MUSTERLAYOUT FÜR DIE ATV-SCHRIFTENREIHE

QM und fS,QM - Entscheidende Parameter für die Gesamtsystembetrachtung/-optimierung von Kläranlage, Mischwasserbehandlung und Gewässer

Julian Schab, Emmendingen

1. Einführung

Der DWA-Landesverband Baden-Württemberg hat die Thematik Mischwasserabfluss zur Kläranlage im Rahmen der Leistungsvergleiche 2015 und 2016 aufgegriffen. Dieser Beitrag dient einer vertieften und praxisnahen Betrachtung dieses Themas.

Der Mischwasserabfluss zur Kläranlage QM und der sogenannte „Spreizungsfaktor“ fS,QM stellen die Stellschrauben zur gemeinsamen Ausrichtung von Kläranlage und Mischwasserbehandlung (unter Berücksichtigung der gewässerbezogenen Anforderungen) dar. Kläranlage und Kanalnetz sind über QM bemessungstechnisch verknüpft (vgl. Abb.4). Auf den Kläranlagen wird mehr Regen- als Schmutzwasser behandelt (LVG, 2018).

Die maximal mögliche Zulaufmenge zu Kläranlagen im Regenwetterfall ist begrenzt. Mit einsetzendem Mischwasserzufluss wird die Kläranlage mit einer hohen Fracht (insbesondere Frachtstoß aus Vorklärbecken) beaufschlagt, die durch die Nitrifikation verarbeitet werden muss. Da das Leistungsvermögen der Nitrifikation bezogen auf Belastungsschwankungen limitiert ist (sog. „Elastizität“ der Nitrifikanten), führen zu große Frachtstöße insbesondere zu kurzzeitigen NH4-Spitzen im Kläranlagenablauf. Je nach Häufigkeit und Dauer der Einwirkung und weiteren Rahmenbedingungen (Temperatur, pH-Wert, Mischverhältnis) kann dies zu chronischen oder akuten Schäden an der Fließgewässerlebensgemeinschaft führen. Zudem zeigt sich in der Praxis bei einer hohen Mischwasserbeaufschlagung häufig eine Schlammverlagerung in die Nachklärung mit der einhergehenden Gefahr von Schlammabtrieben - insbesondere bei schlechten Schlammeigenschaften oder ungünstiger Bauwerkshydraulik.

Aus dem Regelwerk ergeben sich folgende Empfehlungen zur Festlegung der Mischwasserbeaufschlagung:

Der Ansatz des ehemaligen ATV-A 131 (1991) für QM = 2*QS + QF,aM (mit QS als der in 85% aller Trockenwettertage unterschrittene Wert der Tagesabflussspitze) wurde mit der Einführung des Arbeitsblattes ATV-DVWK-A 198 durch QM = fS,QM * QS,aM + QF,pM ersetzt. Der aktuelle Gelbdruck des Arbeitsblattes DWA-A 102 liefert in Ergänzung dazu einen Ansatz für Trennsysteme, bei denen insbesondere der nicht vermeidbare Regenwetterabfluss von besonderer Relevanz ist (vgl. Abb. 4). Je nach Charakteristik des Abflusses aus dem Einzugsgebiet der Kläranlage, empfiehlt das Regelwerk einen Spreizungsfaktor fS,QM von 3 bis 9. Dieser dient der Vergleichmäßigung des Fracht- und Volumenstroms.

2. Situation in Baden-Württemberg

Eine landesweite Auswertung des DWA-Landesverbands Baden-Württemberg zum sogenannten Spreizungsfaktor fS,QM zeigt, dass ein Großteil der Anlagen die nach dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 198 empfohlene Spreizung theoretisch überschreitet (z.T. deutlich).

Abbildung 1: Summenhäufigkeit für den Spreizungsfaktor fS,QM bei Kläranlagen der Größenklasse 1 bis 5 in Baden-Württemberg mit Bandbreiten für fS,QM nach dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 198 (Schwentner G., Leistungsvergleich 2016, Stand 24.3.2017)

Ursachen für Abweichungen vom empfohlenen fS,QM-Toleranzband:

· Gestatteter und tatsächlich betriebener QM weichen voneinander ab (z.B. Thema bei Gestattungsverfahren nicht beachtet)

· QM kann von Kläranlage nicht oder nur kurzzeitig angenommen werden

· Bei Trennsystem-Kläranlagen ist fS,QM häufig aufgrund von regenwasserbürtigem Fremdwasser hoch (Entlastungen i.d.R. unzulässig)

· Volumen-/Kosteneinsparung bei der Mischwasserbehandlung

· Die Zusammensetzung des Abwassers hat sich verändert (neue Trennsysteme, Abkopplung von Regenwasser, Fremdwasser etc.)

· (Auswertefehler durch Mess-/ Dokumentations-/ Eingabefehler bzw. veraltete Daten in der UIS-Datenbank)

Eine Überschreitung des fS,QM-Toleranzbandes ist nicht problematisch, wenn QM und die erforderlichen Ablaufwerte sicher eingehalten werden.

Abbildung 2: Kläranlagenbezogene Auswertung zum fS,QM bei gestattetem QM und bei tatsächlichem Mischwasserzufluss

Genauere Auswertungen an Kläranlagen einer Nachbarschaft vor einigen Jahren zeigten beispielhaft, dass in keinem einzigen Fall der gestattete QM eingehalten wurde. Auch die hohen Spreizungen nach Abb. 1, die Auswertung in Abb. 2 und der Austausch mit verschiedenen Behördenvertretern legen nahe, dass ein Großteil der Kläranlagen in Baden-Württemberg den gestatteten QM nicht annimmt und diese damit in der Realität mit einem geringeren Spreizungsfaktor fS,QM betrieben werden.

Erste Hinweise, ob der gestattete QM im realen Betrieb eingehalten wird, können über die Auswertung der 24h-Zulaufwerte (Betriebstagebuch bzw. Diagramm „Gleitendes Minimum“) gewonnen werden (siehe Abbildung 3). Deutet diese Auswertung auf Probleme hin, so lohnt sich ein Blick auf höher aufgelöste Messdaten von Einzelereignissen (Zulaufmenge Kläranlage, Einstau des zentralen RÜB).

Abbildung 3: Auswertungen zur Einhaltung des gestatteten QM (links: QM wurde unterschritten, d.h. reale Spreizung fS,QM ist geringer; rechts: QM wurde eingehalten)

Ursachen für Über- und Unterschreitung des gestatteten QM:

· Zuflussdrosselung bei Schlammabtrieb (NKB zu klein, ungünstige Hydraulik NKB, Probleme Rücklaufschlammsystem, Probleme bei der Filtration, ungünstiger ISV)

· Zuflussdrosselung bei erhöhten Ablaufwerten (insb. NH4-N)

· Zulaufmenge am Zulaufhebewerk falsch eingestellt, falsches Reglement, manuelle Zulaufsteuerung, Verschleiß am Zulaufhebewerk/ fehlerhafte Messeinrichtung, Rechen ist hydraulisch überlastet

· Drosselabfluss/ -kennlinie oder Entleerung RÜB ist nicht auf QM (und ggf. Trennsystemzuflüsse unterhalb des RÜB) abgestimmt

· Misch-/Ausgleichsbecken MAG wird sowohl der KA als auch der MWB zugerechnet (d.h. Zufluss zum MAG wurde als QM angesetzt; s. Abb. 4)

Die Nichteinhaltung des gestatteten QM kann einen Verstoß gegen den Tenor bzw. eine Inhaltsbestimmung der wasserrechtlichen Einleiteerlaubnis darstellen und zum Erlöschen der wasserrechtlichen Erlaubnis führen (ordnungs-/strafrechtliche Relevanz). Eine Unterschreitung von QM führt zu einer Reduzierung des Drosselabflusses der Mischwasserbehandlung mit zusätzlichen (nicht gestatteten) und schadhafteren Entlastungen.

Maßnahmen gegen hohe NH4-Spitzen bei einer großen Spreizung fS,QM:

· TS-Gehalt/Schlammalter ausreichend hoch wählen (Anzahl der Nitrifikanten)/ Schlammabtrieb aus Belebung vermeiden (ISV)

· Belüftung rechtzeitig vor einer Regenstoßbelastung hochfahren

· NH4-Onlinemessung /-Regelung, Belüftungsreglement optimieren

· Kleine Dimensionierung der Vorklärung/ Verzicht auf Vorklärung

· Umgang mit Prozesswasser einzelfallbezogen prüfen

· Vorklärbecken bei Regenstoß (teilweise) umgehen bzw. vorher mit Abwasser aus dem NKB beschicken oder Lastabwurfbecken

· Kapazitätserweiterung Belebungsbecken bzw. Wechselkaskaden betreiben, Nachklärung erweitern (Verdünnungseffekt)

· QM reduzieren (-> fS,QM sinkt) und Mischwasserbehandlung ausbauen

Aus den bisherigen Betrachtungen lassen sich folgende allgemeinen Thesen ableiten, denen noch näher nachgegangen werden sollte:

· Viele der Kläranlagen bzw. Gesamtsysteme haben ein QM/fS,QM – Problem

· Bei einem Teil der Kläranlagen kommt es hohen NH4-Spitzen, die bei 24h-Mischproben unerkannt bleiben (Wirkungen auf das Gewässer?)

· Der landesweit berechnete Ausbaugrad der Regenwasserbehandlung müsste infolge der Unterschreitung des gestatteten QM deutlich unter den bislang angenommenen 95% (2014) liegen

· Es wurde in Kläranlagenkapazitäten investiert, die z.T. ungenutzt bleiben (unnötige Mehrbelastung für Gewässer)

3. Gesamtsystembetrachtung

Bei der Gesamtsystembetrachtung (Kläranlagen, Mischwasserbehandlung und Gewässer) sind sowohl die emissionsbezogenen Anforderungen nach WHG §57, Abs. 1, Ziffer 1, als auch die gewässerbezogenen Anforderungen nach WHG §57, Abs. 1, Ziffer 2 und § 27 zu berücksichtigen. Die emissionsbezogenen Anforderungen ergeben sich für Kläranlagen aus der Abwasserverordnung und dem Arbeitsblatt DWA-A 131, für die Mischwasserbehandlung aus den Arbeitsmaterialien Mischsystem i.V.m. dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 128. Vorgaben zur Schnittstelle zwischen Kläranlage und Mischwasserbehandlung ergeben sich aus den Arbeitsblättern ATV-DVWK-A 198 und DWA-A 102 (Gelbdruck). Gewässerbezogene Anforderungen an Kläranlagen- und Mischwasserentlastungseinleitungen werden in Baden-Württemberg nach dem „Leitfaden Gewässerbezogene Anforderungen an Abwassereinleitungen“ festgelegt.

Die Praxis zeigt, dass es Fallkonstellationen gibt, bei denen sich eine Festlegung der Schnittstelle von Kläranlage und Kanalnetz (d.h. QM) auf den ersten Blick als schwierig darstellt (vgl. Abb. 4). Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn Trennsysteme zwischen RÜB und Kläranlage münden oder auf der Kläranlage ein entlastendes Misch- und Ausgleichsbecken zur Mischwasserbewirtschaftung vorhanden ist.

Kläranlagen mit Trennsystem-Einzugsgebiet (TS) sind häufig mit temporär hohen Regenwasserzuläufen belastet (Fremdwasser). Die Erfahrung zeigt, dass diese häufig mit einer hohen Spreizung fS,QM betrieben werden müssen, da Vorentlastungen i.d.R. nicht zulässig sind. Der Gelbdruck des Arbeitsblatt DWA-A 102 empfiehlt hier Messungen des Regenwasserzulaufes. Fremdwasserkonzeptionen sind hier i.d.R. sinnvoll.

Unabhängig von der Ausgestaltung des Abwassersystems im Einzelfall lässt sich sagen, dass der Parameter QM als der Mischwasserabfluss anzusehen ist, der i.d.R. bei mehrjähriger Betrachtung an einigen Tagen über 24 Stunden von der gesamten Kläranlage behandelt werden muss.

Messung!

Abbildung 4: Fallkonstellationen zur Festlegung des QM, mit Formeln nach ATV-DVWK-A 198 und DWA-A 102 (Gelbdruck)

Da sich QM sehr sensitiv auf das erforderliche Mischwasserbehandlungsvolumen auswirkt, sollte im Zuge der Gesamtoptimierung eines Systems (unter Berücksichtigung von fS,QM) zunächst immer der maximal mögliche Mischwasserabfluss ermittelt werden, der gewässerverträgliche NH4-Kläranlagenablaufwerte sicherstellt. Trends in der Abwasserzusammensetzung (Fremdwasserentwicklung, steigender Schmutzwasseranteil) sollten dabei berücksichtigt werden.

Folgende schrittweise Vorgehensweise bei der Gesamtsystembetrachtung wird in Verbindung mit LUBW (2015) und RPF (2018) empfohlen:

1. Grundlagendatenbereitstellung, u.a.

· Messdaten (Entlastungsverhalten RÜB, Drosselabfluss RÜB, Niederschlag, Regenabfluss aus Trennsystemen); Aufstellung eines hydrologisch kalibrierten Schmutzfrachtmodells

· NH4-Onlinemessung (ggf. für dynamische KA-Simulation)

2. Gewässergutachten i.V.m. behördlichen Vorgaben: Gewässerbezogene Anforderungen für Kläranlageneinleitung und Mischwassereinleitungen

3. Kläranlagenfachplaner: Ermittlung der maximalen hydraulischen Leistungsfähigkeit der Kläranlage (QM) unter Berücksichtigung der gewässerbezogenen Anforderung (insbesondere zulässige Spreizung fS,QM in Bezug auf NH4-N berücksichtigen), ggf. dynamische Kläranlagensimulation (falls Geltungsbereich Regelwerk überschritten)

4. Fachplanerische Mischwasserkonzeption unter Berücksichtigung des QM und gewässerbezogener Anforderungen (z.B. für nue,d)

Im Einzelfall kann ein iterativer Abstimmungsprozess zwischen der Kläranlagenausbauplanung und der Planung zur Mischwasserbehandlung unter Begleitung gewässerbezogener Betrachtungen erforderlich werden.

4. Ausblick

Die Betrachtungen zeigen die Komplexität und Bedeutung der Thematik. Hinsichtlich der Ausrichtung der Mischwasserbeaufschlagung besteht in der Praxis Handlungsbedarf. Die Neuausrichtung kann nur mittels einer Gesamtsystembetrachtung gelingen und bedarf einer interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Kläranlagen-, Kanalnetzfachplanung und Gewässerschutz. Für die nachhaltige Ausrichtung eines Gesamtsystems sind Messdaten (Abfluss, RÜB, Niederschlag, NH4-Onlinedaten), eine möglichst realitätsnahe Modellierung Mischwasserbehandlung (hydrologische Kalibrierung von Schmutzfrachtmodellen) und der Kläranlage entscheidend. Aus der Prüfung der gewässerbezogenen Anforderungen ergibt sich der Handlungsrahmen für die Konzeptionen.

Eine landesweite Erfassung und Weiterverfolgung der QM/fS,QM –Thematik wäre wichtig und könnte durch eine zentrale Erhebung aussagekräftiger Kenndaten unterstützt werden (z.B. DWA-Leistungsvergleich bzw. WIBAS-Modul AGS). Relevante Kenndaten hierfür wären beispielsweise die drei höchsten 24h-Kläranlagenzuflussmengen im Jahr mit einer Berechnung des tatsächlich betriebenen fS,QM und des sich aus dem QM der Gestattung ergebenden fS,QM. Weitere flankierende Kenndaten wären spezifische Beckenvoluminas der Kläranlage, der Abwasserspitzenanteil im Gewässer (>/< 1:10) und das Vorhandensein eines Gewässergutachtens. Damit könnte eine Ampelsystembewertung (z.B. „Systemoptimierung sinnvoll?“, „Erhöhung QM prüfenswert?“, „Maßnahmenzielsetzung: Kläranlage oder Mischwasserbehandlung?“) erfolgen.

Mit diesem Thema könnte eine sinnvolle Schnittstelle zwischen Nachbarschaftstätigkeitsfeldern der DWA geschaffen werden. Auch die Behörden sind gefragt, sich dem Themenfeld vertieft anzunehmen.

Literatur:

· ATV-DVWK-A 198, DWA-A 131, DWA-A 102 (Gelbdruck)

· DWA-Themen (2016): Technische Maßnahmen zur Behandlung von erhöhten Mischwasserabflüssen in der Kläranlage

· LUBW (1999): Arbeitsmaterialien zur fortschrittlichen Regenwasserbehandlung in Baden-Württemberg (mit Ergänzungen)

· LUBW (2007): Arbeitsmaterialien zur fortschrittlichen Regenwasserbehandlung in Baden-Württemberg – Messung des Entlastungsverhaltens bei Regenüberlaufbecken

· LUBW (2015): Leitfaden „Gewässerbezogene Anforderungen an Abwassereinleitungen“

· Schleypen, P. und Meißner, E.: Abflüsse aus Kanalisationsgebieten und Zuflüsse zu kommunalen Kläranlagen bei Trockenwetter- und Regenwasserverhältnissen. Korrespondenz Abwasser 46 (01-1999), 42 – 46

· RPF (2018): Merkblatt Schmutzfrachtsimulation, http://kommunalabwasser.xobor.de

· Zettl, U. (2017): Bemessungsablauf der A 131 mit Beispielen für Biologie und Nachklärung, unveröffentlichter Vortrag Dienstbesprechung „Kommunales Abwasser und Gewässerschutz“

· Schab J. (2018): QM und fS,QM - Wichtige Parameter für die Gesamtsystembetrachtung/-optimierung von Kläranlage, Mischwasserbehandlung und Gewässer. Kommentierte Vortragsfolien zur DWA-Tagung der Lehrer und Obleute am 12.04.2018 in Stuttgart, https://confluence.dwa-bw.de

Kontakt:

Julian Schab

Amt für Wasserwirtschaft und BodenschutzLandratsamt Emmendingen

Bahnhofstraße 2-4, 79312 EmmendingenTel.: 07641-451-491

j.schab@landkreis-emmendingen.de