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.

Diese Tendenz wird verstärkt durch die häufig vorzufindende Trennung der Zuständigkeiten für diese 3 Bereiche. Ergebnis ist eine losgelöste Betrachtung der Systeme und ihre jeweilige Optimierung primär nach Kostengesichtspunkten des Teilsystems obwohl eine Optimierung des Gesamtsystems Kanalnetz-Kläranlage-Gewässer geboten wäre. Veranlassung für die Aufstellung eines integralen Modellansatzes für Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer ist folgender Denkansatz nach LONDONG (1999):
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.
Für das Gewässer, in das sowohl die Einleitung aus der Mischwasserbehandlung als auch die Einleitung aus dem Ablauf der Kläranlage erfolgt, ist einerseits die Gesamtemission interessant. Andererseits müssen die Auswirkungen von Regenwasser-, Mischwasser- bzw. Abwassereinleitungen an der an der jeweiligen Einleitungsstelle im Gewässer betrachtet werden. Die Bezeichnung "integral" wird bei diesem Ansatz für die Systeme Einzugsgebiet, Kanalnetz, Kläranlage und Fließgewässer verwendet (Bild 1). Modellentwicklungen hinsichtlich der diffusen Einträge, insbesondere aus der Landwirtschaft, sind jedoch erforderlich, da in absehbarer Zukunft die Einträge aus Punktquellen minimiert sein werden und somit die über die Gewässer in Nord- und Ostsee eingeleiteten Frachten aus diffusen Quellen an Relevanz gewinnen werden.
Mit Hilfe eines integrierten Simulationsmodells wird dem für das Flussgebietsmanagement zuständigen Ingenieur ein Planungshilfsmittel an die Hand gegeben, das es ihm ermöglicht, Stoffeintragspfade aus den verschiedenen wasserwirtschaftlichen Systemen in das Gewässer zu erkennen und die Wechselwirkungen zwischen den Einzelsystemen zu analysieren. Es wird somit die Voraussetzung für eine ganzheitliche Optimierung des Gesamtsystems geschaffen.

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.
Simulationsumgebung
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.
Der Einsatz numerischer Modelle ist mittlerweile ein etabliertes Hilfsmittel bei der Lösung siedlungswasserwirtschaftlicher Fragestellungen. In vielen kommerziell erhältlichen Modellen ist keine Trennung zwischen "Modell" und "Programm" feststellbar. Häufig werden die Modellgleichungen zwar beschrieben, aber ein Zugriff auf die Gleichungen ist durch den Anwender nicht möglich. Nachfolgend werden die für die integrierte Simulation von Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer verwendeten Modellansätze dargestellt. Viele der zu modellierenden Prozesse können mit dem heutigen Stand der Wissenschaft noch nicht vollständig beschrieben und parametrisiert werden. Durch eine offene Programmoberfläche ist eine Anpassung an zukünftige Entwicklungen der Modelltechnik möglich. Die Systemstruktur der nachfolgend erläuterten Modellkomponenten gibt Bild 2 wieder.
Die Simulation der Abflussbildung im Einzugsgebiet erfolgt mit PLASKI [RISHOLT 2000], einem hydrologischen Wasserbilanzmodell für die kontinuierliche Simulation von für die Abflussbildung relevanten Prozessen. SIMBAsewer [IFAK 2001] modelliert neben dem Abwasserabfluss auch den Transport von gelösten und partikulären Schmutzstoffen im Kanalnetz. Durch die offene Programmieroberfläche kann der Benutzer Stoffumwandlungs- und Sedimentationsprozesse oder Wechselwirkungsvorgänge zwischen Sielhaut und Abwasser einbauen. Ein im deutschsprachigen Raum weit verbreitetes und in vielen Veröffentlichungen beschriebenes Simulationsprogramm für die biologische Abwasserreinigung ist SIMBA [IFAK 2001]. Standardmäßig sind die Belebschlammmodelle ASM1 und ASM2d der IAWQ (jetzt IWA) [HENZE ET AL. 2000] implementiert. Die zur Gewässergütesimulation zunächst erforderliche Abbildung der Hydraulik kann ebenfalls mit dem Modellansatz von SIMBAsewer berechnet werden. Die freie Programmiermöglichkeit ermöglicht es, die Beschreibungsgleichungen der Stoffumsetzungsprozesse eines Gewässergütemodells zu implementieren. Für die Gewässergütemodellierung im Rahmen einer integrierten Modellstudie für Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer eignet sich das von der IWA entwickelte "River Water Quality Model No. 1" (RWQM1) [REICHERT ET AL. 2001]. Wie bei den bekannten IWA-Belebtschlammmodellen verwendet auch das RWQM 1 den CSB als Leitparameter für die Charakterisierung der Biomasse. Die maßgeblichen Stoffumsetzungsprozesse von organischen Kohlenstoffen, Stickstoff- und Phosphorverbindungen sind vorgegeben, können aber genauso wie weitere physikalische Prozesse (z.B. Sedimentation, Wiederbelüftung u.a.) vom Anwender verändert und erweitert werden. In VANROLLEGHEM ET AL. [2001] wird daher eine Anleitung vorgestellt, wie die komplexe Prozessmatrix entsprechend der zu untersuchenden Fragestellung vereinfacht werden kann. Einen aktuelleren Überblick über die verschiedenen Anwendungsfälle gibt SHANAHAN [2002]. Die komplexe Prozessmatrix erfordert eine Vielzahl von Parametern. In REICHERT UND VANROLLEGHEM [2001] wird ein erster Versuch unternommen, die mit Messungen zu erfassenden Parameter zu identifizieren und die Unsicherheit der mit dem RWQM durchgeführten Berechnungen zu bestimmen.
Ein wesentliches Hindernis für die Modellverknüpfung einzelner bestehender Modellansätze zu einem integrierten Modell war in der Vergangenheit die fehlende Schnittstelle an den Systemgrenzen. Neben den programmtechnischen Problemen waren die verschiedenen in den Teilsystemmodellen verwendeten Stoffgruppen der Hauptgrund für diese Probleme. Aus der Historie entwickelte sich beispielsweise der biologische Sauerstoffbedarf (BSB) als Leitparameter für Gewässergütemodelle, während sich in der Kläranlagensimulation der CSB durchsetzte. Dieser wiederum wird auch bei Kanalnetzmodellen verwendet, jedoch als Summenparameter und nicht in den gemäß ASM 1 bei der Kläranlagensimulation benötigten Fraktionierungen. In der Vergangenheit war es daher erforderlich, Umrechnungsfaktoren zwischen den verschiedenen Stoffgrößen zu benutzen. Durch die Anwendung des ASM-Konzeptes für alle Modelle der Teilsysteme entfallen die Umrechnungsfaktoren. Zentrale Stofffraktionen wie z.B. der leicht abbaubare Kohlenstoff (SS) und Ammonium-Stickstoff (SNH) müssen definiert werden. Eine aufwendige Schnittstellendefinition ist nicht mehr erforderlich, da in allen Teilsystemen gleiche Stoffgruppen verwendet werden. Trotzdem müssen einige zusätzliche Umrechnungsfaktoren bzw. Konstanten eingeführt werden, da die Anzahl der Stoffgruppen in den Teilsystemen weiterhin variiert.
Bausteinwahl zur Maßnahmenplanung
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.
Dabei muss der Planer feststellen, welche Teilprozesse durch die Planung betroffen sind und ob Änderungen in diesen Teilprozessen überhaupt Auswirkungen auf Prozesse in den anderen Teilsystemen haben. Beispielsweise reagieren auf Stickstoffelimination ausgebaute Kläranlagen in der Regel unempfindlich auf durch Sedimentation und Erosion verursachte Schwankungen der absetzbaren Stoffe. Auch im Gewässer ist die kurzzeitige Empfindlichkeit auf den Eintrag gelöster Stoffe höher als bei partikulären Stoffen. Der biologische Stoffumsatz im Kanalnetz kann zwar sehr dynamisch ablaufen, hat aber letztlich keinen großen Einfluss auf die Dynamik des Tagesganges des Abwasserzuflusses an der Kläranlage, der vorwiegend von der Dynamik der häuslichen und industriellen Abwasserproduktion beeinflusst wird. Der Einfluss der biologischen Stoffumsetzungsprozesse auf die Vorgänge im Kanalnetz während Mischwasserentlastungen ist kaum feststellbar, da bei den schnellen Fließgeschwindigkeiten während Regenereignissen im Kanalnetz biologische Prozesse kaum ablaufen können.
Mit dem vorgestellten Modellansatz können primär Problemstellungen bearbeitet werden, die sich mit dem Sauerstoffhaushalt des Gewässers und den Auswirkungen fischgiftiger Stickstoffverbindungen auf die Gewässerfauna beschäftigen. Gleichwohl hat die Siedlungsentwässerung auch über den Eintrag von Schwermetallen, endokrin wirksamen und hygienisch belastenden Stoffen einen großen Einfluss auf ein Gewässer. Weiterhin sind auch die hydraulischen Auswirkungen von Entlastungen aus der Siedlungswasserwirtschaft ein wichtiger Problembereich.
Es sind zahlreiche Maßnahmen, die zu Verbesserungen der Gewässergüte führen können, aus der Literatur [z.B. BWK 2001 und MANG 2002] und der gängigen Planungspraxis bekannt. In ERBE [2004] wird ein detaillierter Vorschlag erarbeitet, wie verschiedene für die Erstellung eines integrierten Modells zur Verfügung stehende Modellkomponenten für die Szenarienrechnung zur Überprüfung der Auswirkungen von Bewirtschaftungsmaßnahmen eingesetzt werden müssen. Die wesentlichen Schritte werden nachfolgend dargestellt.
  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
Der Anwender muss bei der Modellaufstellung beachten, dass der Detaillierungsgrad des Modells im Verhältnis zum durch die Anwendung der gewählten Maßnahme erreichbaren Ziel steht. Hier ist eine weite Schwankungsbreite möglich. Bei einigen Maßnahmen werden eher langfristige Auswirkungen von Bedeutung sein, bei denen Frachtbilanzen über lange Zeiträume im Modell zu erstellen sind. In diesem Fall sollte die Modellstruktur einfach aufgebaut sein um schnelle Berechnungen zu ermöglichen. Dabei werden die sich gegebenenfalls ergebenden Ungenauigkeiten bei einzelnen Ereignissen über längere Simulationszeiträume kompensiert. Im Gegensatz dazu werden bei anderen Maßnahmen kurzfristige Auswirkungen der Maßnahme bei einzelnen Ereignissen untersucht. Dies ist besonders bei Maßnahmen, die in Zusammenhang mit Steuerung und Regelung stehen, von Bedeutung. In diesen Fällen sind die Modelle sehr komplex aufgebaut. Dies bedeutet zwangsläufig einen größeren Rechenaufwand, der Langzeitsimulationen zurzeit noch nicht möglich macht.
Anwendungsfall Dhünn / Odenthal
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.
Es gibt verschiedene Gründe, weshalb im System Odenthal der integrierte Ansatz angewendet wurde. Die erst 1990 in Betrieb gegangene Kläranlage war bereits 1992 aufgrund neuer Anforderungen an die Stickstoffelimination ein Sanierungsfall. Ein weiteres zu lösendes Problem stellt der extreme Unterschied zwischen Trockenwetter- und Mischwasserzulauf dar. Die hydraulische Stoßbelastung führte direkt zu Reinigungsproblemen in der Biologie aufgrund von Verlagerung und Verdrängung von Belebtschlamm in die Nachklärung. Bei der Optimierung des Gesamtsystems muss auch eine Verminderung der Gewässerbelastung durch die Verringerung von Entlastungsvolumen und -fracht im Vordergrund stehen. Weiterhin wird derzeit darüber nachgedacht, den Abfluss aus der Talsperre zu dynamisieren um eine Aufwärmung des Gewässers in für die Lachse wichtigen Wander- und Laichphasen zu ermöglichen. Mit Hilfe des Modells könnte ermittelt werden, wie stark beispielsweise der Abfluss im Sommer reduziert werden kann ohne dass negative Auswirkungen auf die Gewässerqualität durch Einleitungen aus Kanalnetz und Kläranlage zu befürchten sind. Letztlich war auch die Überschaubarkeit des Systems ein Grund für die Auswahl von Odenthal als Anwendungsfall für integrierte Simulationsstudien.
Integriertes Simulationsmodell Odenthal
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.
Das Gewässer ist im Modell in 129 einzelne Abschnitte unterteilt. Es wurden die tatsächlich gemessenen Querprofile verwendet. Das Gewässergütemodell basiert auf einer vereinfachten Version des IWA-RWQM 1 mit konstanten Biomasse-Konzentrationen [VANROLLEGHEM ET AL. 2001]. Bei diesem Teilmodell wird nur die Änderung gelöster Substanzen in der fließenden Welle untersucht, was bei der Bewertung von Mischwassereinleitungen von Bedeutung ist. Gegenüber dem vollständigen RWQM werden die Konsumenten und die Ad- und Desorption von Phosphat nicht berücksichtigt. Die Algen- und Biomassekonzentration werden als Konstanten (Oberflächendichte) mit in die Prozessraten einbezogen. Das Modell berücksichtigt das Entstehen von Ammoniak. Dieses Modell wird im Folgenden mit RWQM-constx bezeichnet.
Die Kalibrierung der Hydraulik ist Voraussetzung für eine verlässliche Modellierung der Stoffumsetzungsprozesse und konnte erfolgreich für die Teilsysteme durchgeführt werden. Die Kalibrierung der Stoffumsetzung erwies sich als deutlich schwieriger. Einerseits fehlte es an Messdaten um alle betrachteten Prozesse kalibrieren zu können. Andererseits ist die Anzahl der zu kalibrierenden Prozessparameter und Variablen zu umfangreich. Am leichtesten fällt dies noch bei der Kläranlagensimulation, da hier viele Informationen vorlagen. Im Kanalnetz und Gewässer war eine Kalibrierung wenn überhaupt nur punktuell möglich. Nach der Kalibrierung des Modells erfolgt die Analyse des Ist-Zustandes mit Blick auf die Gewässergüte. Bild 4 zeigt das Längsprofil des betrachteten Gewässerabschnittes für einen Zeitraum von 100 Tagen zwischen dem 01.06.2001 (Tag 151) bis zum 09.09.2001 (Tag 251). Die Länge ist nicht in km sondern durch die Zahl der Gewässerelemente dargestellt. Diese und weitere Simulationsläufe zeigen, dass die gemeinsame Einleitungsstelle von Kläranlage und dem größten RÜB des Systems (im Modell bezeichnet mit BKLA) speziell bei niedrigen Abflüssen im Sommer zu Problemen führt. Hauptursache hierfür ist die Einleitung von Mischwasser.
Für das Entwässerungssystem Odenthal ist es daher sinnvoll, Maßnahmen zu treffen, die an der Einleitstelle von Kläranlage und RÜB zu einer Verbesserung der Gewässergüte führen können. Hierzu wurden sowohl „Standard-Maßnahmen“ als auch Bewirtschaftungsmaßnahmen basierend auf Steuer- und Regelkonzepten in Simulationsszenarien abgebildet:
  • 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.
Im Einzelnen wurde dabei abgebildet:
  • 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.
Bild 6 (A) zeigt die Zulaufwassermenge der Kläranlage im Ist-Zustand (base) und im gesteuerten (RTC) Zustand. Es wird deutlich, dass die Kläranlage in der Lage ist, eine höhere Wassermenge zu behandeln. Diese ist jedoch nicht konstant über das Ereignis, sondern ändert sich in Abhängigkeit der Leistungsfähigkeit. In Bild 6 (B) ist die Konzentration im Gewässer nach Einleitung von RÜB Klärwerk und dem Klärwerk selber dargestellt. Eine Reduktion der durch die Mischwassereinleitung hervorgerufenen Konzentrationsspitze der fischgiftigen Substanz ist deutlich zu erkennen.

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.
Entwicklungsbedarf und Anwendungsgrenzen der integrierten Simulation
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 vorgestellte Modellansatz verwendet für alle Teilsysteme Gütemodelle. Dies zeigt, dass es durch die in der Vergangenheit durchgeführten Entwicklungen möglich ist, das System aus Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer mit dynamischen Modellen zu jedem Zeitpunkt quantitativ und qualitativ zu beschreiben. Für die weitere Entwicklung der integrierten Simulation und für die Verbesserung der Aussagekraft der durch sie ermittelten Ergebnisse müssen insbesondere die Modellierung der Sedimentations- und Erosionsprozesse von Stoffen im Kanalnetz, die Modellierung der Reinigungsvorgänge in Mischwasserbehandlungsanlagen und die Modellierung der Prozesse in Vorklär- und Nachklärbecken weiter entwickelt werden. Zudem zeigt sich bei der Anwendung des IWA River Water Quality Model, dass weitere Anwendungen erforderlich sind, um die bereits existierenden Hilfestellungen zur Vereinfachung des vollständigen Modells zu verbessern und zu erweitern.
Durch das hier vorgestellte Konzept, in allen Teilsystemen auf Modelle zurückzugreifen, die sich an der Systematik des Activated Sludge Modells der IWA orientieren, wird die Darstellung der Schnittstellen der Teilsystemmodelle deutlich vereinfacht. Bei der integrierten Simulation wird nur noch den Stoffeintrag aus der häuslichen bzw. industriellen Abwasserproduktion und dem Stoffeintrag bei Regenabfluss über die Oberfläche betrachtet. Hinzu kommen die Stoffeinträge aus dem natürlichen Einzugsgebiet in das Gewässer. Da innerhalb des integrierten Modells keine weiteren Fraktionierungen erfolgen müssen, ist bereits beim Eintritt in das System eine Fraktionierung erforderlich. Hierzu liegen derzeit nur wenige Erkenntnisse vor. Ein weiteres Problem stellt die Bezeichnung der einzelnen Stoffgruppen und Parameter der Teilmodelle dar. Bei ähnlichen Prozessen, sollte eine Harmonisierung der Parameterbezeichnung angestrebt werden.
Nach HARREMOËS [2002] muss sich der Anwender einer integrierten Simulation nicht nur der Folgen der bekannten statistischen Unsicherheiten bewusst sein, sondern muss sich auch vergewissern, welche Folgen Abschätzungen und Annahmen auf das Modellergebnis haben. Die zuvor aufgeführten Punkte führen dazu, dass die Modellergebnisse mit einer Unsicherheit behaftet sind. Die Unsicherheit in Modellergebnissen ist ein generelles Problem der Modellierung, stellt sich aber durch die Kombinationen mehrerer Teilmodelle bei der integrierten Simulation als besonders schwerwiegend dar. Der Anwender muss daher die Balance finden zwischen einer sehr detaillierten Modellstruktur mit einer hohen Datendichte zur Kalibrierung auf der einen Seite und einer groben Modellstruktur mit nur wenigen Daten zur Anpassung der wesentlichen Prozesse an die Realität auf der anderen Seite. Die integrierte Simulation ist nicht in der Lage, für alle Fragestellungen eine ausreichend genaue bzw. „sichere“ Aussage zu treffen. Ein Hilfsmittel kann die Anwendung von Monte Carlo-Simulationen sein.
Zusammenfassung und Ausblick
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.
Auch anspruchsvolle Modelltheorie ist in der Praxis für Planungen im Rahmen des Flussgebietsmanagement einsetzbar. Dies wurde anhand der Anwendung eines einheitlichen Modellkonzeptes für alle Teilsysteme am Beispiel des Gewässers Dhünn und dem Entwässerungssystem der Gemeinde Odenthal nachgewiesen. Die integrierte Planungsweise führte im Ergebnis zu einem kostenoptimierten Maßnahmepaket im Gesamtsystem. Die Kläranlage wurde zu weitaus geringeren Kosten für einen höheren Mischwasserzufluss ausgelegt als für einen Ausbau der Mischwasserbehandlungsanlagen zur Begrenzung des Mischwasserzuflusses erforderlich gewesen wäre. Dennoch wurden auch Anwendungsgrenzen der integrierten Planungsmethodik identifiziert und Entwicklungsmöglichkeiten aufgezeigt.
Die integrierte Modellierung von Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer ist bei der Planung und Bewertung von Maßnahmen zur Verbesserung der Gewässergüte im Vorteil gegenüber den bereits weit verbreiteten Einzelmodellen für die Teilsysteme. Die Wechselwirkungen zwischen den Teilsystemen werden berücksichtigt. So kann vermieden werden, dass sich Maßnahmen, die Verbesserungen in einem Teilsystem bewirken, in anderen Teilsystemen negativ auf die Reinigungsleistung bzw. die Gewässerqualität auswirken. Die Aufstellung eines integrierten Modells erfordert die ganzheitliche Auseinandersetzung mit den Systemen der Siedlungswasserwirtschaft und dem Gewässer. Nur so können zukünftig Maßnahmen mit dem Ziel des "Guten Zustands" im Gewässer abgestimmt geplant werden.
Mit der Erweiterung der Systemgrenzen öffnet sich die klassisch auf Kanalnetz und Kläranlage bezogene Planung der Siedlungswasserwirtschaft. Die Einbeziehung anderer Fachleute (Limnologen, Biologen) wird unumgänglich. Aber auch neue Fragestellungen, wie die sozioökonomische Bewertung von Maßnahmen und Anforderungen an die Gewässerqualität erfordert die Einbeziehung neuer Fachleute (Ökonomen, Soziologen). Die integrierte Simulation ist der Ausdruck einer neuen Denkweise in der Siedlungswasserwirtschaft: Weg vom sektoralen und emissionsorientierten Denken hin zum systemübergreifenden Stoffstrommanagement zur Verbesserung der Gewässergüte.
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