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Zentrum für Innovative AbWassertechnologien
an der Technischen Universität Kaiserslautern
J. Hansen
Abstimmung zwischen
Kanalisation und Kläranlage
zur Gewässerentlastung
Abwasser-Forum 2005
02.11.2005
Otzenhausen
Zentrum für Innovative AbWassertechnologien
an der Technischen Universität Kaiserslautern
J. Hansen
Gliederung
(1) Einführung in die integrierte Betrachtung von Netz und Kläranlage
(2) Projekt EPIKUR
(3) Vorgehensweise
(4) Ergebnisse
(5) Interpretation der Ergebnisse
(6) Fazit
Zentrum für Innovative AbWassertechnologien
an der Technischen Universität Kaiserslautern
J. Hansen
Einführung in die Thematik
Zentrum für Innovative AbWassertechnologien
an der Technischen Universität Kaiserslautern
J. Hansen
Einführung
Kanalnetze und Kläranlagen wurden bislang in der Regel statisch und weitgehend unabhängig voneinander bemessen und betrieben:
• Kanalnetz (z.B. DWA Arbeitsblätter A118, A128)
• Kläranlagen (z.B. A131, M210)
Bindeglied: Drosselabfluss Qm=2Qsx+Qf (bzw. fS,QM*QS,aM + QF,aM)
Statische Betrachtungsweise kann dazu führen, dass• Mischwasser entlastet wird, obwohl auf Kläranlage noch freie
verfügbare Kapazitäten vorhanden sind• Kläranlage bei Mischwasserzufluss an Grenzen stößt, obwohl im
Netz noch Speichervolumina verfügbar sind
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Forderung (Gewässerschutz und aus Kostenaspekte):
Integrierte Planung und integrierter Betrieb von Abwassersystemen (A198, BWK M3)
Was versteht man unter „integrierten Betrachtung“?
Aufeinander abgestimmte Planung und Betrieb von Kläranlage und Kanalisation in Abhängigkeit der aktuellen Leistungsfähigkeit / Reserven dieser beiden Teilsysteme, um ökonomische und/oder ökologische Verbesserungen zu erzielen
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Mischwasser-behandlung
Kläranlage
GewässerSiedlung
Kanal
Überlauf =+
Gesamt-emission
2*Qsx+Qf
x·Qs,aM+QF,aM
?
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Probleme/Offene Fragen bei bisherigen Projekten
Entweder Simulationen oder großtechnische Umsetzung
Methodik der Untersuchungen sehr heterogen Tatsächliche (hydraulische) Randbedingungen häufig
nicht angemessen berücksichtigt
Praxisnäherer, nachvollziehbarer und systematischer Ansatz erforderlich!
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Grundideen
des Projektes EPIKUR
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Projekt EPIKUR – Entwicklung und Erprobung eines integrierten Abwassermanagementsystems zur Emissions- und Kostenreduzierung
Projekt im Auftrag des MUF Rheinland-Pfalz: 2002 – 2006zwei Projektphasen: Simulation und großtechnische Umsetzung
Ziel: Entwicklung eines Leitfadens für Planer, Betreiber und Behörden
wann macht integrierte Betrachtung Sinn wie sollte hierbei vorgegangen werden (Methodik) welche Werkzeuge sollten hierbei genutzt werden (Simulation
erforderlich?) Hinweise zu erforderlichen Messungen und Regelungen
Projekt EPIKUR
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Vorgehensweise Auswahl von drei repräsentativen Einzugsgebieten und
Kläranlagen Auswertung Betriebsdaten; ergänzendes Messprogramm Abbildung von Netz (KOSMO) und KA (SIMBA) als Modell Kopplung der Modelle über Schnittstelle (WINKOSMO) Simulation mit unterschiedlichen Drosselabflüssen Aufzeigen des Emissions- und Kostenminderungspotenzials
Umsetzung in Großtechnik Ermittlung Potenzial in Rheinland-Pfalz Verifikation (Abgleich Simulation – Großtechnik)
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Referenzgebiete und - anlagen
Im Hinblick auf Projektphase 2 (großtechnische Umsetzung) am besten geeignete Anlagen ausgewählt (Checkliste):
Edenkoben: 15.000 / 55.000 EW (Weinbau)
Wallhalben: 14.000 EW (ländlich); tTS=25dSpeichervolumen ca. 26m³/ha
Zweibrücken: urban geprägtes Einzugsgebiet, 16m³/ha; lt. GEP Neubau von 3.200 m³erforderlich; KA: 70.000 EW; ‚gemischte‘ Denitrifikation; tTS=12d
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3
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9
0 5000 E 20.000 E 100.000 E >100.000 E
fSQ,M ZWWH
Referenzanlagen
QM=fS,QM*QS,aM + QF,aM
QS,aM , QF,aM : Abflüsse im Jahresmittel
EK
IST-Zustand:
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Leitparameter zur Beurteilung
zeitliche Wirkung
Belastungs-komponente
Kenngröße maßgebende Parameter
Einheit
- - Anzahl Entlastungsereignisse
n/a
- - Überlaufdauer h/a
hydraulischer Stress/ Sohlerosion
maximale Entlastungsabflüsse
Abfluss l/s akut
Ammoniaktoxizität maximaler zeitbezogener Austrag
NH4-N mg/s
verzögert Sauerstoffzehrung ereignisspezifischer Frachtaustrag
BSB5 kg/Ereignis
Verschlammung AFS
Leitparameter CSB
langfristig
Vergleich gelöster Stoff
jährliche Entlastungsfracht
NH4-N
kg/a
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Langzeitsimulation mit
‚Darmstädter Regenreihe‘
(repräsentatives Niederschlagsjahr)
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Beispielhafte Ergebnisse: Zweibrücken - Kanalnetz
60
65
70
75
80
85
90
95
100
7 8 9 10 QS+QF
Q,Dr RUEB KA erhöht
Q,Dr 4 RÜB erhöht
Q,Dr alle* RÜB erhöht
7 8 9 10 QS+QF
Q,Dr RUEB KA erhöht
Q,Dr 4 RÜB erhöht
Q,Dr alle* RÜB erhöht
%
Entlastungsvolumen Entlastete CSB-Fracht
fS,QM
Langzeitsimulation
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Langzeitsimulation
%
60
65
70
75
80
85
90
95
100
7 8 9 10 QS+QF
Q,Dr RUEB KA erhöht
Q,Dr 4 RÜB erhöht
Q,Dr alle* RÜB erhöht
7 8 9 10 QS+QF
Q,Dr RUEB KA erhöht
Q,Dr 4 RÜB erhöht
Q,Dr alle* RÜB erhöht
Entlastete NH4-Fracht Entlastete AFS-Fracht
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Abschätzung der Emissionenaus Kanalnetz und Kläranlage
- Ermittlung eines ‚optimalen‘ Drosselabflusses -
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Ergebnisse Zweibrücken – Ermittlung Qm,opt
25.000
75.000
125.000
175.000
225.000
275.000
6 7 8 9 10 QS,aM+QF,aM
jäh
rlic
he
Fra
chte
n C
SB
[kg
]
80
85
90
95
100
105 [%]
Entlastungsfracht KN Ablauffracht KA Ablauffracht KA w. MW
Gesamtfracht Gesamtfracht w. MW proz. Gesamtfracht
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Integrierte Simulation mit
ausgewählten Regenereignissen
für Qm,opt
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Zweibrücken – integrierte Simulation
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
0:0
0
1:0
0
2:0
0
3:0
0
4:0
0
5:0
0
6:0
0
7:0
0
8:0
0
9:0
0
10
:00
11:0
0
12
:00
13
:00
14
:00
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:00
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:00
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:00
18
:00
19
:00
20
:00
21
:00
22
:00
23
:00
0:0
0
1:0
0
2:0
0
hN [
mm
/5m
in]
23.07.68
03.-04.09.68
05.04.68
R1...Landregen (hellblau): April
R2...Gewitterregen (dunkelblau): Juli
R3...starker Gewitterregen mit Vorregen (türkis): September
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integrierte Simulation für ausgewählte Regenereignisse
Gesamtemissionen RA Zweibrücken 8Qs + Qf
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
110%
R1 R2 R3
QE CSB NH4-N
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Fazit und Schlussfolgerungen
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Fazit
Auswirkungen eines integrierten Betriebs aus Sicht Netz
Erhöhte Drosselabflüsse wirken sich hinsichtlich aller betrachteter Entlastungsparameter positiv aus (Verminderung der Emissionen, Entlastungsdauer, -häufigkeiten,...)
Abstimmung der Drosselabflüsse zwischen einzelnen Becken beinhaltet weiteres Potenzial
In Abhängigkeit von Belastungssituation auf der Kläranlage: Möglichkeit der Einsparung von Investitionsvolumen bei der Mischwasserbehandlung (Verringerung Speichervolumen)
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Fazit
Auswirkungen eines integrierten Betriebs aus Sicht KA
Einhaltung der Überwachungsanforderungen kann unter bestimmten Umständen gefährdet sein
Aerob stabilisierende Anlagen in der Regel unproblematisch
Auswirkungen auf Nachklärung (AFS, CSB, P) abhängig vor allem von Absetzeigenschaften (ISVIST/ISVBem.)
Häufig sind nicht vorhandene Beckenvolumina, sondern hydraulische Verhältnisse (verbindende Leistungen, Gerinne etc.) limitierend
Überwachung/Regelung über Messgeräte
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Fazit
Gesamtbetrachtung
Frachtbezogenes Emissionsminderungspotenzial stark abhängig von Randbedingungen (insbesondere auch Regen)
reine Betrachtung der Frachten jedoch nicht ausreichend, u.a.:
- ‚Art‘ des emittierten CSB aus Netz und KA unterschiedlich
- Einzelereignis- und Gewässer bezogene Betrachtung erforderlich
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J. Hansen
Fazit
Erhebliches Potenzial integrierter Ansätze; formalisierte Vorgehensweise (‚Leitfaden‘) sowie weitere praktische Erfahrungen erforderlich
Demonstrationsvorhaben des Landes (MUF 2005 – 2006)