt, da aufgrund des Regelalgorithmus die in die Dhünn eingeleitete Ammoniumkonzentration auf jeden Fall geringer ist als bei Einleitung über das RÜB.
Durch die Einbeziehung der Schmutzstoffkonzentrationen in Kanalnetz und Gewässer in die Steueralgorithmen konnte eine Reduzierung der Stoffkonzentrationen im Gewässer erreicht werden. Da gerade Konzentrationsspitzen Probleme für das Lachslaichgewässer Dhünn darstellen, ist die Einbindung dieser Steuerstrategien empfehlenswert. Da in einer verkürzten Langzeitbetrachtung über 80 Tage auch eine Reduktion der insgesamt aus Kanalnetz und Kläranlage in die Dhünn eingeleiteten Frachten nachgewiesen werden konnte, ist durch RTCStrategien auch eine Verbesserung mit Blick auf emissionsorientierten Planungsgrößen erreichbar.
Die integrierte Betrachtungsweise stellt eine neue Planungsmethodik für die Siedlungswasserwirtschaft dar, die allerdings schon über ein Jahrzehnt diskutiert wird. In diesem Abschnitt werden einige wichtige Punkte aufgeführt, die bei der Aufstellung integrierter Modelle zu beachten sind bzw. die die Anwendbarkeit dieser Modelle begrenzen.
Für die Aufstellung eines integrierten Simulationsmodells ist eine Vielzahl von Daten erforderlich. Es lässt sich feststellen, dass sowohl eine Vielzahl von Systemdaten zur Aufstellung der Modellstruktur als auch zahlreiche Messdaten zur Beschreibung der über die gewählte Systemgrenze in das modellierte System eintretenden Stoffströme und zur Kalibrierung der in den Teilsystemen ablaufenden Prozesse erforderlich sind. Derzeit gibt es jedoch keine geziehlt zu diesem Zweck aufgebauten Datenbanken, die alle erforderlichen Daten zentral bereitstellen. Der Aufwand zur messtechnischen Bestimmung von erforderlichen Stoffströmen ist teilweise so groß, dass der Aufwand in keinem Verhältnis zu den durch das Modell erzielten Ergebnissen steht. Es ist daher unabdingbar, über eine Sensitivitätsanalyse die für das Modell entscheidenden Parameter zu ermitteln und sich von der Vorstellung zu verabschieden, mit einem – möglicherweise für einzelne Zustände kalibrierten Modell – genaue Vorausberechnungen für sich im Gewässer einstellende Konzentrationen durchführen zu können.
Der hier vorgestellte Modellansatz für die integrierte Betrachtung von Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer rückt die gewässerorientierte Planung von Maßnahmen zur Verbesserung der Gewässerqualität in den Vordergrund. Hierzu ist die Verwendung eines Gewässergütemodells unumgängliche Voraussetzung. Durch die Vereinheitlichung der verwendeten Stoffgruppen und durch die Anwendung von auf dem Activated Sludge Model-Konzept basierenden Modellen wird eine Anpassung des Planungswerkzeugs an die verschiedenen Bewirtschaftungsmaßnahmen möglich. Die integrierte Modellierung des komplexen Systems bestehend aus Einzugsgebiet, Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer auf Basis eines deterministischen Modellansatzes ist ein wichtiger Schritt, neue Wege in der Planung der siedlungswasserwirtschaftlichen Ableitungs- und Behandlungssysteme zu beschreiten.
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