Projekt EPIKUR - tectraa.bauing.uni-kl.detectraa.bauing.uni-kl.de/downloads/projekte/Schlussbericht_Epikur_kurz.pdf · Abschlussbericht Projekt EPIKUR Erprobung und Entwicklung eines

Abschlussbericht

Projekt EPIKUR

Erprobung und Entwicklung eines integrierten Abwassermanagement-systems zur Kosten- und Emissions-reduzierung

im Auftrag des

Ministeriums für Umwelt und Forsten Rheinland-Pfalz

Mai 2005

tectraa an der TU Kaiserslautern

Prof. Dr.-Ing. T.G. Schmitt

Dr.-Ing. J. Hansen

Dipl.-Ing. J. Simon, Dipl.-Ing. I. Kaufmann

Postfach 3049

67653 Kaiserslautern

Verzeichnisse I

Inhaltsverzeichnis

Tabellenverzeichnis ..............................................................................................................III Abbildungsverzeichnis........................................................................................................... V Zusammenfassung.............................................................................................................. VII 1 Einleitung ........................................................................................................................1

1.1 Veranlassung...........................................................................................................1 1.2 Ziele.........................................................................................................................3 1.3 Vorgehensweise ......................................................................................................4

2 Integrierte Ansätze in der Abwasserentsorgung ..............................................................5 2.1 Stand von Wissenschaft und Technik ......................................................................5 2.2 Defizite bisheriger Untersuchungen .........................................................................8

3 Grundlagen und Methoden des Projektes EPIKUR .........................................................9 3.1 Projektgebiete..........................................................................................................9

3.1.1 Kriterien und Vorgehensweise bei der Auswahl der Referenzobjekte................9 3.1.2 Wallhalben ......................................................................................................10 3.1.3 Zweibrücken ...................................................................................................15 3.1.4 Edenkoben......................................................................................................20

3.2 Methoden...............................................................................................................24 3.2.1 Grundlagen der Schmutzfrachtberechnung.....................................................24

3.2.1.1 Schmutzfrachtmodell KOSMO .................................................................24 3.2.2 Grundlagen der dynamischen Kläranlagensimulation......................................26

3.2.2.1 Activated Sludge Model No. 3..................................................................27 3.2.2.2 Verwendete Software: Simba 4.2.............................................................28

4 Simulation der Referenzgebiete ....................................................................................29 4.1 Vorgehensweise ....................................................................................................29 4.2 Schmutzfrachtsimulation für die Referenzgebiete (Kanalnetz) ...............................30

4.2.1 Modellerstellung..............................................................................................30 4.2.1.1 Abbildung der Kanalnetzdaten und Einzugsgebiete .................................30 4.2.1.2 Trockenwetterabfluss...............................................................................34 4.2.1.3 Niederschlagsdaten .................................................................................34 4.2.1.4 Simulationsparameter ..............................................................................35

4.2.2 Vorgehensweise im Rahmen der Schmutzfrachtsimulationen.........................37 4.2.3 Referenzobjekt Wallhalben .............................................................................39

4.2.3.1 Beurteilung IST-Zustand ..........................................................................39 4.2.3.2 Erhöhung der Drosselabflüsse .................................................................41 4.2.3.3 Potenzial des Integrierten Betriebes aus Sicht Kanalnetz (Wallhalben)....45 4.2.3.4 Bilanzierung Kläranlagenzufluss Wallhalben............................................46 4.2.3.5 Abschätzung Gesamtfrachten aus Kanalnetz und Kläranlage Wallhalben .............................................................................48

4.2.4 Referenzobjekt Zweibrücken...........................................................................50 4.2.4.1 Beurteilung IST-Zustand ..........................................................................50 4.2.4.2 Erhöhung der Drosselabflüsse .................................................................52 4.2.4.3 Potenzial des Integrierten Betriebes aus Sicht Kanalnetz (Zweibrücken) .56 4.2.4.4 Bilanzierung Kläranlagenzufluss ..............................................................56

Verzeichnisse II

4.2.4.5 Abschätzung Gesamtfrachten aus Kanalnetz und Kläranlage Zweibrücken...........................................................................59

4.2.5 Referenzobjekt Edenkoben.............................................................................61 4.2.5.1 Beurteilung IST-Zustand ..........................................................................61 4.2.5.2 Verringerung der Drosselabflüsse............................................................62 4.2.5.3 Potenzial des Integrierten Betriebes aus Sicht Kanalnetz (Edenkoben) ...65 4.2.5.4 Bilanzierung Kläranlagenzufluss Edenkoben ...........................................66 4.2.5.5 Abschätzung Gesamtfrachten aus Kanalnetz und Kläranlage Edenkoben.............................................................................68

4.2.6 Vergleich der Referenzgebiete und Ableitung von Kenngrößen ......................71 4.3 Dynamische Simulation der Kläranlagen................................................................72

4.3.1 Messkampagnen.............................................................................................74 4.3.1.1 24h-Messprogramm.................................................................................74 4.3.1.2 Messprogramm zur Aufnahme von Ganglinien ........................................76

4.3.2 Modellerstellung..............................................................................................77 4.3.2.1 Modell Gruppenkläranlage Wallhalben.....................................................77 4.3.2.2 Modell Zentralkläranlage Zweibrücken.....................................................79 4.3.2.3 Modell Gruppenkläranlage Edenkoben ....................................................82

4.3.3 Zwischenfazit: Modellierung der Kläranlagen ..................................................84 5 Integrierte Betrachtung..................................................................................................85

5.1 Einzelereignisbetrachtung zur Ermittlung des optimalen Kläranlagenzuflusses......85 5.2 Simulation der Einzelereignisse .............................................................................86

5.2.1 Kläranlage Wallhalben ....................................................................................86 5.2.2 Kläranlage Zweibrücken..................................................................................88

5.3 Folgerungen...........................................................................................................91 5.3.1 Erkenntnisse zum integrierten Betrieb aus Sicht des Kanalnetzes ..................91 5.3.2 Erkenntnisse zum integrierten Betrieb aus Sicht der Kläranlage .....................92 5.3.3 Erkenntnisse integrierte Betrachtung Kanalnetz - Kläranlage..........................92

6 Vorläufiger Leitfaden .....................................................................................................94 6.1 Kostenaspekte des integrierten Betriebes ..............................................................94 6.2 Vorläufiger Leitfaden..............................................................................................95

6.2.1 Ziele des Leitfadens........................................................................................95 6.2.2 Ablaufschema .................................................................................................95

7 Ausblick ......................................................................................................................104 8 Literaturverzeichnis .....................................................................................................105 9 Anlagen.......................................................................................................................109

Verzeichnisse III

Tabellenverzeichnis

Tabelle 3-1: Übersicht über die Referenzobjekte im Rahmen von EPIKUR ...................9 Tabelle 3-2: GKA Wallhalben: Kennwerte der Belebungsstraßen ................................13 Tabelle 3-3: GKA Wallhalben: Vorgaben der Belüftungssteuerung..............................13 Tabelle 3-4: Überwachungswerte der GKA Wallhalben ...............................................14 Tabelle 3-5: Volumina der Belebungsbecken ZKA Zweibrücken..................................18 Tabelle 3-6: ZKA Zweibrücken: Kennwerte der Nachklärbecken .................................19 Tabelle 3-7: Überwachungswerte der ZKA Zweibrücken .............................................19 Tabelle 3-8: Überwachungswerte der GKA Edenkoben...............................................23 Tabelle 3-9: Übersicht über Parameteranzahl verschiedener Belebtschlammmodelle .26 Tabelle 3-10: Stoffgruppen des ASM 3 nach IWA /2000/ ...............................................27 Tabelle 4-1: Sonderbauwerke im Einzugsgebiet der Gruppenkläranlage Wallhalben ..30 Tabelle 4-2: Sonderbauwerke im Einzugsgebiet Kläranlage Zweibrücken ...................31 Tabelle 4-3: Sonderbauwerke im Einzugsgebiet Kläranlage Edenkoben .....................33 Tabelle 4-4: Kennwerte Trockenwetterabfluss .............................................................34 Tabelle 4-5: Parameter zur Verschmutzung des Trockenwetterabflusses....................35 Tabelle 4-6: Parameter zur Bestimmung der Verschmutzung im

Niederschlagsabfluss...............................................................................36 Tabelle 4-7: Sedimentationsleistung in Durchlaufbecken.............................................36 Tabelle 4-8: Effekte durch Entlastungen in Fließgewässer ..........................................37 Tabelle 4-9: Systematik der Ergebnisauswertung........................................................38 Tabelle 4-10: Bilanzwerte der Langzeitsimulation IST-Zustand Wallhalben ...................39 Tabelle 4-11: Aufteilung Entlastungsvolumen und –fracht auf

RÜ und RÜB im IST-Zustand (Wallhalben) ..............................................40 Tabelle 4-12: Entlastungsschwerpunkte im Einzugsgebiet im

IST-Zustand (Wallhalben) ........................................................................40 Tabelle 4-13: spezifische Entlastungskennwerte ...........................................................42 Tabelle 4-14: Ermittlung der Kläranlagenablauffrachten Wallhalben..............................48 Tabelle 4-15: Bilanzwerte der Langzeitsimulation IST-Zustand Zweibrücken.................51 Tabelle 4-16: Aufteilung von Entlastungsvolumen und –fracht auf RÜ und RÜB ...........51 Tabelle 4-17: Entlastungsschwerpunkte im Einzugsgebiet Zweibrücken .......................52 Tabelle 4-18: spezifische Entlastungskennwerte Zweibrücken ......................................53 Tabelle 4-19: Ermittlung der Kläranlagenablauffrachten Zweibrücken ...........................59 Tabelle 4-20: Bilanzwerte der Langzeitsimulation IST-Zustand Edenkoben...................61 Tabelle 4-21: Aufteilung Entlastungsvolumen und –fracht auf RÜ und RÜB ..................61 Tabelle 4-22: Entlastungsschwerpunkte im Einzugsgebiet Edenkoben..........................62 Tabelle 4-23: spezifische Entlastungskennwerte ...........................................................63 Tabelle 4-24: Ermittlung der Kläranlagenablauffrachten Edenkoben..............................69 Tabelle 4-25: Prinzipielle Vorgehensweise bei der Erstellung der Kläranlagenmodelle..72 Tabelle 4-26: Ergebnisse der Bilanzierung der Referenzkläranlagen.............................75 Tabelle 4-27: Belastungskennzahlen der biologischen Stufen

der Referenzkläranlagen, Mittelwerte/85%-Werte ....................................75 Tabelle 4-28: Kalibrierungs- und Validierungszeiträume der Referenzkläranlagen ........77 Tabelle 4-29: Kennwerte der Belüftungssteuerung GKA Wallhalben .............................78

Verzeichnisse IV

Tabelle 4-30: ZKA Zweibrücken: Gewählte Verzögerungs- und Ansprechzeiten der NH4-N Messungen ............................................................................80

Tabelle 5-1: ausgewählte Niederschlagsereignisse zur detaillierten Betrachtung ........85 Tabelle 5-2: Temperaturen der Belebungsbecken für die Simulation der

Einzelereignisse.......................................................................................86 Tabelle 5-3: Gesamtfrachten der Einzelereignisse für die

Referenzanlage Wallhalben .....................................................................87 Tabelle 5-4: ZKA Zweibrücken: Zusammenstellung der Simulationsergebnisse

für Stickstoffparameter im Ablauf der Kläranlage .....................................88 Tabelle 5-5: Gesamtfrachten der Einzelereignisse für die

Referenzanlage Zweibrücken...................................................................90

Verzeichnisse V

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1-1: Fragestellung Projekt EPIKUR..................................................................3 Abbildung 2-1: Bereich des Spitzenfaktors fS,QM zur Ermittlung des

optimalen Mischwasserabflusses zur Kläranlage .....................................8 Abbildung 3-1: Einzugsgebiet der Kläranlage Wallhalben...............................................11 Abbildung 3-2: Fließschema der Gruppenkläranlage Wallhalben ...................................12 Abbildung 3-3: Einzugsgebiet der Kläranlage Zweibrücken ............................................16 Abbildung 3-4: Fließschema der Zentralkläranlage Zweibrücken....................................17 Abbildung 3-5: Einzugsgebiet der Kläranlage Edenkoben ..............................................21 Abbildung 3-6: Fließschema der GKA Edenkoben..........................................................22 Abbildung 3-7: Gegenüberstellung von ASM 1 und ASM 3 nach IWA /2000/..................28 Abbildung 4-1: Bestimmung des „optimalen“ Kläranlagenzuflusses anhand von

Jahresfrachten........................................................................................29 Abbildung 4-2: Gesamtentlastungsvolumen und –frachten bei

erhöhtem QM (Wallhalben)......................................................................42 Abbildung 4-3: Entlastungshäufigkeit und –dauer an den relevanten RÜB (Wallhalben) 43 Abbildung 4-4: Verminderung der Entlastungsabflussspitzen bei erhöhtem

Drosselabfluss (Wallhalben) ...................................................................44 Abbildung 4-5: Verminderung der Frachtspitzen bei erhöhtem

Drosselabfluss (Wallhalben) ...................................................................44 Abbildung 4-6: Verminderung der ereignisspezifischen BSB5-Fracht bei

erhöhtem Drosselabfluss (Wallhalben) ...................................................45 Abbildung 4-7: Belastungszeiten der Kläranlage Wallhaben im Bilanzierungszeitraum ..46 Abbildung 4-8: Zuflusssituation der Kläranlage Wallhaben im Bilanzierungszeitraum.....47 Abbildung 4-9: Konzentrationsverteilung im Zufluss der Kläranlage Wallhaben im

Bilanzierungszeitraum ............................................................................47 Abbildung 4-10: Zulauffrachten der Kläranlage Wallhaben im Bilanzierungszeitraum.......48 Abbildung 4-11: Ermittlung des optimalen Kläranlagenzuflusses Wallhalben ...................49 Abbildung 4-12: Vergleich IST-Zustand und angepasster Ausgangszustand....................50 Abbildung 4-13: Gesamtentlastungsvolumen und Frachten bei erhöhten Drosselab-

flüssen im Vergleich zum IST-Zustand ...................................................53 Abbildung 4-14: Entlastungshäufigkeit und –dauer an den relevanten RÜB (Zweibrücken) ........54 Abbildung 4-15: Verminderung der Entlastungsabflussspitzen bei erhöhtem Drosselabfluss

(Zweibrücken).........................................................................................55 Abbildung 4-16: Verminderung der max. Frachtströme NH4-N bei erhöhtem

Drosselabfluss (ZW) ...............................................................................55 Abbildung 4-17: Verminderung der ereignisspezifischen BSB5-Fracht bei

erhöhtem Drosselabfluss (Zweibrücken).................................................56 Abbildung 4-18: Belastungszeiten der Kläranlage Zweibrücken im Bilanzierungszeitraum

...............................................................................................................57 Abbildung 4-19: Zuflusssituation der Kläranlage Zweibrücken im Bilanzierungszeitraum .57 Abbildung 4-20: Konzentrationsverteilung im Zufluss der Kläranlage Zweibrücken

im Bilanzierungszeitraum........................................................................58 Abbildung 4-21: Zulauffrachten der Kläranlage Zweibrücken im Bilanzierungszeitraum ...58

Verzeichnisse VI

Abbildung 4-22: Ermittlung des optimalen Kläranlagenzuflusses Zweibrücken.................60 Abbildung 4-23: Gesamtentlastungsvolumen und –frachten bei geändertem QM

(Edenkoben)..........................................................................................63 Abbildung 4-24: Entlastungshäufigkeit und –dauer an den relevanten RÜB (Edenkoben) 64 Abbildung 4-25: Verminderung der ereignisspezifischen BSB5-Fracht bei verändertem

Drosselabfluss (Edenkoben)...................................................................65 Abbildung 4-26: Belastungsdauer der Mischwasserbeschickung der Kläranlage

Edenkoben im Bilanzierungszeitraum.....................................................66 Abbildung 4-27: Zuflusssituation der Kläranlage Edenkoben im Bilanzierungszeitraum ...67 Abbildung 4-28: Konzentrationsverteilung im Zufluss der Kläranlage Edenkoben im

Bilanzierungszeitraum ............................................................................67 Abbildung 4-29: Zulauffrachten der Kläranlage Edenkoben im Bilanzierungszeitraum .....68 Abbildung 4-30: Ermittlung des optimalen Kläranlagenzuflusses Edenkoben...................70 Abbildung 4-31: Gesamtfrachten CSB getrennt für Zeitraum außerhalb und während

Kampagne ..............................................................................................70 Abbildung 4-32: GKA Wallhalben: Kalibrierungs- (oben) und Validierungs-

ergebnis (unten) der Nitratganglinie im Belebungsbecken 2 ..................79 Abbildung 4-33: Definition der Ansprechzeit nach /Rieger et al. 2003/..............................79 Abbildung 4-34: ZKA Weibrücken: Ganglinien von NH4-N und NOX-N im Ablauf der

Belebung 2 .............................................................................................80 Abbildung 4-35: ZKA Zweibrücken: Kalibrierungs- und Validierungsergebnisse

Ablauf BB2 .............................................................................................81 Abbildung 4-36: ZKA Zweibrücken: Kalibrierungs- und Validierungsergebnisse

Ablauf BB2 .............................................................................................81 Abbildung 4-37: GKA Edenkoben: Ammonium- und Sauerstoffganglinie Belebungs-

becken 2.................................................................................................83 Abbildung 4-38: GKA Edenkoben: Stickstoffkonzentrationen im Ablauf der Belebung......83 Abbildung 5-1: Niederschlagsverläufe der ausgewählten Ereignisse..............................85 Abbildung 5-2: Gesamtemissionen aus Kanalnetz und Kläranlage der

Referenzanlage Wallhalben für einen Drosselabflus von 8QS + Qf .........87 Abbildung 5-3: Stickstoffparameter im Ablauf der Modellanlage Zweibrüchen –

Ereignis R1u...........................................................................................89 Abbildung 5-4: Gesamtemissionen aus Kanalnetz und Kläranlage der

Referenzanlage Zweibrücken für einen Drosselabfluss von 8QS + Qf .....90 Abbildung 6-1: Verteilung der Kosten auf Abwasserableitung und

Abwasserbehandlung nach Bellefontaine et al. /1999/..........................94 Abbildung 6-2: Ablaufschema integrierte Betrachtung Kanalnetz Kläranlage..................96 Abbildung 8-1: Einzugsgebiet der Kläranlage Wallhalben.............................................111 Abbildung 8-2: Einzugsgebiet der Kläranlage Zweibrücken ..........................................112 Abbildung 8-3: Einzugsgebiet der Kläranlage Edenkoben ............................................113

Zusammenfassung VII

Zusammenfassung

Ziel des vorliegenden Projektes war es, die Erstellung eines Leitfadens vorzubereiten, der eine Methodik zur Entscheidungsfindung bei der Implementierung eines integrierten Betrie-bes von Kanalnetz und Kläranlage vorgibt. Auch wenn bei neueren Entwässerungsgebieten die Konzeption zum naturnahen Umgang mit dem Niederschlagswasser konsequent umge-setzt wird und modifizierte Systeme realisiert werden, kann die Umstellung im Bestand nur sukzessive, d. h. wenn ohnehin Sanierungs- und Erneuerungsmaßnahmen anstehen, erfol-gen. Daneben gibt es Systeme, bei denen aufgrund der örtlichen Gegebenheiten nur ein Mischsystem in Frage kommt. Gefördert wurde das Projekt durch das Ministerium für Umwelt und Forsten, Rheinland-Pfalz im Zeitraum April 2002 bis Mai 2005.

Dazu wurden an drei für das Bundesland Rheinland-Pfalz repräsentativ ausgewählten Ein-zugsgebieten Untersuchungen durchgeführt. Diese wurden mithilfe von Schmutzfrachtmodel-len für den Bereich der Kanalnetze und Belebtschlammmodellen für die Kläranlagen reali-siert. Die untersuchten Referenzobjekte wurden mit dem Ziel ausgewählt, möglichst für Rheinland-Pfalz typische Anlagen bzw. Belastungssituationen zu erfassen. Es wurden in Abstimmung mit den zuständigen Genehmigungsbehörden die Anlagen Zweibrücken (urba-nes Einzugsgebiet), Wallhalben (ländliches Einzugsgebiet) und Edenkoben (Einzugsgebiet stark durch Weinbau geprägt) als Referenzanlagen ausgewählt.

Zur Erstellung und Kalibrierung der Kläranlagenmodelle wurden auf den drei Referenzkläran-lagen umfangreiche Messprogramme durchgeführt. Die mithilfe der Messdaten erarbeiteten Kläranlagenmodelle sind aufgrund der hohen Güte der Anpassung an die gemessenen Kon-zentrationsganglinien dazu geeignet, die Emissionen der Kläranlagen realitätsnah abzu-schätzen.

Für die Modellierung der Schmutzfracht wurden die Kanalnetze der Referenzanlagen als Grobnetze abgebildet, wobei die im den Einzugsgebieten vorhandenen Sonderbauwerke mit ihren tatsächlichen Bauwerksabmessungen, hydraulischen Kennwerten und Funktionswei-sen in den Datensatz der Grobnetze übernommen wurden.

Zunächst wurde das Emissionsverhalten der Gesamtsysteme (Kanalnetz und Kläranlage) anhand von CSB- Jahresfrachten abgeschätzt. Dieses Vorgehen wurde gewählt, da der CSB der gängige Leitparameter zur Dimensionierung von Kanalnetzen ist. Im Laufe der Untersu-chungen wurde deutlich, dass die ausschließliche Betrachtung der Gesamtfrachten des CSB als Beurteilungsparameter zur Beurteilung der Emissionen in Folge der Umsetzung einer integrierten Betriebsweise als wenig geeignet einzustufen ist. Das tatsächliche Emissions-minderungspotenzial wird durch die Betrachtung dieses Parameters nicht hinreichend wie-dergegeben. Die Wirksamkeit von Maßnahmen wurde daher anhand von ereignisbezogenen Untersuchungen der Emissionen von Kanalnetz und Kläranlage beurteilt.

Es zeigte sich bei den untersuchten Referenzanlagen insbesondere bei geringeren Nieder-schlagshöhen ein deutliches Potenzial zur Reduktion von Emissionen. Dies gilt insbesondere für die emittierten Nährstoffe, aber auch für die abgegebenen CSB- Frachten. Speziell beim Summenparameter CSB gilt es zusätzlich zu beachten, dass sich zwar die Summe der aus Kanalnetz und Kläranlage emittierten Fracht bei erhöhten Drosselabflüssen im Jahresmittel nur wenig ändert bzw. verbessert, die Zusammensetzung des CSB je nach Quelle (Misch-wasserbehandlung, Ablauf der Kläranlage) der Emission unterschiedlich ist. So ist im Ablauf

Zusammenfassung VIII

der Kläranlage meist nur ein sehr geringer Anteil leicht abbaubarer Bestandteile enthalten, während die Emissionen im Bereich des Kanalnetzes akut sauerstoffzehrende Wirkung auf-weisen.

Im Rahmen des Projektes konnten zusätzlich zu den Erkenntnissen über die Referenzanla-gen verschiedene Kennwerte zur Beurteilung der Eignung von Kanalnetzen und Kläranlagen zum integrierten Betrieb identifiziert werden. So konnten im Rahmen des vorliegenden Pro-jektes zahlreiche wertvolle Hinweise für die Erstellung des Leitfadens gewonnen werden.

Kaiserslautern, 25.05.05

............................................ ............................................

Prof. Dr.-Ing. T. G. Schmitt Dr.-Ing. J. Hansen

Kap. 1 Einleitung 1

1 Einleitung

1.1 Veranlassung

Die Siedlungsentwässerung in der Bundesrepublik Deutschland erfolgt überwiegend durch Mischsysteme, d.h. Schmutzwasser und Regenwasser werden in einem gemeinsamen Ka-nal abgeleitet. Da der Mischwasserabfluss den bis zu 100-fachen Wert des Trockenwet-terabflusses annehmen kann, ist es nicht immer möglich, den gesamten Abfluss auch zur Kläranlage weiterzuleiten und dort einer Behandlung zu unterziehen. Ein Teil des Mischwas-sers wird deswegen an bestimmten Bauwerken im Kanal entlastet und in ein Gewässer ab-geleitet. Im Bereich der Kanalisation wurden deshalb in den letzten Jahren, nicht zuletzt we-gen des ATV-Arbeitsblattes A 128, verstärkt Regenbecken zur Mischwasserbehandlung ge-baut, um die Emissionen aus den Regenentlastungsbauwerken zu verringern. Diese Becken begrenzen den Zufluss zur Kläranlage auf den in der Bundesrepublik üblichen Bemes-sungszufluss QM. Dies entspricht der Summe aus dem zweifachen stündlichen Spitzenwert des Schmutzwasserzuflusses QS,x und dem Fremdwasserzufluss QF. Der gespeicherte Be-ckeninhalt wird nach Ende des Regens zur Kläranlage entleert.

Die Festlegung dieses starren Drosselabflusses als Bindeglied zwischen Kanalisation und Kläranlage ist hierbei nicht das Resultat weitergehender verfahrenstechnischer Überlegun-gen oder wirtschaftlicher Optimierungsansätze, sondern wurde relativ willkürlich gewählt (BRUNS 1999). Hierbei ist weiterhin zu bedenken, dass der Lastfall zur Bemessung einer Kläranlage durch eine Kombination einer hohen Lastannahme (z.B. der Fracht, die in 85% aller Belastungsfälle unterschritten wird) bei gleichzeitig ungünstigen Betriebsbedingungen gekennzeichnet ist (z.B. durch die Annahme einer niedrigen Bemessungstemperatur), wes-halb die Anlagen in der Regel erhebliche Leistungsreserven aufweisen.

Die bislang geübte Praxis, Kanalisation und Kläranlage statisch zu bemessen und zu betrei-ben, kann dazu führen, dass Mischwasser in ein Gewässer entlastet wird, obwohl noch Spei-cherkapazitäten im Netz vorhanden sind. Des Weiteren fehlt in den meisten Abwassersyste-men der Informationsfluss zwischen Kläranlage und Kanalisation, sodass der Mischwasser-abfluss möglicherweise stärker als notwendig gedrosselt und entlastet wird, obwohl noch freie Kapazitäten auf der Kläranlage vorhanden sind. Sowohl aus Sicht des Gewässerschut-zes als auch aus Kostengesichtspunkten vertreten daher viele Experten die Ansicht, dass Abwassersysteme in einer ganzheitlichen Betrachtung („integriert“) geplant und vor allem betrieben werden sollten (z.B. KRAUTH, MÜLLER 1996; ALEX ET AL. 1999; ROSENWIN-KEL ET AL. 1999; HANSEN, LEINWEBER 1999a und b). Bisherige Untersuchungen (z.B. SCHNEIDER, SCHOLZ 1998) legen weiterhin den Schluss nahe, dass für ein bestehendes Abwassersystem hinsichtlich der Gesamtemissionen ein optimaler Drosselabfluss existiert,

der in der Regel nicht dem bislang üblichen Bemessungszufluss von 2⋅QS,x+QF entspricht. Dieser ist jedoch belastungs- bzw. ereignisabhängig.

Im Rahmen von Untersuchungen unter Verwendung von dynamischen Simulationswerkzeu-gen, die das Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft der Technischen Universität Kaiserslau-tern im Rahmen der Erweiterungsplanung einer kommunalen Kläranlage durchgeführt hat (HANSEN, LEINWEBER 2000), stellte sich heraus, dass bei den untersuchten Kläranlagen-

varianten eine Beschickung mit Drosselabflüssen deutlich über 2⋅QS,x+QF und damit eine erhebliche Verminderung der Gesamtemissionen aus dem System Kanalnetz-Kläranlage

Kap. 1 Einleitung 2

möglich war, ohne dass die Überwachungswerte im Ablauf der Kläranlage überschritten wurden.

Die vorgenannten Erkenntnisse waren Anlass für das rheinland-pfälzische Ministerium für Umwelt und Forsten Untersuchungen zu dieser Thematik unter dem Titel „Entwicklung und Erprobung eines integrierten Abwassermanagementsystems zur Kosten- und Emissionsre-duzierung“ an tectraa zu beauftragen. Das Land Rheinland-Pfalz verfolgt im Bereich der Wasserwirtschaft das Leitbild der Nachhaltigkeit bzw. einer nachhaltigen Entwicklung.

Dieses, im Wesentlichen von der AGENDA 21 geprägte Konzept, fordert im Sinne einer nachhaltigen Umweltvorsorge dauerhafte Nutzungsstrategien, mit deren Hilfe u.a. sicherge-stellt werden soll, dass die Emissionen die Aufnahme- und Regenerationsfähigkeit von Um-weltmedien und Lebewesen nicht überschreiten. In diesem Sinne sollte deshalb auch ein besonderes Augenmerk auf die Entwicklung und Nutzung umweltentlastender, ökoeffizienter Technologien gelegt werden.

Bei dem Projekt EPIKUR handelt es sich um ein solches Vorhaben, wie nachfolgend gezeigt wird:

• Nachdem in den letzten Jahrzehnten ein Hauptaugenmerk im Rahmen der Gewässer-schutzpolitik des Landes auf dem Bau und der Sanierung von Kläranlagen lag, gewinnt nun die ökologische und ökonomische Optimierung der Betriebsführung dieser Anlagen im Zusammenwirken mit der Kanalisation zunehmend an Bedeutung. Hierfür ist aber eine genaue Kenntnis aller relevanten Prozesse und Informationen im Netz und in der Klär-anlage, unter besonderer Berücksichtigung der als ‚Vorfluter’ dienenden Gewässer, erfor-derlich. Diesbezüglich ist EPIKUR, nicht zuletzt aufgrund der Einbeziehung der innovati-ven Möglichkeiten der dynamischen Simulation, als eine methodische Weiterentwicklung im Bereich der Optimierung der Abwasserbehandlung zu verstehen.

• EPIKUR versteht sich als ein modellhaftes, problemorientiertes Vorhaben im Bereich der prozessorientierten Umweltforschung. Das Projekt verfolgt das Ziel, eine auf vielfältige Aufgabenstellungen übertragbare Handlungsanleitung zu entwickeln. Im Sinne eines addi-tiven und vorsorgenden Umweltschutzes kann EPIKUR somit als ein Medium verstanden werden, welches dazu beiträgt, Umweltbelastungen entscheidend zu mindern.

• Ein weiteres, grundlegendes Ziel von EPIKUR ist es, ein für die Kläranlagenbetreiber, Behörden und Planungsbüros einfach nutzbare und zugängliche Planungshilfe zur inte-grierten Planung und Bewirtschaftung von Kanalisation und Kläranlage zu entwickeln. Dieses Ziel soll auch sicherstellen, dass ein Transfer der gewonnenen wissenschaftlichen Erkenntnisse in die Praxis erfolgt. Durch die Entwicklung eines Leitfadens, der nach Ab-schluss von EPIKUR den genannten Zielgruppen zur Verfügung gestellt wird, verfügt das Projekt über einen potenziell hohen Multiplikatoreneffekt.

• Die Umsetzung der zukunftsorientierten Umweltpolitik des Landes im Wasser- und Ab-wasserbereich lässt sich nur in einer engen Kooperation zwischen der Wasserwirt-schaftsverwaltung und allen tragenden Säulen von Gesellschaft, Wirtschaft, Wissenschaft und Kommunen verwirklichen. Vor diesem Hintergrund ist die geschlossene Kooperation zwischen dem Ministerium für Umwelt und Forsten, dem Ministerium für Bildung, Wissen-schaft und Weiterbildung, den Hochschulen des Landes und der Kammer der Beratenden Ingenieure zu sehen. EPIKUR stellt im Sinne dieser Kooperation ein Initialprojekt für ge-

Kap. 1 Einleitung 3

genseitigen Gedanken- und Erfahrungsaustausch, Information und wechselseitige Be-fruchtung von Praxis und Wissenschaft dar.

Aufgrund der zuvor gemachten Ausführungen kann das Projekt EPIKUR somit nicht nur im Sinne des Umweltschutzes, sondern auch bezüglich der Wirtschaftlichkeit als nachhaltig angesehen werden. Auch der dritten Säule des Nachhaltigkeitskonzeptes, den sogenannten sozio-ökonomischen Komponenten, wird EPIKUR insofern gerecht, als dass dieses innovati-ve Forschungsvorhaben die Wettbewerbsfähigkeit der Technischen Universität Kai-serslautern, und indirekt auch die Wettbewerbsfähigkeit der Betreiber, Ingenieurbüros, etc., also derjenigen, die die Ergebnisse des Projektes EPIKUR nutzen werden, erhöhen wird.

1.2 Ziele

Aus den Defiziten der bisherigen Untersuchungen (vgl. auch Kapitel 2.1) wurden die Ziele im Rahmen des Projektes EPIKUR abgeleitet. Die allgemeinen Ziele können wie folgt formuliert werden:

• Entwicklung einer Checkliste zur Überprüfung der Möglichkeiten eines integrierten Abwas-sermanagements (d.h. ist für ein System Netz - Kläranlage eine integrierte Planung/ ein integrierter Betrieb überhaupt sinnvoll und machbar?)

• Entwicklung einer Methodik zur Bestimmung des jeweils optimalen Drosselabflusses

Abbildung 1-1: Fragestellung Projekt EPIKUR

Kap. 1 Einleitung 4

1.3 Vorgehensweise

Im Rahmen der vorbereitenden Arbeiten erfolgt zunächst eine Literaturstudie zu den Themen ‚Integrierte Betrachtung von Kanalnetz und Kläranlage’; ‚Beschickung von Kläranlagen mit erhöhten Drosselabflüssen’; ‘Regelstrategien bei Mischwasserzufluss’, sowie ‚Kriterien zur Beurteilung von Emissionen’. Ausgehend von den Ergebnissen dieser Literaturstudie (s. Kap. 2) erfolgte die Ableitung eines ersten Kriterienkatalogs (‚Checkliste’ s. Anhang 9.1), wann eine integrierte Betrachtung sinnvoll und möglich ist.

Im nächsten Schritt wurden mithilfe der Checkliste 3 für Rheinland-Pfalz beispielhafte Refe-renzanlagen ausgewählt (s. Kap. 3), von denen zunächst für die Teilsysteme Kanalnetz (s. Kap. 4.2) und Kläranlage (s. Kap. 4.3) getrennt voneinander Modelle erstellt wurden. Dabei wurden die Kanalnetze als Schmutzfrachtmodelle nachgebildet, um durch vergleichende Simulationsläufe Aussagen über die Emissionen während verschiedener Betriebszustände treffen zu können. Die Modelle der Kläranlagen wurden anhand von gemessenen Tages-ganglinien kalibriert, so dass im folgenden Schritt der integrierten Betrachtung von Kanalnetz und Kläranlage (s. Kap. 5) eine realitätsnahe Abschätzung über die Funktionsweise der Kläranlagen unter veränderten Belastungsbedingungen erfolgen konnte. Ziel der detaillierten Simulation der Kläranlagen war dabei speziell eine Aussage über die Einhaltung der Ablauf-werte zu ermöglichen.

Aus den während der Untersuchung der Referenzanlagen gewonnenen Erkenntnissen wur-de ein vorläufiger Leitfaden zur Vorgehensweise bei der Umsetzung integrierter Maßnahmen entworfen (s. Kap. 6).

Kap. 2 Integrierte Ansätze in der Abwasserentsorgung 5

2 Integrierte Ansätze in der Abwasserentsorgung

2.1 Stand von Wissenschaft und Technik

Ein integrierter Betrieb von Kanalnetz und Kläranlage kann dazu beitragen, vorhandene Re-serven zu nutzen und so Emissionen und Kosten zu vermindern. Gerade vor dem Hinter-grund der EG-WRRL (N.N., 2000) und der damit verbundenen Betrachtung eines Gewässer-systems auch unter Immissionsgesichtspunkten gewinnt dies unter Umweltaspekten zuneh-mend an Bedeutung.

Neben positiven Umweltauswirkungen eines integrierten Betriebes können integrierte Pla-nungen auch ökonomisch interessant sein, da Investitionen entweder für Mischwasserbe-handlungsmaßnahmen oder im Kläranlagenbereich eingespart werden können. Daher wird von vielen Experten gefordert, Abwassersysteme zukünftig integriert zu planen und zu betreiben (z.B. KRAUTH und MÜLLER, 1996; ALEX et al., 1999, ROSENWINKEL et al., 1999, HANSEN und LEINWEBER, 1999).

Aus diesem Grund sind die integrierte Planung und der gemeinsame Betrieb von Kanalnetz und Kläranlage in den letzten Jahren zunehmend Gegenstand von wissenschaftlichen Un-tersuchungen geworden. So werden mittels Simulation überwiegend Gesamtbetrachtungen der Emissionen aus Kanalnetz und Kläranlage durchgeführt oder Ansätze zur Betriebs- und Kostenoptimierung untersucht. Die meisten dieser Projekte sind reine Simulationsstudien, die teilweise sogar auf fiktiven Systemen beruhen (z.B. ERBE, 2002; SEGGELKE und RO-SENWINKEL 2000, 2002).

Auch in der Praxis haben die integrierte Planung und der gemeinsame Betrieb von Kanal und Kläranlage in den letzten Jahren verstärkt an Bedeutung gewonnen. Hierbei stehen ne-ben der Minimierung der Gesamtemissionen vor allem auch Ansätze zur Betriebs- und Kos-tenoptimierung im Vordergrund. Wesentliche Veröffentlichungen zur Thematik werden nach-folgend vorgestellt.

ERBE (2002) berichtet über ein Projekt, welches das Ziel verfolgt, für ein Einzugsgebiet im Bereich des Wupperverbandes ein integriertes Simulationsmodell für Kanalnetz, Durchlauf-kläranlage und Gewässer zu erstellen, um anschließend die Gewässerbelastung mittels ge-zielter Maßnahmen verringern zu können. Die verwendete Software kam bereits in ähnlichen Projekten zum Einsatz (z.B. ALEX ET AL., 1999).

SEGGELKE UND ROSENWINKEL (2000, 2002) realisierten eine online-Simulation für die Pilot-Anlage „Hannover-Gümmerwald“ (Durchlaufprinzip), mit deren Hilfe der Betrieb bei Mischwasserzufluss optimiert bzw. die Höhe des Zuflusses entsprechend den Randbe-dingungen variiert werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass es mit einem derartigen An-satz möglich ist, den Zufluss gegenüber dem Planungswert der Anlage zu verdoppeln, ohne die Überwachungswerte zu überschreiten. Im Rahmen einer weiteren Fallstudie schätzen die Autoren für die KA Hildesheim (Durchlaufprinzip) im Falle einer Zuflussverdoppelung eine Reduzierung der aus dem Gesamtsystem emittierten TKN-Fracht zu ca. 22 % ab.

SCHNEIDER UND SCHOLZ (1998) ermittelten bei ihren Gesamtemissionsbetrachtungen für den Abwasserzweckverband (AZV) Oberer Neckar bei einer Erhöhung des Kläranlagen-zuflusses neben einem mittel- bzw. langfristigen Einsparpotenzial von 2 bis 3 Mio. DM bzw.


2,5 bis 3,5 Mio. DM auch eine Reduzierung der Gesamtemissionen. Diese Betrachtungen wurden am Beispiel einer konventionellen Durchlaufanlage angestellt.

Gleiches gilt für die Untersuchungen von BEVER UND DURCHSCHLAG (1997), die bei ih-ren Simulationsrechnungen zum Thema Gesamtemissionsbetrachtung ebenfalls heraus-fanden, dass bei einer Erhöhung der Mischwasserbeschickung der Kläranlage die frachtbe-zogenen Gesamtemissionen verringert werden könnten. Bezogen auf den Kjeldahl-Stickstoff ermittelten sie ein Minimum bei etwa der dreifachen Trockenwetterzuflussmenge, für den Parameter CSB lag der Wert mit etwa der vierfachen Trockenwettermenge noch etwas hö-her.

THÖLE (1999) fand bei seinen Gesamtemissionsbetrachtungen am Beispiel der Stadt Dres-den, die ebenfalls mit Hilfe der dynamischen Simulation durchgeführt wurden, heraus, dass durch eine Erhöhung des Drosselabflusses die Gesamtemission an organischer Belastung prinzipiell so lange reduziert werden kann, wie die Nachklärung die erhöhte hydraulische Belastung verkraftet. Bei den Ammonium-Emissionen ermittelte er, dass zwar auch hier durch Erhöhung der Zuflussmenge eine Verbesserung erzielt werden kann, aber ab einem

Zufluss von mehr als 2,85⋅Qs + Qf keine weitere Reduzierung der Gesamtemissionen mehr erfolgt.

BRUNS (1999) entwickelte in seiner Dissertation u.a. anderem einen Algorithmus auf Basis einer Ammonium- und Schlammspiegelmessung zur dynamischen Kopplung von Kanalnetz und Kläranlage. Bei seinen technischen Versuchen auf der Kläranlage Ludwigsburg-Eglos-heim, einer konventionellen Durchlaufanlage mit vorgeschalteter Denitrifikation, fand er he-raus, dass die hydraulische Spitzenbelastung um bis zu 100 % über den Planungswert er-höht werden konnte, ohne dass es zu einer Überlastung der Kläranlage kam.

RAUCH UND HARREMOES (1999) verwendeten bei ihren theoretischen Betrachtungen zur Echtzeitsteuerung von Kanalnetzen bzw. zur integrierten Betrachtung von Kanalnetz, Kläran-lage und Gewässer einen genetischen Algorithmus in Verbindung mit nicht-linearen Model-len. Der genetische Algorithmus wurde in dieser Arbeit als Optimierungsalgorithmus, d.h. zur Minimierung der Emissionen eingesetzt. Nach Meinung der Autoren ist dieser Algorithmus in Verbindung mit entsprechenden Modellen ein geeignetes Werkzeug für eine Echtzeitsteue-rung von Kanalnetz und Kläranlage.

BAZURRO ET AL. (1999) greifen bei ihrer integrierten Betrachtung von Kanalnetz, Kläran-lage und Gewässer des Innenstadtbereichs von Genua ebenfalls auf die dynamische Simu-lation von Kanalnetz und Kläranlage zurück. Bei der Kläranlage handelt es sich wiederum um eine konventionelle Durchlaufanlage. Die Untersuchungen werden dabei im Rahmen des Technology Validation Project (TVP) „Integrated Wastewater“ (CLIFFORDE ET AL. (1999)) durchgeführt. Aufgrund erster Simulationsergebnisse erwarten sie, dass sie mit Hilfe ihrer Modelle sowie einer Optimierungssoftware, die noch entwickelt wird, eine Optimierung des Pumpenbetriebes hinsichtlich einer Minimierung der aus Regenüberläufen emittierten Frach-ten erreichen können.

HERNEBRING ET AL. (1999) berichten über ein Teilprojekt des TVP „Integrated Waste-water“, bei dem für 3 schwedische Kläranlagen in den Städten Helsingborg, Halmstad und Sundsvall eine integrierte Betrachtung für Kanalnetz und Kläranlage mit Hilfe von dyna-mischen Simulationsmodellen durchgeführt wurden bzw. werden. Darüber hinaus werden Steuerungs- und Regelungsstrategien für eine Echtzeitregelung entwickelt. Als wesentliches


Ziel der Untersuchungen wird hier neben der Reduzierung der Emissionen vor allem die Er-mittlung des Einsparpotenzials im Bereich der Investitions- und der Betriebskosten für Ka-nalnetz und Kläranlage gesehen. In der letzten Phase ist geplant, die theoretischen Erkennt-nisse auf einer Kläranlage in Helsingborg in der Praxis zu testen.

WALTHER UND ROHLFING (1999) fanden bei ihren Untersuchungen im Vorfeld des Neu-baus bzw. der Sanierung der Kläranlage und des Kanalnetzes von Leipzig heraus, dass sich bei Optimierung der Investitionskosten unter der Randbedingung vorgegebener Grenzwerte für die aus dem System emittierten Frachten, durch eine Erhöhung der Zuflussmenge zur Kläranlage erhebliche Kosten einsparen lassen. Im Falle des üblichen, zweifachen Trocken-wetterzuflusses wurde ein Investitionsvolumen von 37 Mio. Euro errechnet. Durch Erhöhung des Zuflusses auf die 2,4-fache Trockenwettermenge, in diesem Fall dem wirtschaftlichem Optimum, konnten die Kosten auf 15 Mio. Euro gesenkt werden. Das Beispiel macht das er-hebliche Einsparpotenzial deutlich, welches durch eine integrierte Betrachtung von Kanal und Kläranlage erzielt werden kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn Erweiterungs- bzw. Sanierungsmaßnahmen im Bereich des Kanalnetzes und/oder der Kläranlage anstehen.

Nach BRUNS (1999) besteht im Bereich der dynamischen Koppelung von Kanalnetz und Kläranlage u.a. noch Forschungsbedarf in der Ausdehnung von Untersuchungen auf andere biologische Abwasserreinigungsverfahren als den weitverbreiteten Kläranlagen mit vorge-schalteter Denitrifikation, der Entwicklung einfacher Ansätze zur wirtschaftlichen Dimensio-nierung von Kanalnetz und Kläranlage bei variablen Drosselabflüssen, bei der Optimierung der MSR-Technik für Zwecke der Koppelung zwischen Kanalnetz und Kläranlage und bei der Weiterentwicklung im Bereich der Simulation mit solchen Modellen, um das Optimierungspo-tenzial besser abschätzen zu können.

HANSEN UND LEINWEBER (1999b, 2000) haben bei ihren Untersuchungen zur integrierten Planung des Entwässerungssystems und der Kläranlage (11.500 EW) der Gemeinde Esch-ringen das SBR-Modell des Programmpakets SIMBA mit dem Schmutzfrachtmodell KOSMO gekoppelt und für verschiedene Kläranlagenzuflüsse die Gesamtemissionen repräsentativer Einzelereignisse ermittelt. Die Autoren stellten dabei fest, dass auch bei SBR-Anlagen integ-rierte Ansätze aussichtsreich erscheinen, da sich durch eine erhöhte Mischwasserbeschi-ckung die Gesamtemission im Modell für CSB um bis zu 25 % bzw. für NH4-N um bis zu 10 % reduzieren ließen. Die Betrachtung wurden an einem ungesteuerten bzw. ungeregel-tem System durchgeführt, weshalb damit zu rechnen ist, dass durch Einsatz von MSR-Technik noch bessere Ergebnisse erzielt werden könnten. Alternativ dazu wurden auch Si-mulationen für eine Durchlaufanlage mit aerober Schlammstabilisierung durchgeführt. Hier-bei stellte sich heraus, dass die Nachklärung der limitierende Faktor bei der Zuflusserhöhung

war, da bei einer Beschickung mit 4⋅QS,X+QF erheblicher Feststoffabtrieb simuliert wurde.

Durch das neue ATV-DVWK A 198 (2003) zur „Vereinheitlichung und Herleitung von Bemes-sungswerten für Abwasseranlagen“ wird zukünftig für den Mischwasserzufluss zur Kläranla-ge eine größere Bandbreite zulässig. Der zulässige Mischwasserabfluss QM errechnet sich über ein Vielfaches des Schmutzwasserabflusses im Jahresmittel QS,aM und einem Spitzen-faktor fS,QM nach folgender Formel, wobei QF,aM den Jahresmittelwert des Fremdwasserab-flusses darstellt.

QM = fS,QM ⋅ QS,aM + QF,aM (l/s)


Die vorgeschlagene Bandbreite von fS, QM liegt z.B. zwischen 3 und 6 für Gr0ßstädte (>100.000 E) und 6 und 9 für den ländlichen Bereich (s. Abbildung 2-1).

9

6

3

5.000 - 20.000 E

20.000 - 100.000 E

Großstädte

>100.000 E

f S,QM [-]

Bereich

< 5.000 E

Mittelstädte ländlicher

Abbildung 2-1: Bereich des Spitzenfaktors fS,QM zur Ermittlung des optimalen Mischwasserabflusses zur Kläranlage (ATV-DVWK A 198, 2003)

Die neue Bandbreite des Spitzenfaktors fS,QM ermöglicht eine Optimierung zwischen dem erforderlichen Speichervolumen in der Kanalisation und der Belastbarkeit der Kläranlage. Die neue Regelung stellt somit eine formale Randbedingung für eine integrierte Bewirtschaftung von Kanalnetz und Kläranlage dar (SEGGELKE, ROSENWINKEL 2004).

2.2 Defizite bisheriger Untersuchungen

Die Erkenntnis, dass eine isolierte Betrachtung der Systemelemente Kanalisation und Klär-anlage – verbunden durch die Festlegung eines starren Drosselabflusses – keine optimale Vorgehensweise darstellt, hat in den letzten Jahren zu zahlreichen Untersuchungen geführt. Bei diesen handelte es sich jedoch in der Regel um ’Einzelanwendungen’ mit jeweils unter-schiedlicher Methodik sowie unterschiedlichen Zielen. Die Defizite der bisherigen Unter-suchungen können wie folgt zusammengefasst werden:

� Es fehlen systematische Untersuchungen, wann (aufgrund der vorliegenden Randbedin-gungen) durch eine ‘integrierte Betrachtung’ (in Planung + Betrieb) ein Potenzial für Ein-sparungen, Verbesserungen des Betriebes von Kanalnetz und Kläranlage und / oder Emissionsreduzierungen besteht.

� Es fehlen nachvollziehbare, objektive Kriterien, anhand denen eine entsprechende Ein-schätzung vorgenommen werden kann (‘Checkliste’).

� Eine systematische und zielgerichtete Umsetzung von theoretischen Untersuchungen in die Großtechnik (Verifikation) ist bislang nicht erfolgt.

� Methodik und Kriterien zur ‘Verschneidung’ der Teilziele zum Erreichen des ‚besten Kompromisses’ sind bislang nicht gegeben.

� Die tatsächlichen Verhältnisse auf Kläranlagen, die nicht Sedimentation oder biologische Prozesse betreffen (wie z. B. Hydraulik der Gerinne, Pumpen und Rohrleitungen) wer-den nicht berücksichtigt.

Kap. 3 Grundlagen und Methoden des Projektes EPIKUR 9

3 Grundlagen und Methoden des Projektes EPIKUR

3.1 Projektgebiete

3.1.1 Kriterien und Vorgehensweise bei der Auswahl der Referenzobjekte

Die Untersuchungen im Rahmen von Epikur wurden in Absprache mit dem Ministerium für Umwelt und Forsten auf drei Referenzanlagen durchgeführt werden. Diese sollen repräsen-tativ für die Situation in Rheinland-Pfalz sein und jeweils eine spezifische ‚Problemstellung’ repräsentieren, um eine möglichst breite Übertragbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten. Weiterhin wurde bei der Auswahl der Referenzanlagen darauf geachtet für eine später ge-plante großtechnische Umsetzung der erarbeiteten Konzepte Anlagen auszuwählen, bei de-nen die Möglichkeit zu einer höheren hydraulischen Belastung gegeben ist.

Eine Vorauswahl der Referenzobjekte erfolgte unter Verwendung einer von tectraa ent-wickelten Checkliste (vgl. Anhang Kap. 9.1), in der anhand von spezifischen Kriterien bzgl. Entwässerungsgebiet, Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer die Eignung im Rahmen von EPIKUR abgefragt wurde. Die Checkliste wurde an die Kammer der Beratenden Ingenieure sowie die SGD’s versandt und die Rückläufe ausgewertet. Die endgültige Aufnahme als Re-ferenzobjekt erfolgt erst nach einem Ortstermin sowie der Auswertung von Unterlagen durch tectraa. Einen Überblick über die ausgewählten Referenzobjekte vermittelt die nachfolgende Tabelle. Die Lage der Referenzanlagen mit ihren Einzugsgebieten ist im Anhang, Kapitel 9.2 dargestellt.

Tabelle 3-1: Übersicht über die Referenzobjekte im Rahmen von EPIKUR

Referenzobjekt Ausbaugröße Charakteristik

Zweibrücken 70.000 EW - viele mögliche Stellglieder auf der Kläranlage - Kläranlage hinsichtlich Zulauffracht nicht ausgelastet - Maßnahmen zur Regenwasserbehandlung im Netz erfor-

derlich

Wallhalben 14.000 EW - ländlicher Raum - neue Kläranlage - Maßnahmen zur Regenwasserbehandlung im Netz nicht er-

forderlich - eher leistungsstarker Vorfluter

Edenkoben 15.000 EW Normallast 55.000 EW Kampagne

- ausgeprägte Belastungsspitzen (u.a. durch kurze Fließzeiten im Netz)

- erheblicher Einfluss der Weinbaukampagne - Kläranlage bemessen für Kampagnebelastung - leistungsschwacher Vorfluter

Zusätzlich zu den letztendlich als Referenzobjekte herangezogenen Anlagen waren noch die Anlagen Schwarzbachtal (als Alternative zu Wallhalben) und Niederkirchen (als Alternative zu Edenkoben) in der engeren Vorauswahl und wurden auf ihre Eignung als Referenzobjekte überprüft. Jedoch konnten aufgrund der beengten hydraulischen Verhältnisse im Zulauf der Kläranlagen im Hinblick auf eine mögliche zweite Projektphase mit einer erhöhten Zufluss-


menge zur Kläranlage nicht für den weiteren Projektverlauf berücksichtigt werden. Die Refe-renzobjekte werden nachfolgend detailliert beschrieben.

3.1.2 Wallhalben

� Beschreibung des Einzugsgebietes Das Einzugsgebiet der Kläranlage Wallhalben erstreckt sich über das Gebiet der gesamten Verbandsgemeinde Wallhalben. Dazu gehören neben der Ortsgemeinde Wallhalben noch die folgenden 9 Ortschaften und Gemeinden, die ihre Abwässer zur Kläranlage Wallhalben weiterleiten.

- Oberarnbach

- Oberarnheim-Kirchenarnbach

- Hettenhausen

- Knopp-Labach

- Weselberg

- Harsberg

- Saalstadt

- Schmittshausen

- Herschberg

Insgesamt umfasst das Gesamteinzugsgebiet eine befestigte Fläche AE,b von ca. 80 ha mit einer Einwohnerzahl von rund 12.200. Nahezu das gesamte Einzugsgebiet ist im Mischver-fahren entwässert, lediglich kleinere Neubaugebiete werden trennentwässert. Die ange-schlossenen Gemeinden haben zum Teil eine sehr große Entfernung zur Kläranlage und weisen durch ihre Größe, geographische Gegebenheit, Struktur und Entwässerungsart sehr verschiedene Fließeigenschaften auf.

Die meisten Teilgebiete besitzen ein abschließendes Sonderbauwerk (RÜ, RÜB, Pump-werk). Danach gelangt das Abwasser durch ein Hauptsammlernetz zur Kläranlage. Durch die lange Gesamtfließzeit (tfmax = 260 min) und die damit verbundene zeitliche Verschiebungen der Spitzenabflüsse der einzelnen Einzugsgebiete am Zulauf der Kläranlage, weist die Ta-gesganglinie im Zufluss der Kläranlage keine ausgeprägten Tagesspitzen auf.

Insgesamt befindet sich im Einzugsgebiet der Kläranlage 7 Regenüberlaufbecken mit einem Gesamtvolumen von 1.975 m³. Das spezifische Speichervolumen beträgt demnach 25 m³/haAE,b (entspricht 29 m³/haAu), was für den ländlichen Raum in Rheinland-Pfalz einen recht hohen Wert darstellt. Für das Gesamtgebiet wären nach der Rheinland-Pfälzischen Regelung zur Umsetzung ATV-A 128 (N.N, 1993) 14,2 m³/haAu erforderlich (12 m³/haAE,b). Die verschiedenen Entlastungsbauwerke entlasten in unterschiedliche Gewässer im Ein-zugsgebiet der Wallhalbe. Über die Gewässersituation selbst liegen keine Angaben vor. In Abbildung 3.1 sind die Sonderbauwerke mit ihren Einzugsgebieten als Fließschema mit den wichtigsten Kenndaten dargestellt.

Die Abwasserzusammensetzung kann hinsichtlich der Verschmutzungsart als kommunal geprägt angesehen werden, da nur kleinere Gewerbe, wie Bäckereien, Metzgereien, land-wirtschaftliche und handwerkliche Betriebe in mittlerer Anzahl ansässig sind. Abwasser aus großen industriellen Anlagen ist nicht vorhanden. Der Fremdwasserabfluss im Jahr 2002 beträgt im Mittel 13,3 l/s. Dies entspricht bei einem Trockenwetterzufluss zur Kläranlage von 26 l/s einem Anteil von rund 50%. Der Mischwasserabfluss zur Kläranlage QM beträgt 93 l/s, was einen Faktor fS,QM (nach ATV-DVWK A 198, 2003) von 6 ergibt.


RÜB HerschbergV = 230 m3

QDr = 7,0 l/s

RÜB01 KläranlageV = 354 m3

QDr = 93 l/s

TG 01 TS

TG 01 MS

RÜ HerschbergQDr = 173,0 l/s

KA

PW HerschbergQpump = 7,0 l/s

TG 02 MS

TG 02 TS

RÜ2 SchmitshausenQDr = 87,4 l/s

RÜ10 OberhausenQDr = 104,6 l/s

TG 10 MS

SKU 11V = 197,9 m3

QDr = 10,5 l/s

TG 12 MS

RÜ12 KnoppQDr = 74,4 l/s

TG 13 MS

RÜ13 LabachQDr = 42,0 l/s

RÜ3 WallhalbenQDr = 44,5 l/s

TG 03 TS

TG 03 MS

RÜB04 ErlenmühleV = 705,6 m3

QDr = 50,2 l/s

RÜ5 SaalstadtQDr = 76,7 l/s

TG 05 MS

TG 06 MS

RÜ6 HettenhausenQDr = 310,1 l/s

TG 06 TS

RÜ7 NeumühleQDr = 76,7 l/s

RÜ8 HarsbergQDr = 280,2 l/s

TG 08 MSTG 08 TS

RÜB16 ZeselsbergV = 337,5 m3

QDr = 20,0 l/s

PW15 WeselsbergQpump = 6,7 l/s

RÜB15 WeselsbergV = 50,5 m3

QDr = 6,7 l/s

TG 16-1 MS

TG 16-2 MS

TG 07 TS TG 07 MS

TG 09 MS TG 09 TS

RÜ9 ObernheimQDr = 163,0 l/s

RÜB18 OberarnheimV = 99,2 m3

QDr = 50,0 l/s

RÜ18 OberarnbachQDr = 95,0 l/s

TG 18 MS

Legende:

Regenüberlauf Regenüberlaufbecken (DB)/Stauraumkanal (SKU)

Regenüberlaufbecken (FB)/Stauraumkanal (SKO)

Pumpwerk

Einzugsgebiet (Mischsystem)

Einzugsgebiet (Trennsystem) DruckleitungFreispiegelleitung

Abbildung 3-1: Einzugsgebiet der Kläranlage Wallhalben


� Beschreibung der Kläranlage Wallhaben Die Gruppenkläranlage Wallhalben wurde 1996 zu einer Anlage mit Nährstoffelimination ausgebaut. Im Zuge des Ausbaus wurde eine zweite Belebungsstraße in Kombibauweise (innen liegende Nachklärung) erstellt und das Belebungsvolumen der Anlage um 2.150 m³ vergrößert. Abbildung 3-2 gibt einen Überblick über die Beckenkonfiguration der Anlage so-wie die im Rahmen des im Vorfeld der Simulation durchgeführten Messprogramms kontinu-ierlich erhobenen Parameter.

ZulaufRÜ

Feinrechen

Grobrechen

Regenüberlaufbecken

Verteiler-schacht

Belebungsbecken 2Nachklärbecken 2

Belebungsbecken 1Nachklärbecken 1

Mess- undKontrollschacht

Wallhalbe

Ablaufschacht

Sandfang SAK

Trüb

NOXNH4

O2

Redox temp

O2

Redox temp

NOXNH4TS

NOXNH4TS

NOX

PNpHtemp

NOX

Rücklauf-schlamm

Rücklauf-schlamm

PNpHtempQ

Q

Abbildung 3-2: Fließschema der Gruppenkläranlage Wallhalben

Die mechanische Reinigungsstufe verfügt über einen Feinrechen (Stababstand = 5 mm), und einen belüfteten Langsandfang, nach diesem wird das Abwasser auf die beiden Belebungs-straßen verteilt. Der Verteilerschacht, in dem die Aufteilung der Teilströme geschieht, ist hyd-raulisch nicht optimal ausgebildet und nicht mit Mess- oder Regeleinrichtungen versehen, so dass es nicht möglich ist, die Belastung der einzelnen Straßen vorzugeben bzw. nachzuvoll-ziehen. Da jedoch die Schlammkreisläufe der beiden Belebungsstraßen vollständig getrennt sind, konnte anhand des Überschussschlammanfalls die Verteilung der Belastung für BB1:BB2 zu ca. 1:1,7 abgeschätzt werden. Die Kennwerte der beiden Belebungsstraßen sind in Tabelle 3-2 zusammengefasst.


Tabelle 3-2: GKA Wallhalben: Kennwerte der Belebungsstraßen

Komibecken1 Kombibecken 2

BB 1 NK 1 BB 2 NK 2

Oberfläche [m²] 542 145 635 180

Tiefe h2/3 [m] 3,14 3,18 3,38 3,59

Volumen [m³] 1700 493 2150 612

Die Belebungsbecken sind mit Druckbelüftungssystemen ausgestattet; die Stickstoffelimina-tion erfolgt intermittierend, geregelt über den aktuellen Sauerstoffgehalt und das Redoxpo-tential. Der Sauerstoff- Sollwert während der belüfteten Phasen beträgt 1,5 mg/l. Zusätzlich sind seitens des Prozessleitsystems minimale und maximale Dauern der Nitrifikations- bzw. Denitrifikationsphasen vorgegeben, die in der folgenden Tabelle zusammengefasst sind:

Tabelle 3-3: GKA Wallhalben: Vorgaben der Belüftungssteuerung

Belüftungsstatus minimale Zeit maximale Zeit Redox-Potenzial

(Normalbetrieb)

Redox-Potenzial (Son-

derbetrieb)

AN (Nitrifikation) 50 min 80 min Knick 0 mV, wenn sich kein

Knick einstellt

AUS (Denitrifikation) 30 min 90 min 110 mV -

Die Anlage verfügt über eine aerobe Schlammstabilisierung mit einem Schlammalter von ca. 27 d im Berichtszeitraum. Die angestrebten TS-Werte für die Kläranlage liegen in den Som-mermonaten zwischen 3,3 – 3,5 g/l und in den Wintermonaten bei 4,3 - 4,5 g/l. Bei Einhal-tung dieser Grenzwerte ist ein Schlammalter von mindestens 25 Tagen für die simultane aerobe Schlammstabilisierung gesichert. Anhand der täglich durchgeführten Bestimmung des TS-Gehaltes wird die zu entnehmende Menge an Schlamm bzw. die daraus sich erge-bende Laufzeit der Überschussschlammpumpen berechnet. Ist die maximale Laufzeit er-reicht, schalten sich die Pumpen automatisch ab. Die maximale Pumpenzeit für Becken 1 beträgt 5 Stunden werktags von 8-13 Uhr und 7 Stunden werktags von 13-20 Uhr für Becken 2. Ist die angestrebte Trockensubstanzkonzentration einmal erreicht, wird in der laufenden Woche kein Schlamm mehr abgezogen. Der nächste Einschaltpunkt der Pumpen ist frühes-tens wieder am darauffolgenden Montag.

Die Rezirkulation des Rücklaufschlamms der beiden getrennten Schlammkreisläufe erfolgt durch zwei baulich getrennte Schneckenpumpwerke. Die Förderleistung der beiden Pump-werke betrug während der Messkampagne jeweils kontinuierlich 50 l/s.

Der abgezogene Überschussschlamm wird unter Zugabe von Polymeren in einer Siebtrom-

mel entwässert. Nach der Entwässerung besitzt der Schlamm einen TS-Gehalt von ca. 6 %.

Als Filtratmenge fällt im Jahresschnitt etwa 89 % des entnommenen Überschussschlamms

an. Das anfallende Filtrat wird einem Speicher neben dem Betriebsgebäude zugeführt. Der

Speicher besitzt ein maximales Volumen von 180 m³, wobei die Entleerung bereits vor Errei-

chen der maximalen Kapazität beginnt. Steigt der Inhalt über 120 m³ an, so erreicht der

Wasserstand einen Überlauf. Weiteres zufließendes Filtrat wird abgeschlagen und gelangt


im Freispiegelabfluss in den Ablauf des Sandfangs. Nach Beendigung der täglichen Über-

schussschlammentnahme wird der Speicher mit einer Pumpe (Förderleistung = 15 l/s) voll-

ständig entleert. Das gereinigte Abwasser wird zunächst in einen Vereinigungsschacht geleitet, von wo der Ablauf der Kläranlage zusammen mit dem Ablauf des netzabschließenden Beckens, das sich ebenfalls auf dem Gelände der KA befindet, dem Vorflutgewässer, der Wallhalbe, zugeleitet wird. Tabelle 3-4 fasst die genehmigten Überwachungswerte zusammen:

Tabelle 3-4: Überwachungswerte der GKA Wallhalben

Parameter Überwachungswert

CSB 50 mg/l

BSB 20 mg/l

Nges,anorg 12 mg/l

NH4 5 mg/l

Pges 2 mg/l

� Erste Einschätzungen Aus heutiger Sicht wird das Abwasser im Referenzgebiet Wallhalben sowohl als Mischwas-ser im Bereich des Kanalnetzes, als auch auf der Kläranlage nach dem Stand der Technik behandelt. Es ergibt sich also aus der bestehenden Situation heraus kein Handlungsbedarf für den Betreiber, eine Sanierung oder einen weiteren Ausbau weder der Kläranlage noch der Mischwasserbehandlung vorzunehmen. Weitergehende Anforderungen könnten evtl. aus Sicht der Vorflutgewässer formuliert werden, jedoch ist dies derzeitig nicht absehbar. Auch ist bei den bereits geltenden, niedrigen Ablaufwerten bzgl. der Stickstoffparameter (s. Tabelle 3-4) nicht zu erwarten, dass durch die zusätzliche Installation von MSR- Technik zur Steuerung bzw. Überwachung eines erhöhten Zuflusses signifikante Synergieeffekte für eine Verringerung der Abgaben (durch eine Reduzierung der genehmigten Überwachungswerte) zu erzielen ist.

Bei einer Variation des Drosselabflusses ist vermutlich aufgrund der zur Verfügung stehen-den Volumina der Belebungsbecken nicht mit einer Durchleitung von Frachtstößen aus dem Kanalnetz und somit einer Überschreitung der Grenzwerte zu rechnen. Insbesondere im Hinblick auf den sehr niedrigen CSB-Grenzwert (50 mg/l), wäre es möglich, dass eine höhe-re Zuflussmenge nur temporär verwirklicht werden kann, unter Berücksichtigung des aktuel-len Schlammvolumens bzw. der Absetzeigenschaften des Belebtschlamms.

Für die hydraulische Leistungsfähigkeit der Kläranlage steht zu erwarten, dass aufgrund der relativ flachen Nachklärbecken die Möglichkeit zur Erhöhung der Beschickung der Kläranla-ge limitiert ist.


3.1.3 Zweibrücken

� Beschreibung des Einzugsgebietes Das Einzugsgebiet der Kläranlage der Stadt Zweibrücken mit einer Fläche von ca. AE,K = 1.040 ha erstreckt sich über das eigentliche Stadtgebiet mit dem Stadtkerngebiet sowie den Stadtteilen:

- Ernstweiler

- Niederauerbach

- Bubenhausen

- Ixheim

sowie den Außengemeinden:

- Althornbach

- Mörsbach

- Großbundenbach

- Oberauerbach

- Käshofen

- Rimschweiler

- Kleinbundenbach

- Wattweiler

Im Bestand wird von einer Einwohnerzahl von etwa 43.000 Einwohnern ausgegangen. Die Entwässerung erfolgt vorwiegend im Mischsystem. Vereinzelt sind jedoch auch Gebiete im Trennsystem erschlossen (ca. 13 %). In dem Projektgebiet befinden sich zurzeit 16 Regen-überlaufbecken bzw. Stauraumkanäle und 18 Regenüberläufe. Mehrere Außengemeinden sind nur über einen Regenüberlauf an das Hauptsammlersystem angeschlossen (s. Abbildung 3-3).

Auch in Zweibrücken hat das Gesamteinzugsgebiet der Kläranlage eine sehr weite Ausdeh-nung. Die Zuflusscharakteristik zur Kläranlage wird allerdings maßgeblich durch das Stadt-gebiet Zweibrücken bestimmt. In Zweibrücken sind mehrere größere Industrie- und Gewer-bebetriebe angesiedelt, die die Abwasserzusammensetzung jedoch nicht maßgeblich beein-flussen. Es handelt sich größtenteils um Metall verarbeitende Werke oder Textilunterneh-men.

Die im Einzugsgebiet der Kläranlage Zweibrücken vorhandenen Speicherbauwerke weisen ein Gesamtvolumen von rund 6.800 m³ auf. Das spezifische Speichervolumen beträgt 16,8 m³/haAE,b. Im Einzugsgebiet der Kläranlage Zweibrücken gibt es mehrere Gewässer, in die entlastet wird. Es handelt sich hierbei um den Hornbach und den Schwarzbach mit ihren Nebengewässern.

Der Trockenwetterabfluss beträgt ca. 160 l/s (Stand 2000-2002), wobei das Fremdwasser fast 100 l/s ausmacht. Bei einem maximalen Kläranlagenzufluss von 490 l/s ergibt sich so ein Faktor fS,QM von 6. Vor allem ein Bachzufluss und Abflüsse aus einer Kneipp-Tretanlage, die zum Zeitpunkt der Messkampagne und Modellerstellung noch zur Kanalisation geleitet wur-den, trugen im Untersuchungszeitraum zu dem hohen Fremdwasseranfall bei. Mittlerweile wurden hier jedoch Maßnahmen ergriffen.

Kap. 3 G

rundlagen und Methoden des P

rojektes EP

IKU

R

16

RÜB25 WattweilerV = 200 m3

QDr = 25 l/s

TG 025 TSTG 025 MS

RÜ23 WiesenstraßeQDr = 66,0 l/s

KA

TG 00-3 TS

TG 22 MS

TG 23 MS

TG 20 MS

RÜ22 GleiwitzstraßeQDr = 71 l/s

RÜB20 am KlosterV = 321 m3

QDr = 32 l/s

RÜ19 In den Amtswiesen QDr = 174 l/s

TG 19 MS

TG 18 MSRÜ18 Franck-LanzstraßeQDr = 223 l/s

TG 17 MSRÜ17 SturzenhofstraßeQDr = 159 l/s

TG 16 MS

RÜ16 WebenheimstraßeQDr = 239 l/s

TG 24 MS

TG 24 MS TG 24-1 MS TG 21 MS

TG 21 MS

TG 21-5a MS

TG 21-2 MSTG 21-3 MS

RÜB24B AlthornbachV = 110 m3

QDr = 8 l/s

RÜB24 Rimschweiler/AltornbachV = 72 m3

QDr = 25 l/s

RÜ24A Rimschweiler/AltornbachQDr = 193 l/s

TG 24 TS

RÜ21a Ixheim1QDr = 397 l/s

RÜ21b Ixheim 2 QDr = 213 l/s SKO21

SchlachthofstraßeV = 152 m3

QDr = 104 l/s

RÜ21 SchlachthofstraßeQDr = 321 l/s

SKO36 KäshofenV = 75 m3

QDr = 10 l/s

RÜB34 GroßbundenbachV = 125 m3

QDr = 12 l/s

RÜB35 KleinbundenbachV = 108 m3

QDr = 8 l/s

RÜB33 MörsbachV = 459 m3

QDr = 31 l/sTG 35 TSTG 35 MS

TG 34 MS

TG 36 MS

TG 33 MS

TG 31 MS TG 31 TSTG 30 MS

TG 30 TS

RÜ31 OberauerbachQDr = 78 l/s

RÜB30 OberauerbachV = 152 m3

QDr = 60 l/s

RÜ14-2 ScheiderbergQDr = 435 l/s

RÜ14-3 PirmasensQDr = 1063 l/s

TG 14-3 MS

TG 14-1 MS

RÜ14-1 Scheiderberg - JFKQDr = 429 l/s

TG 14-1 MS TG 14-2 TS

RÜ13 AckerwegV = 345 m3

QDr = 40 l/s

TG 13 MS

RÜB08 HolzgartenV = 578 m3

QDr = 35 l/s

TG 08 MS

TG 00-2 MS

TG 07 MS

RÜ07 Gechwister- Scholl - AleeQDr = 329 l/s

TG 00-2 TS

TG 06 MS

RÜ06 Dr.-EhrenbergerstraßeQDr = 77 l/s

RÜ05 SaarlandstraßeQDr = 287 l/s

TG 05 MS

TG 05 TS

TG 04 MS

RÜB04 GoetheplatzV = 460 m3

QDr = 40 l/s

TG 00-4 TS

TG 03 MS

RÜ03 BismarckstraßeQDr = 108 l/s

TG 00 MS TG 00-3 TS

TG 11 MS

TG 11 TS

TG 12 MS

RÜ12 Landauer straßeQDr = 536 l/s

TG 10 MS

TG 09 MS

TB11 BleicherstraßeQDr = 80 l/s

RÜB11 BleicherstraßeV = 758 m3

QDr = 80 l/s

RÜ09 PoststraßeQDr = 136 l/s

RÜ10 LuitpoldstraßeQDr = 1919 l/s

TG 01 MS

TG 02 MS

RÜ02 BautzenbachQDr = 520 l/s

RÜ01 Unterhalb John DeerQDr = 327 l/s

Fiktiver SKU KläranlageQDr = 440 l/sV = 1150 m3

RÜB-DB KläranlageQDr = 490 l/sV = 1400 m3

RÜB-FB KläranlageQDr = 490 l/sV = 993 m3

TG 21 TS

TG 02 TS

Abbildung 3-3:

Einzugsgebiet der K

läranlage Zw

eibrücken

Legende:



PumpwerkEinzugsgebiet (Mischsystem)

Einzugsgebiet (Trennsystem)

Druckleitung

Freispiegelleitung


Beschreibung der Kläranlage Zweibrücken Die Zentralkläranlage Zweibrücken wurde für eine Anschlussgröße von 70.000 EW ausge-baut und entspricht den Anforderungen einer gezielten Nährstoffelimination. Der derzeitige Ausbauzustand der Kläranlage wurde in den Jahren 1997 bis 1999 hergestellt, wobei die zuvor bestehende Anlage, ausgelegt zur Kohlenstoffelimination, in das neue Verfahrenskon-zept eingebunden wurde. Die Folge dieses schrittweisen Ausbaus ist eine etwas ungewöhn-liche Anlagenkonfiguration, in der sich nach derzeitigem Stand die unterschiedlichsten Ver-fahrensvarianten zur Stickstoffelimination (vorgeschaltete, intermittierende, und nachge-schaltete Denitrifikation) zur Anwendung bringen lassen. Abbildung 3-4 gibt einen Überblick über die Beckenkonfiguration der Anlage sowie die im Rahmen des Messprogramms konti-nuierlich erhobenen Parameter.

Abbildung 3-4: Fließschema der Zentralkläranlage Zweibrücken

Die mechanische Vorreinigung der Zentralkläranlage Zweibrücken besteht aus einem zweistraßigen Filterstufenrechen mit einer Stabweite von 5 mm und einem belüfteten 2-Kammern-Langsandfang ohne Fettfang. Die Vorklärung weist mit 2 Straßen à 1.000 m³ ein vergleichsweise großes Volumen auf, sodass auch bei maximalen Zulauf zur Anlage (Qm=490 l/s) die Aufenthaltszeit in der Vorklärung noch etwas mehr als eine Stunde beträgt. Vom Ablauf der Vorklärung wird das Abwasser den Belebungsbecken zugleitet, die in der Reihenfolge nach Tabelle 3-5 durchflossen werden:

Pumpwerk Rechen

SandfangZulauf

Rückbelastung

Belebungsbecken 2

Nachgeschaltete Denitrifikation

Rücklauf-schlammNO3

Hornbach

Nachklär-becken 2

Nachklärbecken 1

Mess- und Kontrollschacht

Vorklärbecken 1

Vorklärbecken 2

Bio-P-Becken

Fällmittel

Substrat

O2

Temp

PNQ(TOC)LfpHtemp

NH4

PO4

Belebungs-

becken 1

Spi

tzen

-

aus-

glei

ch-

beck

en

O2

temp

Q

NO3

O2

TStemp

NO3

NO3NH4

SSP

SSP

RLS

RLS

CSBStichprNH3Stichpr

CSB,

Trüb

NOX

PN

NH4

Q

PN


Tabelle 3-5: Volumina der Belebungsbecken ZKA Zweibrücken

Bauwerk Volumen [m³]

Bio-P-Becken 928 Belebungsbecken 1 Zone 1 1660 Belebungsbecken 1 Zone 2 1660 Belebungsbecken 2 4560 nachgeschaltete Denitrifikationsbecken 1395

Bevor das Abwasser jedoch vom Ablauf der Vorklärung in das Bio-P Becken (anaerobes Kontaktbecken zur gezielten vermehrten biologischen P- Elimination) geleitet wird, werden zwei weitere Besonderheiten der Anlage passiert:

• Verteilerzunge im Zulauf des Bio-P Beckens: Der Volumenstrom aus der Vorklärung (bis zu 890 m³/h) sowie der Rücklaufschlamm (bis zu einer Schlammmenge von 250 l/s) werden in das Bio-P- Becken geleitet. Bei größeren Zulaufmengen infolge Misch-wasserzuflusses wird mittels der Verteilerzunge im Zulauf des Bio-P-Beckens ein Teil des Volumenstroms direkt in das erste Belebungsbecken eingeleitet.

• Abschlag in die Spitzenausgleichsbecken: Die Anlage verfügt über vier Spitzenaus-gleichbecken mit einem Gesamtvolumen von 4.360 m³. Bei einer Überschreitung der zulässigen Ammoniumfracht von 19 kg NH4-N/h im Ablauf der Vorklärung wird das über die Formel V = (NH4-Frachtaktuell - NH4-Frachtgrenz) / (NH4Konzentration) berechnete Abschlagsvolumen in die Spitzenausgleichsbecken umgeleitet. Erst nach Unter-schreiten eines festgelegten unteren Grenzwertes (19 kgNH4-N/h) werden die Becken nacheinander in den Zulauf des Bio-P- Beckens entleert. Dieser Vorgang wird in Ab-hängigkeit der NH4-N Konzentration in den Spitzenausgleichsbecken sowie der Diffe-renz zwischen NH4-N Fracht im Ablauf der Vorklärung und der Grenzfracht geregelt VEntleerung = (NH4-Fracht - NH4Konzentration Spag) / (NH4Konzentration). Um zu häufige Schalt-spiele der Befüllungs- bzw. Entleerungspumpen zu vermeiden werden zusätzlich Mindestdurchflussmengen vorgegeben, bei deren Unterschreiten keine Förderung mehr erfolgt.

Bei Trockenwetter wird somit das gesamte der Anlage zufließende Abwasser dem Bio-P- Becken zugeleitet, sofern die Ammoniumfracht 19 kg/h nicht übersteigt. Das Bio-P- Becken ist aufgrund der stoßweisen Entleerung der Prozesswasservorbehandlung (eine Art SBR-Biologie, die >50% des im Prozesswasser enthaltenen Stickstoffs oxidiert) und der teilweise nennenswerten Nitratkonzentrationen im Rücklaufschlamm (s. Anhang 9.4), zeitweise eher ein Denitrifikationsbecken als ein anaerobes Kontaktbecken.

Nach dem „Bio-P- Becken“ werden die Belebungsbecken durchflossen. Das erste Bele-bungsbecken ist in zwei gleich große Kammern geteilt, von denen die erste in Fließrichtung unbelüftet (Belüftungseinrichtungen sind jedoch vorhanden) und die zweite (zusammen mit BB2) intermittierend belüftet wird. Der angestrebte Sauerstoffsollwert beträgt 1,5 mg/l für BB1,2 und 1,0 mg/l für BB2. Der Sauerstoffeintrag erfolgt in beiden Becken über ein Druck-belüftungssystem mit Plattenbelüftern. Die Regelung des Sauerstoffeintrages erfolgt über die Ammoniummessung im Ablauf des BB2.

Im Rahmen des Messprogramms zeigte sich, dass sowohl in der folgenden nachgeschalte-ten Denitrifikation als auch in den Nachklärbecken noch deutliche Denitrifikationserscheinun-


gen festzustellen sind (s. Anlage 9.4), obwohl nur noch wenig leicht abbaubarer CSB in die-sen Becken vorhanden ist.

Die ZKA Zweibrücken verfügt über 2 sehr unterschiedliche Nachklärbecken, von denen das kleinere Becken 2 auf die alte Kläranlage zur Kohlenstoffelimination zurückgeht. Das Abwas-ser wird im Verhältnis 80:20 auf die Becken 1 und 2 verteilt, deren Merkmale in der folgen-den Tabelle zusammengestellt sind:

Tabelle 3-6: ZKA Zweibrücken: Kennwerte der Nachklärbecken

Becken 1 Becken 2

Oberfläche [m²] 1.064 405

Tiefe h2/3 [m] 4,28 2,92

Das gereinigte Abwasser wird in das Vorflutgewässer Hornbach eingeleitet. Für das eben-falls auf dem Gelände der KA positionierte netzabschließende Becken gibt es eine getrennte Einleitstelle in den Schwarzbach., in den kurz nach den Einleitstellen der Hornbach mündet. Tabelle 3-4 fasst die genehmigten Überwachungswerte des Berichtszeitraumes zusammen, wobei die Werte für CSB und Pges Gegenstand einer Erklärung und nicht der dauerhaften Genehmigung für die Anlage waren:

Tabelle 3-7: Überwachungswerte der ZKA Zweibrücken

Parameter Überwachungswert

CSB 64 mg/l

BSB 20 mg/l

Nges,anorg 18 mg/l

NH4 10 mg/l

Pges 1,6 mg/l

� Erste Einschätzungen Eine vorhandene Schmutzfrachtberechung (Schirmer, 1999) kommt zu dem Schluss, dass im derzeitigen Zustand noch Sanierungsbedarf innerhalb des Entwässerungssystems be-steht. Aus Sicht des Kanalnetzes ist ein integrierter Betrieb von Kanalnetz und Kläranlage also durchaus Erfolg versprechend, um evtl. Investitionen bei der Mischwasserbehandlung einzusparen. Neben einigen erforderlichen Umbaumaßnahmen an Regenüberläufen wurde im Rahmen der Vorschläge zur Sanierung des Kanalnetzes auch der Neubau von ca. 3.400 m³ Mischwasserbehandlungsvolumen aufgeführt.

Da die Kläranlage stofflich nicht voll ausgelastet ist, ergeben sich hierdurch über die bemes-sungsimmanenten Reserven hinausgehende Reserven der Kläranlage, um eine erhöhte hyd-raulische Belastung sowohl stofflich als auch im Bereich der Schlamm- Wassertrennung zu verkraften. Begrenzt wird die Möglichkeit einer hydraulischen Mehrbelastung jedoch durch den vergleichsweise geringen Unterschied des Wasserspiegels zwischen Vorklärung und Nachklärung /KSM 2000/. Dieser Umstand ist mitunter durch den sukzessiven Ausbau der Anlage zu erklären: Bei der Ertüchtigung der Anlage zur Nährstoffelimination in den Jahren `97 bis `99 wurde die Fließstrecke des Abwassers durch das Hinzufügen von Becken und


Verbindungsleitungen gegenüber der vorherigen Anlage deutlich verlängert. Da jedoch das bestehende Schneckenpumpwerk und eine bestehende Nachklärung weitergenutzt wurden, blieb die Gesamthöhe möglicher hydraulischer Verluste zwischen dem Sturzpunkt der Schnecken und dem Wasserspiegel der Nachklärung unverändert. Die daraus resultierenden hydraulischen Verhältnisse lassen nur eine begrenzte Mehrbelastung zu.

Dies ist möglicherweise eine typische Erscheinung, von der zu erwarten steht, dass sie sich auch auf anderen Kläranlagen, die bei Weiternutzung verschiedener bestehender Bauwerke aus- bzw. umgebaut wurden, beobachten lässt.

3.1.4 Edenkoben

Die Verbandsgemeinde Edenkoben liegt im Weinbaugebiet an der Südlichen Weinstraße. Im Westen schließt sich die Haardt an. Die Stadt und die umliegenden Gemeinden sind geprägt durch den Weinbau.

Das Einzugsgebiet der Kläranlage Edenkoben erstreckt sich neben der Stadt Edenkoben über die Gemeinden:

- Rhodt unt. Rietburg

- Burrweiler

- Weyer i.d. Pfalz

- Roschbach

- Edesheim

- Flemlingen

- Hainfeld

Insgesamt sind in diesen Orten rund 75 Winzerbetriebe angesiedelt.

Die Entwässerung von Edenkoben und den umliegenden Orten erfolgt hauptsächlich im Mischsystem, kleinere Neubaugebiete sind im Trennverfahren entwässert. Die angeschlos-senen Gemeinden sind jeweils über ein abschließendes Regenüberlaufbecken an ein Sammlersystem angeschlossen, das die Ortschaften, teilweise über Pumpendruckleitungen, mit der Kläranlage Edenkoben verbindet. Das gesamte Einzugsgebiet hat eine befestigte Fläche von ca. 175 ha AE,b. Die im Einzugsgebiet befindlichen Becken haben ein Gesamtvo-lumen von 3.480 m³, was einem spezifischen Volumen von 21,2 m³/haAE,b entspricht (vgl. Abbildung 3-5). Es entstehen durch die weite Ausdehnung des Einzugsgebietes lange Fließ-zeiten in den Transportsammlern. Im Einzugsgebiet befinden sich zahlreiche Gewässer und Gräben, in die entlastet wird; hauptsächlich handelt es sich hierbei um den Triefenbach in Edenkoben und den Modenbach mit seinen Quellgewässern in den Ortslagen der Außen-gemeinden.

Derzeit entsteht so ein maximaler Kläranlagenzufluss von 416 l/s, was bei einem QS,aM von 23 l/s und QF,aM = 29 l/s einen Faktor fS,QM von 16,8 ergibt. Dieser Wert ist extrem hoch und stellt einen absolut untypischen Wert weit außerhalb der Empfehlungen nach ATV-DVWK A 198 (2003) dar. Die Abflusszusammensetzung in Edenkoben ist maßgeblich durch die Wein-baukampagne geprägt. Außerhalb der Kampagne (ca. Januar bis August) weist sie eine typi-sche Zusammensetzung für den ländlichen Bereich auf. Während der Kampagne verdoppeln sich die Konzentrationen bei CSB, TOC und BSB5 (s. auch Kapitel 4.2.1), während die Grö-ße des Trockenwetterabflusses nahezu gleich bleibt.


RÜB BurrweilerV = 230 m3

QDr = 25,0 l/s

TG 015 TS

TG 015 MS

RÜB FlemlingenV = 250 m3

QDr = 9,5 l/s

TG 025 MS

TG 025 TS

TG 069-1 TS

RÜB RoschbachV = 400 m3

QDr = 23,5 l/s

TG 069 MS

TG 069 TS

RÜ2 Rhodterstr.QDr = 80,0 l/s

TG 021-2 MS

TG 021-2 TS

TG 021-1 MS

TG 021-1 TS

RÜ1 Luitpoldstr.QDr = 155,0 l/s

TG 021-4 MS

TG 021-3 MS

RÜB EdesheimV = 500 m3

QDr = 71,0 l/s

TG 084-2 MS

TG 084-1 MS

RÜ WeyherQDr = 50,0 l/s

RÜB WeyherV = 320 m3

QDr = 22,5 l/s

TG 036 MS

TG 036 TSRÜB HainfeldV = 300 m3

QDr = 29,5 l/s

RÜB RhodtV = 580 m3

QDr = 68,5 l/sTG 066 MS

TG 066 TS

TG 020-8 MSRÜB EdenkobenV = 900 m3

QDr = 131 l/s

TG 020 TS

KA

RÜ -Not 4 Bismarkstr.QDr = 999 l/s

RÜ3 Kurbrunnenstr.QDr = 386 l/s

RÜ1 Klosterstr.QDr = 130 l/s

TG 020-2 MS

TG 020-1 MS

TG 020-7 MS

RÜ2 KalmitstraßeQDr = 219 l/s

TG 020-3 MS

TG 020-8 MS

TG 020-6 MS

TG 020-5 MS

RÜ6 WeinstraßeQDr = 447 l/s

RÜ5 PoststraßeQDr = 288 l/s TG 020-4 MS

PW

Legende:



Einzugsgebiet (Mischsystem)

Einzugsgebiet (Trennsystem) DruckleitungFreispiegelleitung

Abbildung 3-5: Einzugsgebiet der Kläranlage Edenkoben


� Beschreibung der Kläranlage Edenkoben

Der Betrieb der GKA Edenkoben ist durch die jährliche Weinbaukampagne geprägt. Bei der Dimensionierung der Anlage wurden die damals bestehenden 2.384 ha Rebbaufläche mittle-ren Schmutzfracht von 10 EWBSB,60/ha bzw. einer maximalen Fracht von 40 EWBSB,60’/ha an-gesetzt, so dass sich insgesamt für verschiedene Belastungsszenarien folgendes Bild ergibt:

� mittlere Belastung der Anlage außerhalb der Weinbaukampagne: 26.000 EWBSB,60’

� mittlere Belastung der Anlage während der Weinbaukampagne: 50.000 EWBSB,60’

Tatsächlich ist die Anlage wohl etwas höher belastet (s. Tabelle 4-27), wobei das vorhande-ne Belebungsvolumen außerhalb der Weinbaukampagne eine gezielte Nährstoffelimination ermöglicht. Während der Kampagne ist eine gezielte Nährstoffelimination nicht erforderlich, da die vorhandenen Nährstoffe für Assimilation der Biomasse aufgebraucht, d.h. in die Zell-substanz eingelagert werden.

Die mechanisch-biologische Stufe der Anlage (s. Abbildung 3-6) ist ähnlich der GKA Wall-halben aufgebaut. Die mechanische Vorreinigung besteht aus 2 Spiralsieben (Lochweite 5 mm) und einem belüfteten Langsandfang, in dessen Ablauf sowohl Zulaufprobenehmer als auch die Zulaufmengenmessung installiert sind.

Pumpwerk Rechen

SandfangZulauf

Rückbelastung

Triefenbach

Fällmittel Fe2

Nährstoffe P N

O2

temp

NH4

PO4

NOx

Trüb

RLS

O2

temp

pH

SAK

PN

Q

pH

Q

PN

pH

NOx

Trüb

PN

NH4

PAC

N – Nach-dosierung als Harnstoff

Verbindungskanal BB1 – BB2

Zu den NKB

Abbildung 3-6: Fließschema der GKA Edenkoben

Nach dem Sandfang wird das zufließende Abwasser mit dem Rücklaufschlamm vermischt und auf zei, im Wesentlichen baugleiche Belebungsstraßen in Kombibauweise verteilt. Die Belebungsstraßen bestehen jeweils aus außenliegender Belebung (V= 3.695 m³) und innen-liegender Nachklärung (A= 855 m²; Tiefe= 3 m). Anders als bei der GKA Wallhalben verfü-


gen die beiden Straßen nicht über getrennte Schlammkreisläufe, so dass eine vom Betriebs-personal vermutete, leicht ungleichmäßige Belastung der Belebungsbecken nicht nachvoll-zogen werden konnte. Für die weiteren Betrachtungen wurde die Verteilung des Zulaufs auf die beiden Belebungsstraßen zu 1:1 angenommen. Die Regelung der Belüftung der intermit-tierend belüfteten Belebungsbecken erfolgt für beide Belebungen gemeinsam über die inline gemessene Ammonium- Ablaufkonzentration im gemeinsamen Ablaufschacht bzw. dem Zu-laufschacht zu den Nachklärbecken. Der Sauerstoffeintrag erfolgt mittels Druckbelüftung (EPDM Membran-Tellerbelüfter), zusätzlich werden zur Abdeckung von Spitzenlasten wäh-rend der Weinbaukampagne je Belebung 3 Wendelbelüfter vorgehalten.

Das gereinigte Abwasser wird in den Triefenbach eingeleitet, der bei trockeneren Witte-rungsbedingungen zumeist seine „Quelle“ an der Einleitstelle hat. Die Ablaufwerte der Anla-ge sind in Tabelle 3-8 zusammengestellt.

Tabelle 3-8: Überwachungswerte der GKA Edenkoben

Parameter GKA Edenkoben

CSB 56 mg/l

BSB 20 mg/l

Nges,anorg 11,6 mg/l

NH4 5 mg/l

Pges 1,6 mg/l

� Erste Einschätzungen Der sehr hohe und untypische derzeitige Bemessungszufluss zur Kläranlage (fs,QM = 16,8), der anteilig auch an den Regenrückhaltebecken als Drosselabfluss vorgegeben ist, bedingt eine sehr geringe Entlastungstätigkeit der vorhandenen Bauwerke, die den Beobachtungen des Betriebspersonals entspricht. Eine weitere Erhöhung von Drosselabflüssen scheint hier nicht sinnvoll.

Eine hydraulische Mehrbelastung der Kläranlage scheint insbesondere während der Wein-baukampagne nicht möglich. Zu begründen ist dies mit der Entwicklung des Schlammvolu-mens in der Anlage während der Kampagne. Zum Einen führt die einseitige Zusammenset-zung des zufließenden Abwassers zu Bedingungen, die die Entwicklung fädiger Organismen fördern (hier im speziellen Typ 021N), zum Anderen muss die gesamte Kläranlage, aufgrund der begrenzten Kapazität zur Schlammbehandlung, während der Kampagne als „Schlamm-stapel“ genutzt werden. So ergibt sich über den Dauer der Kampagne hinweg ein steigendes Schlammvolumen, das auf dem Höhepunkt durchaus zu Problemen in der Nachklärung füh-ren kann. Anhang 9.5 zeigt beispielhaft den Verlauf des kontinuierlich gemessenen Schlammvolumens während des Kampagnebeginns 2003. In diesem Zeitraum werden die möglichen Probleme leider nicht so deutlich wie in anderen Jahren, da 2003 ein sehr trocke-nes Jahr war und dadurch die geerntete Traubenmenge und die daraus resultierende Belas-tung für die Kläranlage vergleichsweise gering waren. Treten die kampagnetypischen Prob-leme sehr ausgeprägt auf, so kann eine Reduktion des Drosselabflusses zu einer Kostener-sparnis durch die Reduktion des Verbrauchs ab Betriebshilfsstoffen führen und evtl. sogar zu einer Reduktion der Gesamtemissionen führen.


3.2 Methoden

3.2.1 Grundlagen der Schmutzfrachtberechnung

Die Schmutzfrachtberechnung beschreibt für ein vorgegebenes Niederschlagsereignis bzw. eine Folge von Niederschlagsereignissen den resultierenden Abfluss und seine Verschmut-zung (Schmutzfracht) an markanten Punkten einer Kanalisation, insbesondere an den Re-genentlastungsbauwerken. Hier wird die Aufteilung in die Teilströme

- weiterführender Abfluss

- Speicherung

- Entlastung

entsprechend den baulichen und hydraulischen Bauwerksmerkmalen rechnerisch vollzogen.

Die Bilanzierung dieser Teilströme erlaubt den Nachweis der Wirksamkeit der Einzelbauwer-ke und des Gesamtsystems für die zugrunde gelegte Systembelastung.

Die Schmutzfrachtberechnung mit Langzeitsimulation und Betrachtung der zeitlichen Abfolge der Niederschläge liefert ferner Hinweise zur Häufigkeit von Entlastungen bestimmter Größe sowie zur Variabilität der einzelnen Entlastungsereignisse. Durch die differenzierte Betrach-tung der Gegebenheiten an den Einzelbauwerken und im Einzugsgebiet (Relation Trocken-wetterabfluss-Niederschlagsabfluss, Verschmutzung der Abflusskomponenten) kann die je-weilige bauwerksspezifische Entlastungssituation ausgewiesen und beurteilt werden.

Die Schmutzfrachtberechnung orientiert sich an der funktionalen Untergliederung eines städ-tischen Entwässerungsnetzes mit den Teilsystemen

- Oberfläche

- Kanalelemente

- Entlastungsbauwerke (Mischverfahren)

- Kläranlage

- Gewässer

Sie differenziert ferner nach Teilprozessen, die während der Trockenperiode oder während des Niederschlagsereignisses ablaufen und sich (gedanklich) den Phänomenen „Abflussvor-gang" bzw. „Abflussverschmutzung" zuordnen lassen (ATV-AG 1.9.3 (2. AB), 1986).

3.2.1.1 Schmutzfrachtmodell KOSMO

Zur Anwendung kommt das detaillierte Schmutzfrachtmodell KOSMO (KOntinuierliche SchmutzfrachtMOdellierung), welches zu den hydrologisch-hydrodynamisch-determinis-tischen Modellen zählt (Schmitt, 2004).

Das Schmutzfrachtmodell KOSMO berechnet die Abflussbildung nach der Grenzwertmetho-de und die Abflusskonzentration mit dem Ansatz der Linearspeicherkaskade. Die Ver-schmutzung des Niederschlagsabflusses wird durch die Schmutzstoffansammlung („Akku-mulation") während der niederschlagsfreien Zeiten sowie den Stoffabtrag und Stofftransport bei Niederschlag („Abtrag“) phänomenologisch nachgebildet. In der Kanalisation erfolgt die Vermischung mit dem Trockenwetterabfluss, der wahlweise mit zeitlich konstanten Kennwer-ten oder vorgegebenen Tagesgängen (Abfluss und Fracht) - ggf. differenziert nach Werkta-gen, Samstag und Sonntag - angesetzt wird. Die Abflussmodellierung im Kanalnetz kann


entweder hydrodynamisch oder hydrologisch erfolgen. Bei der hydrodynamischen Berech-nung werden die vollständigen Saint-Venant’schen Differenzialgleichungen durch das explizi-te Differenzenverfahren gelöst. Alternativ dazu kann auch der hydrologische Ansatz nach Kalinin-Miljukov Anwendung finden. Dieser ist vor allem in Einzugsgebieten anwendbar, in denen Fließumkehr und Rückstau keinen oder nur einen geringen Einfluss haben; dies trifft oft auf ländliche Gebiete zu.

Die Berechnungsweise stützt sich auf die Erstellung eines Grobnetzes, in dem die Hauptka-näle und Sammler mit Zuordnung der Abflussflächen sowie alle relevanten Sonderbauwerke in ihren tatsächlichen Abmessungen und Verknüpfungen enthalten sind.

In der Schmutzfrachtberechnung werden sämtliche Niederschlagsereignisse der angewen-deten Jahresniederschlagsreihe in ihrer tatsächlichen zeitlichen Aufeinanderfolge betrachtet, um insbesondere die nachstehenden, entlastungsrelevanten Prozesse zu erfassen:

- Entleerung der Netzspeicherräume nach Ende eines Abflussereignisses bzw. verblei-bende Restfüllung der Speicher für nachfolgende Niederschlagsereignisse

- Veränderung der Abflussbereitschaft der Abflussflächen während niederschlagsfreier Zeiten (jahreszeitabhängige Rückbildung des Verlustpotenzials infolge Verdunstung)

- Schmutzstoffakkumulation auf der Oberfläche und als Kanalablagerungen während der Trockenperiode

- Abflussbildung und Abflusskonzentration (Oberflächenabfluss)

- Stoffabtrag und Stofftransport infolge Niederschlagsabfluss

- Nachbildung der Absetzwirkung in Durchlaufbecken (optional)

Struktur und Berechnungsansätze des Schmutzfrachtmodells KOSMO sind in einer Modell-beschreibung im Detail erläutert (Schmitt, 1991).

� Fiktivparameter MV zur Ausweisung des Mischverhältni sses Der Trockenwetteranteil im entlasteten Mischwasser soll als „tatsächliches Mischverhältnis m“ ausgewiesen werden. Das Mischverhältnis wird deshalb nach ATV-DVWK-M 177 (2001) berechnet. Hierzu wird der fiktive Schmutzstoffparameter MV (Mischverhältnis) eingeführt. Für diesen Parameter liefert lediglich der Trockenwetterabfluss einen Beitrag zur Abflussver-schmutzung, im Niederschlagsabfluss wird die Verschmutzung zu Null gesetzt.

Das mittlere Mischverhältnis m kann dann wie folgt aus der Entlastungskonzentration ce,MV berechnet werden:

m = (ct,MV - ce,MV) / ce,MV

Das Mischverhältnis m kann so für das Gesamtsystem und die Einzelbauwerke, jeweils als langjähriges Mittel, als Mittelwert eines Niederschlagsjahres und ereignisspezifisch ausge-wiesen werden.


3.2.2 Grundlagen der dynamischen Kläranlagensimulat ion

In diesem Abschnitt werden nach einer kurzen Einführung zunächst die Grundlagen des verwendeten ASM 3 umrissen (3.2.2.1), sowie die verwendete Software vorgestellt (3.2.2.2). Das Vorgehen bei der Modellerstellung wird im Abschnitt Simulationsstudie – Teil Kläranlage – Modellerstellung (4.3.2) näher erläutert.

Die ATV-Arbeitsgruppe 2.11.4 „Simulation von Kläranlagen“ definiert den Begriff der Simula-tion als „das Arbeiten mit einem mathematischen Modell, das durch das Erkennen des zeit-abhängigen Verhaltens Rückschlüsse auf die Realität möglich macht“ /ATV 1997a/. Diese Formulierung beinhaltet die für den Umgang mit Simulationsergebnissen wesentliche Er-kenntnis, dass die angewendeten mathematischen Modelle niemals den Anspruch haben können, die Realität vollständig nachbilden zu können. So kann man von Simulationsergeb-nissen eine präzise, hundertprozentig zutreffende Voraussage zukünftiger Verhältnisse nicht erwarten. Es ist lediglich möglich Rückschlüsse auf die Realität zu ziehen, die je nach Fra-gestellung und Anpassung des verwendeten Modells von unterschiedlicher Güte sind. Dabei ist es wichtig, bereits bei der Wahl des Modells den Untersuchungsgegenstand zu berück-sichtigen.

Im vorliegenden Fall wurde für die Studie das Belebtschlammmodell Nr. 3 der IWA (engl. Activated Sludge Model No. 3, kurz: ASM 3 /Henze et al. 2000/) herangezogen. Mit Hilfe des ASM 3 können die Umsetzung von CSB und der Stickstofffraktionen in der Abwasserreini-gung beschrieben werden. Da die wesentlichen Fragestellungen im Rahmen dieser Studie sich mit Nitrifikation bzw. Denitrifikation und dem (damit verbundenen) CSB-Abbau beschäf-tigen, wurde kein komplexeres Modell, wie z.B. das ASM 2, das darüber hinaus die Phos-phorelimination berücksichtigt, angewendet. Die Verwendung eines solchen Modells hätte aufgrund der höheren Komplexität (s. Tabelle 3-9) zu einem erheblichen Mehraufwand im Rahmen des Messprogramms und der Erstellung des Modells geführt, was in keinem Ver-hältnis zu dem potenziellen zusätzlichen Erkenntnisgewinn stünde. Die maßgebenden Pro-zesse sind im Rahmen des Projekts EPIKUR im Bereich der Stickstoffelimination zu erwar-ten, da die Stickstoffelimination nur auf biologischem Weg erfolgen kann. Sollten im Fall ei-ner erhöhten hydraulischen Belastung erhöhte Phosphorkonzentrationen im Ablauf einer Anlage auftreten, so könnten diese „notfalls“ mit einer vermehrten Fällmitteldosierung „beho-ben“ werden.

Tabelle 3-9: Übersicht über Parameteranzahl verschiedener Belebtschlammmodelle

Modell Stoffe Stoffgruppen Prozesse ASM 1 C, N 13 8

ASM 2 C, N, P 19 19

ASM 2d C, N, P 19 21

ASM 3 C, N 13 12

ASM 3 bio P C, N, P 17 23

Das im Rahmen der Studie verwendete ASM 3 wird im folgenden Abschnitt kurz vorgestellt.


3.2.2.1 Activated Sludge Model No. 3

Das ASM 3 wurde entwickelt um die Umsetzung von Stickstoffverbindungen und Sauerstoff zehrenden Substanzen in häuslichem Abwasser zu beschreiben. Das Modell wurde aufgrund von Experimenten im Bereich von 8°C bis 23°C und in e inem pH- Bereich von 6,5 bis 7,5 entwickelt. Bei deutlich abweichenden Milieubedingungen ist die Anwendung bzw. Gültigkeit des Modells zu hinterfragen.

Das ASM 3 beschreibt im Gesamten 13 Stoffgruppen in 12 Umwandlungsprozessen. Dabei lassen sich die Stoffgruppen grob in gelöste (S) und Partikuläre (X) Substanzen (s. Tabelle 3-10) unterscheiden. Die Umwandlungsprozesse lassen sich nach Milieu (aerob / anoxisch) unterscheiden bzw. nach dem Teil der Biomasse (Autotrophe / Heterotrophe), den sie betref-fen. Eine vollständige Darstellung des ASM 3 ist Anhang 9.3 zu entnehmen.

Tabelle 3-10: Stoffgruppen des ASM 3 nach IWA /2000/

Kürzel Einheit Parameter

SO [g(O2)/m³] gelöster Sauerstoff

SS [g(CSB)/m³] gelöstes, leicht abbaubares Substrat; entsteht durch die Hydrolyse von XS und wird bei der aeroben und anoxischen Speicherung zu XSTO umge-wandelt

SNH4 [g(N)/m³] Ammonium- und Ammoniakstickstoff; wird beim aeroben Wachstum der autotrophen Biomasse zu Nitrat SNO umgewandelt

SNOX [g(N)/m³] Nitrat- und Nitritstickstoff; wird beim anoxischen Wachstum der hete-rotrophen Biomasse und der endogenen Respiration zu molekularen Stickstoff SN2

SN2 [g(N)/m³] molekularer Stickstoff; wird beim anoxischen Wachstum der heterotrophen Biomasse und der endogenen Respiration aus SNO gebildet und ent-weicht aus dem System

SALK [mol (HCO3)/m³] Alkalinität des Abwassers

SI [g(CSB)/m³] gelöstes, inertes, organisches Material; unterliegt keinem Abbauprozess

XI [g(CSB)/m³] partikuläres, inertes, organisches Material; unterliegt keinen Abbaupro-zessen und wird mit dem Überschussschlamm entnommnen

XS [g(CSB)/m³] partikuläres, schwer abbaubares Substrat; kann nur durch den Zulauf in das System gelangen und wird durch Hydrolyse zu SS und SI

XH [g(CSB)/m³] heterotrophe Organismen; entstehen bei der endogenen Respiration von XSTO, Denitrifikanten

XSTO [g(CSB)/m³] Zelleinlagerungsprodukte der heterotrophen Organismen; entstehen bei der Einlagerung von SS und wird durch Wachstum der heterotrophen Organismen veratmet

XA [g(CSB)/m³] autotrophe Organismen; Nitrifikanten

XSS [g(SS)/m³] Trockensubstanz; setzt sich zusammen aus XI, XS, XH, XA, XSTO


Das ASM 3 stellt eine Weiterentwicklung des ASM 1 /Henze et al. 1986/ dar, das als erstes Belebtschlammmodell einen weiten Verbreitungsgrad fand, jedoch einige Defizite aufwies, die bei der Entwicklung des ASM 3 beseitigt wurden. So wurde beim ASM 3 die Alkalinität als limitierender Faktor für das Wachstum der Biomasse eingebunden, der Zerfallsprozess der Mikroorganismen unter aeroben und anoxischen Bedingungen wird getrennt beschrieben und die Zerfallsprodukte der Biomasse haben keinen Einfluss mehr auf die Denitrifikation, da abbaubarer CSB nur noch durch den Zufluss in das Modell gelangen kann (s. Abbildung 3-7) und nicht mehr durch den Zerfall der Biomasse gebildet wird. Durch diese Änderungen ge-winnen die Modellabbildungen an Realitätsnähe, insbesondere in Bezug auf die Nachbildung der Stickstoffelimination und hier im Speziellen die Denitrifikation.

SO SO SO

SS XSTOXS XH XI

Storage Growth Endogenousrespiration

Hydrolysis

Nitrifiers

SO SO

SNH XA XI

Growth EndogenousrespirationHeterotrophs

ASM3

SO

SO

XS Decay

Decay

Hydrolysis

SNH

SNONitrifiers

SS XH

XI

Growth

GrowthASM1XA

Heterotrophs

Abbildung 3-7: Gegenüberstellung von ASM 1 und ASM 3 nach IWA /2000/

3.2.2.2 Verwendete Software: Simba 4.2

SIMBA wurde vom Institut für Automation und Kommunikation e.V. Magdeburg entwickelt und erstmals 1995 vorgestellt. SIMBA basiert auf der weitverbreiteten Berechnungs- und Simulationsumgebung MATLAB/SIMULINK der Fa. The MathWorks.

Das Programm bietet in verschiedenen Bibliotheken vorgefertigte Elemente (z.B. ver-schiedene Belebungsbecken, Nachklärungen und Messeinrichtungen), die zum Aufbau eines Fließschemas verwendet werden können. Neben diesen Elementen können in der MAT-LAB/SIMULINK –Umgebung weitere Elemente frei definiert werden. Gemessene Daten kön-nen durch eine Zulaufdatei dem Modell als Eingangswerte vorgegeben werden. Dies ge-schieht in Form eines 14-zeiligen Vektors, der neben den 13 Stoffgruppen des ASM 3 als 14. Komponente die Zulaufmenge enthält. Anders als beim ASM 1, bei dem verschiedene Defizi-te des Modells dazu führten, dass in verschiedenen Softwarepaketen die unterschiedlichsten Verbesserungen eingefügt wurden, ist das ASM 3 ohne Änderungen nach Henze et al. /2000/ in SIMBA implementiert.

Kap. 4 Simulation der Referenzgebiete 29

4 Simulation der Referenzgebiete

In diesem Kapitel wird der die Vorgehensweise für die Simulationsstudie und der Aufbau der Modelle erläutert. Kapitel 4.1 gibt eine Übersicht bei der Vorgehensweise im Rahmen der Simulationsstudie, in Kapitel 4.2 wird die Vorgehensweise bei der Schmutzfrachtmodellie-rung erläutert und in Kapitel 4.3 die dynamische Simulation der Kläranlagen dokumentiert.

4.1 Vorgehensweise

Nach der Erstellung der Schmutzfrachtmodelle (Kap. 4.2.1) und der Modelle zu dynamischen Simulation der Kläranlagen (Kap. 4.3) wurden zunächst Langzeitsimulationen zur Bilanzie-rung der Entlastungsfrachten (Kap. 4.2.3.2, 4.2.4.2 und 4.2.5.2) aus den Kanalnetzen bei verschiedenen Drosselabflüssen mithilfe des Schmutzfrachtmodells KOSMO durchgeführt. Für die verschiedenen simulierten Varianten wurden die Dauer der verschiedenen Drossel-abflüsse zur Kläranlage ermittelt (Kap. 4.2.3.4, 4.2.4.3 und 4.2.5.4) und mithilfe einer Ab-schätzung der jährlichen CSB- Ablauffracht der Kläranlagen (Kap. 4.2.3.5, 4.2.4.5 und 4.2.5.5) die CSB- Emissionen des Gesamtsystems beurteilt (Kap. 4.2.3.5, 4.2.4.5 und 4.2.5.5). Auf Basis der CSB- Gesamtemissionen erfolgte dann die Ermittlung eines optimalen Drosselabflusses (Kap. 4.2.3.5, 4.2.4.5 und 4.2.5.5). Abbildung 4-1 zeigt schematisch die Vorgehensweise für die Ermittlung des optimalen Drosselabfluss zur Kläranlage. Abschlie-ßend wurden repräsentative Einzelereignisse (Regenereignisse) ausgewählt und die Emissi-onen der Gesamtsysteme während dieser Ereignisse analysiert sowie die Reinigungsleis-tung der Kläranlagenmodelle bei unter dem ermittelten optimalen Drosselabfluss untersucht (Kap. 5).

4 6 8 10 12

jähr

liche

Fra

chte

n

Entlastungsfracht KN

Ablauffracht KA

Gesamtfracht

optimaler Bereich

Abbildung 4-1: Bestimmung des „optimalen“ Kläranlagenzuflusses anhand von Jahresfrachten

⋅⋅⋅⋅ QS,aM+QF,aM


4.2 Schmutzfrachtsimulation für die Referenzgebiete ( Kanalnetz)

4.2.1 Modellerstellung

4.2.1.1 Abbildung der Kanalnetzdaten und Einzugsgebiete

In der Schmutzfrachtberechnung ist in erster Linie das Abfluss- und Entlastungsverhalten an den Entlastungsbauwerken von Interesse. Die einzelnen Kanalhaltungen sind lediglich in ihrer Wirkung auf das Systemverhalten bei entlastungsrelevanten Niederschlagsereignissen von Bedeutung. Angesichts des erheblichen Rechenaufwandes in der Langzeitsimulation wird deshalb die Systemdarstellung gegenüber der Kanalnetzberechnung („Feinnetz“) übli-cherweise zu einem Grobnetz vereinfacht. Dies ist bei sorgfältiger Bearbeitung ohne nen-nenswerte Genauigkeitsverluste möglich (ATV-AG 1.9.3 (6. AB), 1992; Pawlowski et al., 1988; Schmitt, 1994). Einzugsgebietsspezifische Kennwerte wie Flächengröße, Geländenei-gung oder Einwohnerzahl werden den Berechnungsstrecken des Grobnetzes zugeordnet.

Die im Einzugsgebiet vorhandenen Sonderbauwerke werden mit ihren tatsächlichen Bau-werksabmessungen, hydraulischen Kennwerten und Funktionsweisen in den Datensatz des Grobnetzes übernommen.

� Wallhaben Die Kanalnetzdaten mit den zugehörenden einzugsspezifischen Kenndaten lagen für die Erstellung des Modells nur in Form einer ATV-A-128 Berechnung (Ingenieurbüro Vatter und Ernst, Dahn) vor. Die Einzugsgebiete wurden mit wenigen Berechnungsstrecken mit den in dieser Berechung angegebenen Kennwerten erstellt. Für alle Sonderbauwerke blieb so die Information über das Einzugsgebiet mit spezifischen Kennwerten (AE,b, Einwohner, etc.) und Fließzeit bis zum Bauwerk erhalten. Die Länge von Hauptsammlern wurde anhand von topo-graphischen Karten bestimmt. Die Sonderbauwerke konnten anhand von Systemskizzen (ARCADIS, Kaiserslautern) nachgebildet werden. Sie sind mit ihren Kennwerten in Tabelle 4-1 zusammengestellt.

Tabelle 4-1: Sonderbauwerke im Einzugsgebiet der Gruppenkläranlage Wallhalben

Sonderbauwerke Gesamtein-zugsgebiet

AE,b

Direktein-zugsgebiet

AE,b QT,aM Volumen Q Dr

[ha] [ha] [l/s] [m³] [l/s]

Regenüberläufe

RÜ 02 Schmittshausen 6,0 6,0 3,6 - 87,4

RÜ 03 Wallhalben 3,0 3,0 1,2 - 44,5

RÜ 05 Saalstadt 4,7 4,7 1,4 - 76,7

RÜ 06 Hettenhausen 38,4 3,0 13,7 - 310,1

RÜ 07 Neumühle 35,4 3,8 12,5 - 76,7

RÜ 08 Harsberg 4,7 4,7 1,1 - 280,2

RÜ 09 Obernheim-Kirchen. 16,5 11,3 5,8 - 163,0

RÜ 10 Wallhausen-Oberhsn 14,9 8,3 3,8 - 104,6

RÜ 12 Knopp 4,3 4,3 0,9 - 74,4

RÜ 13 Labach 2,3 2,3 0,6 - 42,0

RÜ 18 Oberarnbach 5,2 5,2 1,5 - 95,0

RÜ Herschberg 10,1 10,1 2,3 - 173,0



AE,b



fS,QM

IST

[ha] [ha] [l/s] [m³] [l/s] [-]


RÜB 01 Kläranlage 80,1 0 26,6 354 93,0 6,0

RÜB 04 Erlenmühle 43,1 0 15,1 706 705,6 6,3

SKU 11 Knopp-Labach SKU 6,6 0 1,5 198 10,5 6,4

RÜB 15 Weselberg 4,4 4,4 1,6 51 6,7 7,2

RÜB 16 Weselberg Zeselberg 13,4 9,0 4,2 338 20,0 7,0

RÜB 18 Obernarnbach 5,2 5,2 1,5 99 50,0 5,8

RÜB Herschberg 10,1 0 2,3 230 7,0 5,2

Pumpwerke

PW Weselberg - - - - 6,7

PW Herschberg - - - - 7,0

� Zweibrücken

Zur Erstellung des Schmutzfrachtmodells konnten für den Großteil des Einzugsgebietes (mit Ausnahme der Gemeinden Althornbach, Oberauerbach, Mörsbach, Großbundenbach, Klein-bundenbach und Käshofen) Katasterpläne im Maßstab 1:1000 seitens des Betreibers zur Verfügung gestellt werden. Aus diesen Plänen wurde ein vergleichsweise detailliertes Grob-netz erstellt, das insgesamt aus ca. 730 Haltungen und den 48 Sonderbauwerken (Regen-überläufe, Regenüberlaufbecken, Stauraumkanäle, Pumpwerke) des Einzugsgebietes be-steht. Weiterhin konnte auf eine vorliegende Schmutzfrachtberechnung (Schirmer, 1999) zurückgegriffen werden. Das Zulaufpumpwerk zur Kläranlage wurde vereinfacht als fiktives Trennbauwerk mit einem maximalen Abfluss in Höhe der Pumpwerkskapazität nachgebildet. Bedingt durch die Einschaltpunkte des Pumpwerks kann ein Teil des Hauptsammlers im Zu-laufbereich der Kläranlage eingestaut werden. Dieses Volumen wurde als zusätzlicher Stau-raumkanal mit unten liegender Entlastung (SKU) berücksichtigt. Maßgebende Kenngrößen zu den abgebildeten Sonderbauwerken sind in Tabelle 4-2 zusammengestellt.

Tabelle 4-2: Sonderbauwerke im Einzugsgebiet Kläranlage Zweibrücken


AE,b



fS,QM

IST

[ha] [ha] [l/s] [m³] [l/] [-]

Regenüberläufe

RÜ 01 Unterhalb John Deer 9,9 9,9 1,6 - 327 -

RÜ 02 Bautzenbach 24,5 24,5 6,5 - 520 -

RÜ 03 Bismarckstraße 11,4 11,4 1,7 - 108 -

RÜ 05 Saarlandstraße 15,5 15,5 4,5 - 287 -

RÜ 06 Dr. Ehrenbergerstr. 2,1 2,1 0,5 - 77 -

RÜ 07 Geschw.-Scholl-Allee 7,1 7,1 1,8 - 329 -



AE,b



fS,QM

IST

[ha] [ha] [l/s] [m³] [l/] [-]

RÜ 09 Poststraße 16,6 16,6 4,6 - 222 -

RÜ 10 Luitpoltstraße 58,8 22,6 15,6 - 1919 -

RÜ 12 Landauerstraße 15,7 15,7 3,0 - 536 -

RÜ 14-3 Nähe Pirmasenser S. 58,1 17,4 17,9 - 1063 -

RÜ 14-2 Scheiderberg/Pirm. 17,3 6,0 18,8 - 435 -

RÜ 14-1 Scheiderbergstraße 9,3 9,3 1,9 - 429 -

RÜ 16 Webenheimstraße 51,3 4,6 19,8 - 239 -

RÜ 17 Sturzenhofstraße 46,7 2,8 18,4 - 159 -

RÜ 18 Franck-Lanzstraße 43,9 9,9 17,5 - 223 -

RÜ 19 In den Amtswiesen 34,0 3,9 14,7 - 174 -

RÜ 21 Schlachthofstraße 31,4 11,7 12,5 - 321 -

RÜ 21a Ixheim 2 22,3 4,1 9,4 - 397 -

RÜ 21b Ixheim 1 36,7 14,4 14,8 - 213 -

RÜ 22 Gleiwitzstraße 12,8 2,9 7,3 - 71 -

RÜ 23 Wiesenstraße 18,5 5,7 9,2 - 66 -

RÜ 24A Rimschweiler/Alth. 16,7 9,9 6,7 - 193 -

RÜ 31 Oberauerbach 3,1 3,1 1,2 - 78 -


RÜB 04 Goetheplatz 16,9 16,9 3,1 460 40 26,0

RÜB 08 Holzgarten 23,3 23,3 5,5 578 35 12,2

RÜB 11 Bleicherstraße 36,2 20,5 10,4 760 80 15,0

RÜB 13 Ackerweg 17,9 17,9 4,2 355 40 18,9

RÜB 20 Am Kloster 30,1 11,6 13,3 322 32 3,9

SKO 21 Schlachthofstraße 19,7 19,7 7,5 152 104 28,0

RÜB 24 Rimschweiler 18,2 1,5 7,8 72 25 5,6

RÜB 24B Althornbach 6,8 6,8 2,6 110 8 5,4

RÜB 25 Wattweiler 9,9 9,9 2,8 200 7,5 4,5

RÜB 30 Oberauerbach 40,7 6,2 13,7 152 60 8,1

RÜB 33 Mörsbach 12,2 12,2 2,9 459 31 21,3

RÜB 34 Großbundenbach 9,5 5,5 4,4 125 12 4,6

RÜB 35 Kleinbundenbach 4,0 4,0 2,2 108 8 6,5

SKO 36 Käshofen 9,7 9,7 2,7 75 10 6,7

RÜB KA fiktiver SKU 405,3 8,5 163,0 1.150 490 6,0

FB 998 490

DB 1.400 490


� Edenkoben Die Kanalnetzdaten mit den zugehörenden einzugsspezifischen Kenndaten lagen für die Außengemeinden in detaillierter Form aus einer Kanalnetzberechnung vor (Ingenieurbüro ipr, Neustadt). Diese Daten wurden zu Berechnungsstrecken zusammengefasst. Für das Teileinzugsgebiet Edenkoben konnten nur Bauwerkslisten mit zugehörenden Einzugsge-bietsdaten und Fließzeiten herangezogen werden. Auch hier besteht unmittelbar im Zulauf zu Kläranlage ein Pumpwerk. Dieses ist auf den momentanen Kläranlagenzufluss von 618 l/s ausgelegt und es kommt in der Regel nicht zu Rückstau. Dieses Pumpwerk wurde im Modell nicht nachgebildet, da es keine Abfluss beeinflussende Wirkung hat. Alle abgebildeten Son-derbauwerke sind in Tabelle 4-3 aufgeführt.

Tabelle 4-3: Sonderbauwerke im Einzugsgebiet Kläranlage Edenkoben


AE,b



fS,QM

IST

[ha] [ha] [l/s] [m³] [l/] [-]

Regenüberläufe

RÜ Weyher 2,5 2,5 0,4 - 50,0 -

RÜ1 (Luitpotstr.) Edesheim 11,8 11,8 2,9 - 155,5 -

RÜ2 (Rodterstr.) Edesheim 5,6 5,6 2,2 - 88,0 -

RÜ1 (Klosterstr.) Edenkoben 4,3 4,3 1,0 - 133,0 -

RÜ2 (Kalmitstr.) Edenkoben 9,3 9,3 2,8 - 219,0 -

RÜ3 (Kurbrunnenstr.) Eden-koben

15,5 6,2 4,2 - 386,0 -

RÜ4 (Bismarkstr.) Edenkoben 31,4 11,7 7,4 - 999,0 -

RÜ5 (Poststraße) Edenkoben 7,5 7,5 2,1 - 288,0 -

RÜ6 (Weinstraße) Edenkoben 14,8 7,3 4,1 - 447,0 -


RÜB Burrweiler 8,5 8,5 3,1 230 25,0 16,9

RÜB Flemlingen 6,9 6,9 1,4 250 9,5 14,2

RÜB Roschbach 11,3 11,3 3,0 400 23,5 16,5

RÜB Weyher 9,6 7,1 2,6 320 22,5 18,5

RÜB Rhodt 17,7 17,7 3,8 580 68,5 39,3

RÜB Hainfeld 8,2 8,2 3,0 300 29,5 20,6

RÜB Edesheim 35,3 17,9 9,4 500 71,0 15,7

RÜB Edenkoben 76,0 29,8 16,8 900 131,0 16,2

Pumpwerke

PW Roschbach - - - - 90,0 -


4.2.1.2 Trockenwetterabfluss

Der Trockenwetterzufluss wurde durch Auswertung von Messungen im Kläranlagenzufluss bestimmt. Der Fremdwasseranteil wurde durch die Methode des gleitenden Minimums ermit-telt. Für die drei Referenzgebiete ergeben sich zusammengefasst die folgenden Abflussgrö-ßen (s. Tabelle 4-4) als Werte für das jeweilige Gesamteinzugsgebiet.

Tabelle 4-4: Kennwerte Trockenwetterabfluss

Gebiet Trockenwetterzufluss QT,aM

[l/s]

Schmutzwasserzufluss QS,aM

[l/s]

Fremdwasserzufluss QF,aM

[l/s]

Wallhalben 26,1 13,7 12,6

Zweibrücken 163 103 60

Edenkoben 51,6 23,1 28,6

Der Trockenwetterzufluss wurde durch die Vorgabe eines einwohnerspezifischen Wasser-

verbrauchs [l/(s⋅ha)] für den Schmutzwasseranfall und einer teilgebietsspezifischen Fremd-

wasserspende [l/(s⋅ha)] vorgegeben. Die beiden Zuflüsse Fasanerie bzw. Wassertretanlage in Zweibrücken wurden als konstante Zuflüsse an entsprechender Stelle in das Modell ein-gegeben.

Für die Kläranlage Edenkoben konnte kein erhöhter Zufluss während der Weinbaukampagne festgestellt werden, weshalb die Kennwerte für den betrachteten Zeitraum konstant blieben.

4.2.1.3 Niederschlagsdaten

Zur Anwendung kommt eine statistische Niederschlagsreihe, die von der TU Darmstadt auf der Grundlage von langjährigen Niederschlagswerten aus ganz Hessen für Schmutzfracht-simulationen zusammengestellt wurde („Darmstädter Regenreihe“). Sie stellt quasi ein re-präsentatives Niederschlagsjahr dar, das ersatzweise für eine mehrjährige Niederschlagsrei-he verwendet werden kann. Die verwendete Reihe umfasst den Zeitraum vom März bis No-vember, um die Unsicherheiten bei Niederschlagsabflussprozessen im Winter (Temperatur-abhängigkeit Schneefall, Schneeschmelze) auszuschließen. Die im Folgenden als jahresbe-zogene Ergebnisse dargestellten Werte beziehen sich also nur auf diesen Zeitraum. Die sta-tistischen Niederschlagsreihen der TU Darmstadt wurden für verschiedene Jahresnieder-schlagshöhen zusammengestellt.

Für die Referenzgebiete Wallhalben und Zweibrücken wurde eine Niederschlagsreihe mit hN = 657 mm im betrachteten Zeitraum März bis November (Jahresniederschlag 825 mm/a) und für Edenkoben mit hN = 419 mm von März bis November (Jahresniederschlag 525 mm/a) ausgewählt.


4.2.1.4 Simulationsparameter

� Parameter zur Abflussbildung und -konzentration Anhand von Erfahrungswerten wurden die folgenden Simulationsparameter zur Berechnung des Oberflächenabflusses für alle Referenzgebiete festgelegt. Die Modellparameter sind jeweils bezogen auf die befestigten Flächen.

- Benetzungsverlust 0,25 mm

- max. Muldenverlust (Neigungsklasse 1/2/3/4) 1,5/1,0/0,5/0,5 mm

- Endabflussbeiwert befestigte Flächen 0,96

� Parameter zur Schmutzfrachtberechnung

Verschmutzung des Trockenwetterabflusses

Die Parameter zur Verschmutzung des Trockenwetterabflusses wurden für die drei Einzugs-gebiete anhand der Kläranlagentagebücher und der ergänzenden Messkampagnen für den Zufluss zur Kläranlage als mittlere Konzentrationen ermittelt. Diese Werte wurden im Modell als Verschmutzung des Trockenwetterabflusses vorgegeben. In Edenkoben wurde für den Kampagnezeitraum (September bis November im betrachteten Simulationszeitraum) die Trockenwetterkonzentration im gesamten Einzugsgebiet gleichmäßig erhöht, da auch die Winzerbetriebe recht gleichmäßig im gesamten Einzugsgebiet verteilt sind.

Tabelle 4-5: Parameter zur Verschmutzung des Trockenwetterabflusses

Edenkoben Parameter Wallhalben Zweibrücken außerhalb

Kampagne während

Kampagne

CSB (mg/l) 494 423 578 1193

NH4-N (mg/l) 32,3 30,7 24 24

TKN (mg/l) 39,1 50,4 44 52

PO4-P (mg/l) 7,6 7,0 6,9 8,8

BSB5 (mg/l) 300* 300* 253 614

AFS (mg/l) 280* 280* 280* 280*

MV** (mg/l) 1000 1000 1000 1000

* keine Messungen vorhanden, Erfahrungs- bzw. Literaturwerte ** Fiktivparameter zur Bestimmung des Mischverhältnisses

Verschmutzung des Niederschlagsabflusses

Die Verschmutzung des Oberflächenabflusses wird mit der Akkumulations- und Abtrags-Methode bestimmt. Hierzu müssen verschiedene Parameter wie Stoffpotenzial auf der Ober-fläche und Akkumulations- und Abtragskonstanten festgelegt werden, mit denen sich eine gewählte oder abgeleitete mittlere Konzentration im Niederschlagsabfluss (Jahresmittelwert) ergibt. Für alle drei Referenzgebiete wurde die mittlere Verschmutzung im Niederschlagsab-fluss ausgehend von Literatur- und Erfahrungswerten für die ausgewählten Stoffe gleich ab-geschätzt.


In einer Voranalyse wurden die Modellparameter zur Niederschlagsabflussverschmutzung auf die spezifizierten Zielwerte abgestimmt. Dazu wurden sämtliche Niederschlagsereignisse der repräsentativen Niederschlagsreihe in ihrer tatsächlichen zeitlichen Aufeinanderfolge betrachtet, um folgende Prozesse zu erfassen:

- Veränderung der Abflussbereitschaft der Abflussflächen in niederschlagsfreien Zei-ten;

- Abflussbildung und Abflusskonzentration während der Niederschlagsereignisse.

Um die gewählte mittlere Verschmutzung des Niederschlagsabflusses im langjährigen Mittel zu erreichen, müssen für alle Referenzgebiete aufgrund der verschiedenen Oberflächenbe-schaffenheit (z.B. Geländeneigungsklasse) bzw. verschiedenen Regendaten (s.o.) verschie-dene Parameter für Akkumulation und Abtrag festgelegt werden. Die gewählten mittleren Verschmutzungen und die sich ergebenden maximalen Schmutzstoffpotenziale sind für die drei Gebiete in Tabelle 5-2 zusammengestellt.

Tabelle 4-6: Parameter zur Bestimmung der Verschmutzung im Niederschlagsabfluss

max. Schmutzstoffpotential mittlere Ver-schmutzung Wallhalben Zweibrücken Edenkoben

Para-meter

[mg/l] [kg/ha] [kg/ha] [kg/ha]

CSB 120 39,1 38,9 24,4

NH4-N 1 0,3 0,3 0,2

TKN 2 0,7 0,7 0,4

PO4-P 1 0,3 0,3 0,2

TOC 80 26,3 259 16,3

BSB5 50 16,3 16,2 10,1

AFS 150 48,8 48,6 30,4

MV* 0 0 0 0

* Fiktivparameter zur Bestimmung des Mischverhältnisses

Absetzwirkung in Speicherräumen

Für Durchlaufbecken wurde von einer pauschalen Sedimentationswirkung für feststoffge-

bundene Schmutzparameter ausgegangen. Hierzu wurden die folgenden Stoffrückhalte η an-

genommen (s. Tabelle 4-7). In Zweibrücken und Wallhalben wurde die Eliminationsleistung bei den Abfiltrierbaren Stoffen vergleichsweise gering angesetzt, da sich bei der Messkam-pagne auf der Kläranlage ein hoher Feinkornanteil bei den AFS zeigte.

Tabelle 4-7: Sedimentationsleistung in Durchlaufbecken

η η η η [%]

Wallhalben, Zweibrücken Edenkoben

CSB 25 25

TKN 15 15

BSB5 15 15

AFS 25 50


4.2.2 Vorgehensweise im Rahmen der Schmutzfrachtsimu lationen

In den Simulationen wird zunächst der bestehende Ist-Zustand in einer Langzeitsimulation untersucht und anhand der Entlastungskennwerte bewertet. Der Zufluss zur Kläranlage, also der Drosselabfluss an den Regenüberlaufbecken wird dann schrittweise ausgehend vom bestehenden Faktor fs,QM erhöht (bzw. in Edenkoben, wo der Faktor derzeit mit 16,8 schon sehr hoch ist, erniedrigt). An Regenüberläufen werden keine Veränderungen vorgenommen, da diese auf Qkrit ausgelegt sind. Für jedes Gebiet werden die Auswirkungen des erhöhten Drosselabflusses untersucht. Da das Ziel der Simulationsstudie die Ermittlung eines optima-len Drosselabflusses bei Minimierung der Gesamtemissionen aus Entlastungen und dem Kläranlagenablauf ist, wird der Schwerpunkt der Untersuchung im Kanalnetz auf die Bilanzie-rung von Jahresfrachten gelegt. Als Leitparameter wird hierzu der CSB betrachtet.

Die Jahresfracht der während Niederschlagsereignissen in das Gewässer gelangenden Schmutzstoffe beschreibt den Einfluss der Mischwasserentlastungen auf das Gewässer al-lerdings nur unzureichend. Das Gewässer und dessen Biozönose werden auch entschei-dend durch einzelne signifikante Einleitungsereignisse geschädigt. Große Bedeutung für die ökologischen Wirkungen im Gewässer haben neben Häufigkeit und Dauer der Mischwasser-einleitungen auch hydraulische Stoßbelastungen und stoffliche Einwirkungen. Diese Einflüs-se auf das Gewässer werden in akute, verzögerte oder langfristige Gefährdungen eingestuft (s. Tabelle 4-8).

Tabelle 4-8: Effekte durch Entlastungen in Fließgewässer /nach SCHILLING et al., 1997/

Zeithorizont Wirkung Einfluss auf das Gewässer

Akut

(Minuten bis wenige Stun-den)

hydraulisch

chemisch

physikalisch

bio-chemisch

hygienisch

ästhetisch

Abfluss, Schubkraft, Sohlerosion

toxische Stoffe (NH3) im Wasserkörper

suspendierte Stoffe

Sauerstoffzehrung im Wasserkörper

Bakterien, Viren

Geruch, Treibgut

Verzögert

(Tage, Wochen)

hydraulisch

chemisch

bio-chemisch

Hygiene

ästhetisch

Sedimentverlagerung

toxische Stoffe (NH3, NO2)

Sauerstoffzehrung im Sediment

Bakterien, Viren im Sediment

Treibgut, Öl

Akkumulierend

(Monate, Jahre)

hydrologisch

chemisch

bio-chemisch

Abflussregime, Morphologie

Schwermetalle, persistente org. Stoffe, anorg. /org. Sediment

Sauerstoffzehrung, Eutrophierung

Um einen Teil dieser Aspekte bei den Simulationsrechnungen zu untersuchen, wurden ne-ben der Jahresentlastungsfracht des CSB auch ereignisspezifische Kriterien, die exempla-risch für maßgebende Regenüberlaufbecken bzw. Stoffe untersucht wurden, in die Auswer-tung mit aufgenommen. Die Systematik der Auswertung ist in Tabelle 4-9 gezeigt.


Tabelle 4-9: Systematik der Ergebnisauswertung

zeitliche Wirkung

Belastungs-komponente

Kenngröße maßgebende Parameter

Einheit

- - Anzahl Entlastungs-ereignisse

n/a

- - Überlaufdauer h/a

hydraulischer Stress/ Sohlerosion

maximale Entlastungs-abflüsse

Abfluss l/s akut

Ammoniaktoxizität maximaler zeitbezoge-ner Austrag

NH4-N mg/s

verzögert Sauerstoffzehrung ereignisspezifischer Frachtaustrag

BSB5 kg/Ereignis

Verschlammung AFS

Leitparameter CSB

langfristig

Vergleich gelöster Stoff

jährliche Entlastungs-fracht

NH4-N

kg/a

Durch eine geänderte Drosselung an Regenüberlaufbecken ändert sich auch die Belas-tungssituation der Kläranlage. Durch eine Erhöhung des Zuflusses erhöhen sich einerseits die ankommenden Zuflussvolumina und –frachten. Andererseits verringert sich durch eine verkürzte Beckenentleerungszeit aber auch die Dauer des erhöhten Zuflusses. Die Kläranla-genzuflusssituation wurde durch eine detaillierte Betrachtung für den Simulationszeitraum untersucht. Der Trockenwetter- und Mischwasserzufluss wurden in verschiedene „Abfluss-stufen“ eingeteilt, für die dann getrennt die jeweiligen Beschickungszeiten, Kläranlagenzu-flussvolumina und -frachten bzw. -konzentrationen (exemplarisch für den Leitparameter CSB) ausgewertet wurden.

Anhand dieser Bilanzierungen werden die Auswirkungen der erhöhten Drosselabflüsse be-wertet und das Potenzial für einen integrierten Betrieb aus Sicht des Kanalnetzes abgeleitet. Dies wird in den folgenden Abschnitten getrennt für die drei Referenzgebiete dargelegt.


4.2.3 Referenzobjekt Wallhalben

4.2.3.1 Beurteilung IST-Zustand

Die Entlastungskennwerte für das Gesamtsystem sind in Tabelle 4-10 zusammengestellt. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass nur der Abschnitt März bis November betrachtet wurde.

Tabelle 4-10: Bilanzwerte der Langzeitsimulation IST-Zustand Wallhalben

Bilanzwerte Niederschlagsabfluss Jahresniederschlagshöhe (s. Abschnitt 4.2.1.3) 657 mm Jahresniederschlagsvolumen (Gesamtfläche) 636.131 m3 Abflusswirksamer Niederschlag (Niederschlagsabflusssumme) 412.075 m3 Abflussbeiwert bezogen auf befestigte Flächen 73,8 %

Kennwerte zur Entlastung

Niederschlagsabflusssumme (100 %-Bezugswert) 412.075 m3 Spezifische Niederschlagsabflusssumme (pro ha AE,b) 5.144 m3/ha Entlastungsabflusssumme im Gesamtsystem 193.397 m3 Spezifische Entlastungsabflusssumme (pro ha AE,b) 2.414 m3/ha Entlastungsabflussrate im Gesamtsystem 46,9 % Anteil Trockenwetterabfluss an Entlastungsabflusssumme 6.973 m³ Mischverhältnis m (Gesamtsystem) 26,7

Bilanzwerte Stoffparameter CSB Frachtabtrag durch Niederschlagsabfluss (100 %-Wert) 49.437,7 kg/a

spezifischer Frachtabtrag (befestigte Fläche) 617,2 kg/(ha⋅a) Konzentration im Niederschlagsabfluss 120,0 mg/l


Entlastungsfracht im Gesamtsystem 17.045,6 kg/a

Spezifische Entlastungsfracht (befestigte Fläche) 212,8 kg/(ha⋅a) Entlastungskonzentration (Mittelwert) 88,1 mg/l Entlastungsfrachtrate im Gesamtsystem 34,5 %

Die spezifischen Entlastungskennwerte stellen mit 2.414 m³/ha (e = 47 %) bzw. 212,8 kg/ha charakteristische Werte für den ländlichen Bereich dar. Die mittlere Entlastungskonzentration liegt mit 88,1 mg CSB/l ebenfalls in einem typischen Bereich. Am netzabschließenden Be-cken vor der Kläranlage schwankten die ereignisspezifische Mittelwerte der CSB-Entlastungskonzentration z.B. zwischen 29 und 284 mg/l als.

Die Einführung eines Umrechnungsfaktors zur Abschätzung der Entlastungskennwerte be-zogen auf ein ganzes Jahr erscheint in diesem Anwendungsfall nicht sinnvoll, da eine Prog-nose entlastungsrelevanter Regenereignisse in den Wintermonaten schwierig ist. In der Re-gel ist der Anteil der Entlastungsmengen aus den Wintermonaten an der Gesamtentlastung gering. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt beim relativen Vergleich von Simulatio-nen mit geänderten Drosselabflüssen. Der maßgebende Zeitraum der Entlastungstätigkeit im Sommer und Herbst ist abgedeckt.

Der Anteil der Entlastungen an Regenüberläufen ist bzgl. Volumen und CSB-Fracht mit rund einem Drittel vergleichsweise hoch (s. Tabelle 4-11). Einerseits sind viele der Ortsteile im Einzugsgebiet nur über ein RÜ an das Hauptsammlernetz angeschlossen. Andererseits ist nahezu jedes RÜB vorentlastet. An zwei Regenüberläufen wird etwas weniger als das erfor-


derliche Qkrit weitergeleitet (RÜ 9 und 10), diese fallen auch durch rel. große Entlastungshäu-figkeiten und Entlastungsvolumina auf.

Tabelle 4-11: Aufteilung Entlastungsvolumen und –fracht auf RÜ und RÜB im IST-Zustand (Wall-halben)

Entlastungs-volumen

Entlastungsfracht CSB

Entlastungs-konzentration

[m³/a] [kg/a] [mg/l]

Regenüberläufe 66.164 5.826 88,1

Regenüberlaufbecken 127.231 11.220 88,2

Gesamt 193.395 17.046 88,1

Die Entlastungsschwerpunkte im Einzugsgebiet der Kläranlage Wallhalben liegen allerdings eindeutig bei den Regenüberlaufbecken und hier speziell beim RÜB 04 Erlenmühle, an das als teilnetzabschließendes Becken über die Hälfte des Entwässerungsgebietes angeschlos-sen ist. Hier werden mit 36.286 m³/a ca. 21% des gesamten Entlastungsvolumens und mit 2.929 kg/a CSB 16 % der Jahresentlastungsfracht abgeschlagen.

Die Entlastungshäufigkeit ist in der Einheit Tage mit Entlastung angegeben. Ein Regenereig-nis, das zu einer Entlastung über 24:00 Uhr hinaus führt, geht also mit einer Häufigkeit von 2 Tagen mit Entlastung in diese Bilanz ein. Eine Entlastungshäufigkeit unter 40 Ereignis-sen/Jahr und eine Entlastungsdauer unter 180 h im Jahr kann für Durchlaufbecken als selten bzw. kurz angesehen werden /Brombach, 2003/. Zwar wurde hier kein ganzes Jahr unter-sucht, allerdings ist bei den meisten Becken die Entlastungsdauer als kurz anzusehen. Vor allem wegen des in weiten Bereichen recht flachen Einzugsgebietes und den flachen Haupt-sammlern mit langen Fließzeiten werden die Abflussganglinien auch bei Extremereignissen sehr stark abgeflacht. Im Einzugsgebiet des RÜB Herschberg ist die Fließzeit recht kurz, wodurch ein häufiges Entlasten und eine längere Entlastungsdauer auftritt als bei anderen Becken. Die Becken scheinen insgesamt relativ gleichmäßig ausgelastet zu sein, was vor allem auf die an den zulässigen Kläranlagenzufluss angepassten Drosselabflüsse an allen Becken (fs,QM zwischen 5,2 und 7,2) zurückzuführen ist.

Tabelle 4-12: Entlastungsschwerpunkte im Einzugsgebiet im IST-Zustand (Wallhalben)

Entlastungs-volumen


Entlastungs-konz. CSB

Entlas-tungsereig.

Entlas-tungsdauer

[m³/a] Anteil [kg/a] Anteil [mg/l] [d/a] [h/a]

RÜB 04 Erlenmühle 36.286 20,5 % 2.929 16,4 % 80,7 40 133,4

RÜB 01 Kläranlage 21.288 12,0 % 1.824 10,2 % 85,7 39 103,0

RÜB Herschberg 20.704 11,7 % 2.143 12,0 % 103,5 48 163,0

RÜB 16 Weselberg 17.513 9,9 % 1.088 6,1 % 62,1 36 87,1

RÜ 09 Oberarnheim 13.362 7,4 % 1.431 8,0 % 107,1 41 24,1

RÜB 15 Weselberg 12.001 6,8 % 1.209 6,8 % 100,8 55 113,2


4.2.3.2 Erhöhung der Drosselabflüsse

� Gesamtentlastungsvolumen und –frachten Kanalnetz Bei der Bilanzierung der Entlastungsvolumina und -frachten wurden 3 verschiedene Varian-ten für die Erhöhung der Drosselabflüsse untersucht. In einem Szenario wurde nur am netz-abschließenden Becken vor der Kläranlage der Drosselabfluss erhöht, bei der nächsten Va-riante an den sich als maßgebend herausstellenden Becken (hier: RÜB KA, RÜB Erlenmühle und RÜB Herschberg) und bei einer letzten Variante wurde der Abfluss an allen Becken ent-sprechend angepasst.

Die Gesamtentlastungsvolumina bzw. –frachten für die Stoffe CSB, NH4-N und AFS sind vergleichend für die drei Variationen in Abbildung 4-13 dargestellt.

In diesem Einzugsgebiet gibt es eine deutliche Differenz zwischen der Anpassung nur des netzabschließenden Beckens oder noch weiterer maßgebender RÜB. Der Unterschied, ob an allen Becken die Drosselabflüsse angepasst werden oder nur an den 3 maßgebenden Becken, ist allerdings bis zu einem Abfluss von 8 QS,aM+QF,aM unerheblich. Erst bei größeren Drosselabflüssen beträgt der Unterschied bei Entlastungsvolumen und -frachten mehr als 2 – 5 % bezogen auf den Ausgangszustand. Es zeigt sich, dass durch relativ geringfügige Änderungen (Erhöhung QM auf 8 QS,aM+QF,aM an 3 Becken) schon sehr deutliche Verbesse-rungen der Emissionen – beim Leitparameter CSB und den AFS um 14 % – aus dem Kanal-netz erreicht werden können.

Auffällig ist, dass die Entlastungsfrachten beim NH4-N am meisten vermindert werden kön-nen. Das ist darauf zurückzuführen, dass NH4-N bei Mischwasserabfluss als nahezu gänzlich schmutzwasserbürtiger Stoff durch den Niederschlagsabfluss stark verdünnt wird. Innerhalb 1-2 h kann die NH4-N-Konzentration im Mischwasserabfluss schon auf 30% der Trockenwet-ter-Verschmutzung gesunken sein. Ist ein Trennbauwerk / Becken stärker gedrosselt, wird früher Mischwasser zwischengespeichert. Also resultiert im Becken eine höhere Konzentra-tion als bei einem größeren Drosselabfluss und damit ist auch der Entlastungsabfluss stärker verschmutzt. Beim CSB oder AFS ist dieser Effekt der starken Verdünnung erst nach länge-rer Regendauer wirksam, da am Anfang eines Ereignisses i.d.R. noch Stoffpotenzial auf der Oberfläche vorhanden ist. Erst nach mehreren Stunden Niederschlagsdauer werden die CSB-Konzentrationen um mehr als die Hälfte im Vergleich zum Trockenwetterabfluss redu-ziert. Die beschrieben Ergebnisse sind in Abbildung 4-2 zusammengefasst.


Veränderung VQ e bei Erhöhung Q M Veränderung SF e,CSB bei Erhöhung Q M

65

70

75

80

85

90

95

100

7 8 9 10 QS+QF

Q,Dr RUEB KA erhöht

Q,Dr 3 RÜB erhöht

Q,Dr alle RÜB erhöht

7 8 9 10 QS+QF


Q,Dr 3 RÜB erhöht


Veränderung SF e,NH4-N bei Erhöhung Q M Veränderung SF e,AFS bei Erhöhung Q M

65

70

75

80

85

90

95

100

7 8 9 10 QS+QF


Q,Dr 3 RÜB erhöht


7 8 9 10 QS+QF


Q,Dr 3 RÜB erhöht


Abbildung 4-2: Gesamtentlastungsvolumen und –frachten bei erhöhtem QM (Wallhalben)

Die spezifischen Entlastungskennwerte verhalten sich bei der Erhöhung der Drosselabflüsse (dargestellt nur für Variante „3 Becken“) entsprechend Tabelle 4-13.

Tabelle 4-13: spezifische Entlastungskennwerte

fs,QM spez. Entlastungs-volumen

Entlastungsabfluss-rate

spez. Entlastungs-fracht CSB

[m³/ha] [%] [kg/ha]

6 2.414 46,9 213

7 2.268 44,1 197

8 2.162 42,0 185

9 2.073 40,3 176

10 1.999 38,9 168

Die mittlere Entlastungskonzentration beim CSB verringert sich insgesamt nur von 88 mg/l auf 84 mg/l, da Entlastungsvolumen und Entlastungsfracht in nahezu gleichem Maß zurück-gehen. Am Becken Erlenmühle wird die mittlere Entlastungskonzentration allerdings von 80,7 mg/l (fs,QM = 6) auf 63,1 (fs,QM = 10) verringert. Es zeigt sich allerdings, dass eine Erhö-hung über 8 QS,aM +QF,aM hinaus keine entscheidenden Verbesserungen mehr bringt.

⋅QS,aM+QF,aM ⋅QS,aM+QF,aM


%

%


Da eine Änderung der Drosseleinrichtungen an allen Becken eher unwahrscheinlich er-scheint, wird für die folgenden Untersuchungen davon ausgegangen, dass nur an 3 Becken die Drosseleinrichtungen verändert werden. Vergleichend sind für QM = 8 QS,aM +QF,aM für einen Systemzustand, bei dem an allen RÜB die Drosselabflüsse angepasst wurden, die ereignisspezifischen Kennwerte und die Zuflusssituation zur Kläranlage gezeigt.

� Entlastungsdauern und –häufigkeiten Während sich bei RÜB 04 und RÜB KA die Entlastungshäufigkeit sehr stark (um fast 40 % bei einer Erhöhung von QDr auf 10 QS,aM +QF,aM) reduziert, kann beim Becken in Herschberg die Entlastungshäufigkeit bis QDr = 9 QS,aM +QF nur unmerklich verringert werden. Selbst bei einer Erhöhung auf Q,Dr = 10 QS,aM +QF reduziert sie sich nur um 17%. Dies ist v.a. auf die geringe Fließzeit bis zum Becken zurückzuführen, die keine Abschwächung von Abflussspit-zen ermöglicht. Die Entlastungsdauer kann dagegen an diesem Becken durch die Erhöhung des Abflusses ganz entscheidend verringert werden. Bei den anderen beiden Becken zeigt sich ebenfalls eine sehr deutliche Reduzierung der Entlastungsdauer auch bei nur geringer Erhöhung des Drosselabflusses.

0

10

20

30

40

50

60

6 7 8 9 10

Ent

last

ungs

häuf

igke

it [n

/a]

RÜB Herschb.

RÜB 04 Erlenm.

RÜB KA

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

6 7 8 9 10

Ent

last

ungs

daue

r [h

/a]

RÜB Herschb.

RÜB 04 Erlenm.

RÜB KA

Abbildung 4-3: Entlastungshäufigkeit und –dauer an den relevanten RÜB (Wallhalben)

� Ereignisspezifische Auswirkungen Bedeutend für das Gewässer sind auch kurzfristige Belastungsspitzen. An den beiden Be-cken RÜB Kläranlage und RÜB Erlenmühle wurde zu jedem Entlastungsereignis der maxi-male Entlastungsabfluss und der maximale Entlastungsfrachtstrom des Ammoniums, ausge-drückt in mg/s, ermittelt. Die Belastungsspitzen wurden der Größe nach sortiert (die maxima-len 25 Werte sind dargestellt), um die Überschreitungshäufigkeiten für bestimmte Situationen bestimmen zu können.

Bei den Entlastungsabflüssen zeigt sich, dass insgesamt sehr niedrige Spitzenabflüsse an den betrachteten Becken resultieren. Dies ist v.a. auf das weitläufige Einzugsgebiet mit lan-gen Fließzeiten zurückzuführen. Weiterhin ist erkennbar, dass Belastungen bei Ereignissen, die zu kleinen Abflüssen führen, stark zurückgehen, während extrem große Entlastungsspit-zen nur geringfügig verringert werden können. Beim RÜB 04 zeigt sich, dass durch eine Er-

QS,aM+QF,aM QS,aM+QF,aM


höhung des Drosselabflusses von 8 auf 10 QS,aM+QF,aM keine deutlichen Verbesserungen mehr erzielt werden können. Auch die Veränderung des Drosselabflusses an allen Becken (Variante 8 QS+QF Vergleich) wirkt sich auf die Entlastungsspitzen am RÜB 04 nicht weiter postiv aus. Am netzabschließenden Becken RÜB KA ist der Unterschied zwischen 8 und 10 QS,aM+QF,aM dagegen sehr deutlich.

RÜB 04 Erlenmühle

0

50

100

150

200

250

300

350

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Überschreitungshäufigkeit

max

. Ent

last

ungs

abflu

ss [l

/s]

6 QS+QF

8 QS+QF

8 QS+QF Vergleich

10 QS+QF

RÜB KA

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25


max

. Ent

last

ungs

abflu

ss [l

/s]

6 QS+QF

8 QS+QF

10 QS+QF

Abbildung 4-4: Verminderung der Entlastungsabflussspitzen bei erhöhtem Drosselabfluss (Wallhal-

ben)

Die maximalen zeitbezogenen Entlastungsfrachten NH 4-N liegen beim RÜB 04 fast dop-pelt so hoch wie beim RÜB vor der Kläranlage. Die maximalen Frachtströme treten meist zu Beginn des Entlastungsereignisses auf. Sie werden bei größerem QM in stärkerem Maße verringert als die Entlastungsabflüsse. Hier zeigt sich, dass bei der Erhöhung der Abflüsse von 6 auf 8 QS,aM+QF,aM eine deutlichere Reduzierung der Frachtspitzen erreicht wird als bei einer nochmaligen Erhöhung von QDr auf 10 QS,aM+QF,aM.

RÜB 04 Erlenmühle

0

200

400

600

800

1.000

1.200

1.400

1.600

1.800

2.000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25


max

. Ent

last

ungs

frac

htst

rom

[mg/

s]

6 QS+QF

8 QS+QF

8 QS+QF Vergleich

10 QS+QF

RÜB KA

0

200

400

600

800

1.000

1.200

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25


max

. Ent

last

ungs

frac

htst

rom

[g/s

]

6 QS+QF

8 QS+QF

10 QS+QF

Abbildung 4-5: Verminderung der Frachtspitzen bei erhöhtem Drosselabfluss (Wallhalben)

Vergleich = alle Becken Drosselabfluss erhöht

Vergleich = alle Becken Drosselabfluss erhöht


Erhöhte Drosselabflüsse führen stets zu Verminderungen der hydraulischen wie auch stoffli-chen Spitzenbelastungen, da es während des Verlaufs eines Regenereignisses erst später zum Überlaufen der Becken kommt und damit weniger Wasser mit einer in der Regel gerin-geren Schmutzstoffkonzentration entlastet wird.

Beim Parameter BSB 5 wurden die Entlastungsfrachten je Ereignis bzgl. ihrer Überschrei-tungshäufigkeit ausgewertet. Es zeigt sich, dass bei dem maßgebenden RÜB 04 im Gegen-satz zu großen Entlastungsspitzen (s.o.) große spez. Frachten reduziert werden können. Hat eine emittierte Fracht von z.B. 100 kg BSB5/Ereignis am RÜB 04 beim IST-Zustand noch eine Überschreitungshäufigkeit von 5, verringert sich diese bei 8 QS,aM +QF auf 1 und bei 10 QS,aM +QF werden sogar während eines Ereignisses nur noch maximal 80 kg BSB5 ausgetra-gen.

Bezogen auf spez. BSB5-Frachten, die in das gesamte Gewässersystem emittiert werden, sind diese Verringerungen nicht ganz so ausgeprägt, aber noch immer sehr deutlich. Es macht bei beiden betrachteten Systemen auch keinen Unterschied, ob an allen Becken die Entlastungsabflüsse erhöht werden (Variante „Vergleich“) oder nur an drei Becken.

RÜB 04 Erlenmühle

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39


BS

B-F

rach

t [kg

/Ere

igni

s]

6 QS+QF

8 QS+QF

8 QS+QF Vergleich

10 QS+QF

Gesamtgebiet

0

100

200

300

400

500

600

700

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45


BS

B-F

rach

t [kg

/Ere

igni

s]

6 QS+QF

8 QS+QF

8 QS+QF Vergleich

10 QS+QF

Abbildung 4-6: Verminderung der ereignisspezifischen BSB5-Fracht bei erhöhtem Drosselabfluss

(Wallhalben)

4.2.3.3 Potenzial des Integrierten Betriebes aus Sicht Kanalnetz (Wallhalben)

Zusammenfassend kann gefolgert werden, dass sich erhöhte Drosselabflüsse aus Kanal-netz-Sicht in allen betrachteten Belastungsparametern positiv auf das Gewässer auswirken. Vor allem die Einflüsse der Entlastungsdauer, der maximalen zeitbezogenen Entlastungs-frachten des zur Beurteilung der Fischtoxizität herangezogenen Ammoniums sowie die er-eignisspezifischen Frachtausträge des BSB5 werden entscheidend reduziert. Insbesondere bei Becken und Überläufen die in empfindliche kleine Gewässer entlasten sollte die Entlas-tungstätigkeit verbessert werden.

Durch eine Verringerung der Beschickungshäufigkeit von Becken können weiterhin Betriebs-kosten z.b. für Wartung oder Beckenreinigung eingespart werden.


Solange die Kläranlage freie Kapazitäten hat, ist es sinnvoll Mischwasser auf der Kläranlage zu behandeln. Bei konventioneller Mischwasserbehandlung (Beckenvolumen, Regenüberläu-fe) werden nur bei wenigen Entlastungsereignissen Konzentrationen im Bereich von Kläran-lagenablaufkonzentrationen erreicht (am RÜB KA z.B. ist die mittlere Konzentration während eines Ereignisses nur 5 mal unter 40 mg CSB/l). Durch eine Erhöhung des Drosselabflusses an Becken werden weiterhin die mittleren Entlastungskonzentrationen verringert.

4.2.3.4 Bilanzierung Kläranlagenzufluss Wallhalben

Die Bilanzierung des Kläranlagenzuflusses bezieht sich ebenfalls nur auf den Untersu-chungszeitraum von März bis November.

Mit erhöhtem Bemessungszufluss zur Kläranlage erhöht sich der Anteil mitbehandeltes Re-genwasser. Gleichzeitig geht die Dauer der erhöhten Belastung zurück. Der Effekt der kürze-ren Mischwasserbeschickungszeit wirkt sich allerdings in Wallhalben nicht sehr deutlich aus, da nicht an allen Becken die Drosselabflüsse erhöht wurden. Da einige Becken also noch länger entleeren, bleibt die Mischwasserbeschickungszeit fast gleich lang, wenn der Dros-selabfluss erhöht wird. Als Vergleich ist die Auswirkung auf die Dauer der erhöhten Belas-tung für die Variante „an allen Becken Abfluss angepasst“ bei 8 QS,aM + QF,aM dargestellt. Hier erkennt man im Vergleich zum Ausgangszustand eine deutliche Verringerung der Mischwas-serbeschickungszeit der Kläranlage um ca. 130 h.

4.951 4.9695.083

4.969

465 477417

481

141

293 195392

899

229 24293

489 519

184

337

4.700

4.900

5.100

5.300

5.500

5.700

5.900

6.100

6.300

6.500

6 QS+QF 8 QS+QF 8 QS+QF Vergleich 10 QS+QF

Zei

t [h]

QT QT - 2 QS+QF 2 - 4 QS+QF 4 - 6 QS+QF 6 - 8 QS+QF 8 - 10 QS+QF

Abbildung 4-7: Belastungszeiten der Kläranlage Wallhaben im Bilanzierungszeitraum

Eine weitere Erkenntnis ist, dass der maximale Zufluss zur Kläranlage jeweils für relativ kur-ze Dauern erreicht wird. Wird bspw. QM auf 10 QS,aM + QF,aM erhöht, ist nur für 23 % der Mischwasserbeschickungsdauer der Zufluss größer als 8 QS,aM + QF,aM. Während Regenwet-ter bleibt der Abfluss die längste Zeit (65%) unter dem derzeitigen Bemessungszufluss. Eine erhöhte Belastung der Kläranlage bei Vergrößerung der Drosselabflüsse bleibt demnach auf kurze Zeitabschnitte beschränkt. Wie Abbildung 4-8 zeigt, ist der Anteil des Zuflussvolumens in diesen Zeiträumen allerdings sehr hoch.

1.505 1.488 1.373 1.488


468.064 469.726 480.592 469.726

53.587 52.482 45.636 53.070

25.82254.593 36.351

72.517

285.147

71.02076.149 26.185

206.359 218.110

71.023

175.379

400.000

450.000

500.000

550.000

600.000

650.000

700.000

750.000

800.000

850.000

900.000


Zuf

luss

[m³]


Abbildung 4-8: Zuflusssituation der Kläranlage Wallhaben im Bilanzierungszeitraum

Da bei erhöhtem Kläranlagenzufluss das ankommende Mischwasser verdünnter ankommt (s. Abbildung 4-9), erhöhen sich die Zuflussfrachten insgesamt nur leicht (Abbildung 4-10). Eine Erhöhung auf 10 QS,aM +QF,aM bewirkt lediglich eine Erhöhung der Zulauffrachten wäh-rend Mischwasserbeschickung um ca. 4 %.

492,7 492,7 492,2 492,7

425,4 426,6 419,8 426,6

365,9 361,1 364,9349,8

237,5

284,8 291,4 289,6

193,0 196,6

250,5

172,9

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500


CS

B-K

onze

ntra

tion

[mg/

l]


Abbildung 4-9: Konzentrationsverteilung im Zufluss der Kläranlage Wallhaben im Bilanzierungszeit-raum

384.454 376.246 398.174 364.556

274 266 259 260


230.607 231.412 236.568 231.412

22.797 22.39019.159

22.637

9.44819.711 13.263

25.367

67.725

20.22522.191 7.584

39.827 42.890

17.793

30.328

200.000

220.000

240.000

260.000

280.000

300.000

320.000

340.000


CS

B-F

rach

t [kg

]


Abbildung 4-10: Zulauffrachten der Kläranlage Wallhaben im Bilanzierungszeitraum

4.2.3.5 Abschätzung Gesamtfrachten aus Kanalnetz und Kläranlage Wallhalben

Zur Bestimmung der Gesamtfrachten aus Kanalnetz und Kläranlage innerhalb des Bilanzie-rungszeitraumes wurden die Kläranlagentagebücher bezüglich der Ablaufkonzentrationen und Frachten ausgewertet. Es wurden für die verschiedenen Zuflussstufen die entsprechen-den mittleren Ablaufkonzentrationen ermittelt und extrapoliert (s. Anhang, Kap. 9.6.1).

Die Kläranlagenablauffrachten für den betrachteten Zeitraum März bis November ergeben sich damit wie folgt:

Tabelle 4-14: Ermittlung der Kläranlagenablauffrachten Wallhalben

QM=6 QS,aM + QF,aM QM= 8 QS,aM + QF,aM QM= 10 QS,aM + QF,aM

Ablauf-konzent-

ration CSB

Zufluss Ablauf-fracht Zufluss Ablauf-

fracht Zufluss Ablauf-fracht

Stufe [mg/l] [m³] [kg] [m³] [kg] [m³] [kg]

QT 20,8 468.064 9.736 469.726 9.770 469.726 9.770

QT-2 20,8 53.587 1.114 52.482 1.092 53.070 1.104

2-4 20,0 25.822 516 54.593 1.092 72.517 1.450

4-6 25,0 285.147 7.129 71.020 1.775 26.185 655

6-8 27,2 206.359 5.613 71.023 1.932

8-10 29,5 175.379 5.174

Summe Regenwetter 8.760 9.872 10.314

Summe Gesamtzeitraum

18.495 19.342 20.085

102.154 97.502 103.709 99.970


Eine graphische Auftragung der Frachten ermöglicht die Ermittlung eines optimalen Kläran-lagenzuflusses anhand der CSB-Frachten (Abbildung 4-11). Die Kläranlagenablauffrachten für 7 und 9 QS,aM +QF,aM wurden linear interpoliert.

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

6 7 8 9 10 QS,aM+QF,aM

jähr

liche

Fra

chte

n C

SB

[kg]

97,5

98

98,5

99

99,5

100

100,5

101 [%]

Entlastungsfracht KN Ablauffracht KAAblauffracht KA w. MW GesamtfrachtGesamtfracht w. MW proz. Gesamtfracht

optimaler Bereich

Abbildung 4-11: Ermittlung des optimalen Kläranlagenzuflusses Wallhalben

Für Wallhalben würde sich nach dieser vereinfachten Jahresbilanz bezogen auf den Para-meter CSB ein „optimaler“ Kläranlagenzufluss zwischen 7,3 und 8,2 QS,aM + QF,aM, also rund 110 – 125 l/s ergeben.

Es zeigt sich, dass sich bezogen auf den Gesamtbilanzzeitraum die ins Gewässer gelangen-de CSB-Fracht jedoch nur um ca. 2 % verringert. Betrachtet man nur den Regenwetterzeit-raum, wären es 2,5 %. Angesichts dieses sehr geringen Verbesserungspotenzials bei den Gesamtfrachten des CSB ist ein integrierter Betrieb nur sinnvoll, wenn in anderen Breichen entscheidende Verbesserungen erzielt werden. Im Kanalnetz sind diese v.a. durch die Ver-ringerung der Entlastungshäufigkeit und -dauer zu sehen (s.o.). Spitzenbelastungen aus Mischwasserüberläufen können vermindert werden und insgesamt werden die emittierten Konzentrationen geringer. Durch eine geringere Beschickungshäufigkeit von Regenbecken werden die Betriebskosten für die Mischwasserbehandlung geringer.

Zusammenfassend zeigt sich, dass durch einen integrierten Betrieb in Wallhalben durchaus positive Effekte sowohl bezogen auf die Emissionen in die Gewässer als auch durch die Ein-sparung von Betriebskosten im Kanalnetz entstehen.


4.2.4 Referenzobjekt Zweibrücken


Die Abflusssituation der Regenüberlaufbecken in Zweibrücken und den angeschlossenen Gemeinden zeigt derzeit einen sehr stark variierenden Faktor fS,QM an den verschiedenen Becken. Der Faktor reicht von 4 am RÜB 20 Am Kloster bis zu 26 beim RÜB 04 Goetheplatz. Auch mehrere Regenüberläufe im Entwässerungssystem sind nicht nach den derzeitig gülti-gen Vorgaben gedrosselt. Im Stadtteil ZW-Bubenhausen sind drei RÜ „in Reihe“ geschaltet, wobei das unterhalb liegende Bauwerk einen geringeren Drosselabfluss als das oberhalb liegende aufweist.

Aufgrund dieses „unangepassten“ Ausgangszustandes wurde ein Vergleichzustand mit ei-nem Drosselabfluss von 6 QS,aM + QF,aM an allen Becken berechnet. Die Situation an Regen-überläufen wurde nicht verändert. Vergleichend für ein QM von 6 und 8 QS,aM + QF,aM wurden Entlastungsvolumen und –frachten (CSB) ausgewertet.

Qe [m³/a] bei Erhöhung Q M SF,e,CSB [kg/a] bei Erhöhung Q M

0

200.000

400.000

600.000

800.000

1.000.000

6 QS+QF 8 QS+QF(RÜB KA erhöht)

8 QS+QF(4 RÜB erhöht)

IST-Zustand

Vergleichszustand

0

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

70.000

80.000

90.000

100.000

6 QS+QF 8 QS+QF(RÜB KA erhöht)

8 QS+QF(4 RÜB erhöht)

IST-Zustand

Vergleichszustand

Abbildung 4-12: Vergleich IST-Zustand und angepasster Ausgangszustand

Es zeigt sich, dass der Vergleichs-Ausgangszustand keine nennenswert besseren Ergebnis-se liefert als der reale IST-Zustand. V.a. bei einer Erhöhung der Drosselabflüsse (am RÜB KA bzw. an den maßgebenden 4 Becken) sind die Ergebnisse ausgehend von einem ange-passten Zustand schlechter. Für die folgenden Betrachtungen wurden deshalb ausgehend vom realen IST-Zustand die Drosselabflüsse erhöht.

Die Entlastungskennwerte für das Gesamtsystem mit den derzeitigen realen Drosselabflüs-sen sind in Tabelle 4-15 zusammengestellt.


Tabelle 4-15: Bilanzwerte der Langzeitsimulation IST-Zustand Zweibrücken

Bilanzwerte Niederschlagsabfluss Jahresniederschlagshöhe (s. Abschnitt 4.2.1.3) 657 mm Jahresniederschlagsvolumen (Gesamtfläche) 6.815.245 m3 Abflusswirksamer Niederschlag (Niederschlagsabflusssumme) 2.050.018 m3 Abflussbeiwert bezogen auf befestigte Flächen 77,0 %


Niederschlagsabflusssumme (100 %-Bezugswert) 2.050.018 m3 Spezifische Niederschlagsabflusssumme (pro ha AE,b) 5.058 m3/ha Entlastungsabflusssumme im Gesamtsystem 1.064.972 m3 Spezifische Entlastungsabflusssumme (pro ha AE,b) 2.628 m3/ha Entlastungsabflussrate im Gesamtsystem 51,9 % Anteil Trockenwetterabfluss an Entlastungsabflusssumme 64.327 m³ Mischverhältnis m (Gesamtsystem) 15,6






Die spezifischen Entlastungskennwerte liegen hier in der gleichen Größenordnung wie in Wallhalben. Die Entlastungsrate stellt mit e = 52 % allerdings einen relativ hohen Wert dar, die Verteilung von Entlastungsvolumen- und fracht auf Regenüberluäfe und Becken ist in Tabelle 4-16 zusammengefasst.

Tabelle 4-16: Aufteilung von Entlastungsvolumen und –fracht auf RÜ und RÜB

Entlastungs-volumen






Gesamt 1.064.970 82.232 76,6

Der Anteil der Entlastungen an Regenüberläufen bei Volumen und CSB-Fracht liegt mit je 14 % bei einem typischen Wert. Entlastungsschwerpunkt im Einzugsgebiet Zweibrücken bildet das Regenüberlaufbecken vor der Kläranlage. Hier werden 48 % des gesamten Ent-lastungsvolumens und der Entlastungsfracht des CSB abgeschlagen. Weitere wichtige Ent-lastungsstellen sind in Tabelle 4-17 mit ihren Kennwerten zusammengestellt. Die Anteile an den Entlastungsmengen betragen bei den weiteren Becken nur noch maximal je 6 % an den gesamten Emissionen. Aufgrund der „unangepassten“ Drosselung sind die Becken in Zwei-brücken sehr ungleichmäßig ausgelastet.


Tabelle 4-17: Entlastungsschwerpunkte im Einzugsgebiet Zweibrücken

Entlastungs-volumen



Entlas-tungsereig.

Entlas-tungsdauer


RÜB Kläranlage 505.558 47,5 % 38.993 47,4 % 76,5 52 272,1

RÜB 11 Bleicherstr. 60.723 5,7 % 3.962 4,8 % 65,0 33 66,7

RÜB 08 Holzgarten 48.639 4,6 % 2.952 3,6 % 60,2 39 87,6

RÜB 20 Am Kloster 45.158 4,2 % 4.782 5,8 % 104,8 54 165,2

RÜB 13 Ackerweg 34.701 3,3 % 2.322 2,8 % 66,6 35 64,6

SKO 36 Käshofen 30.749 2,9 % 3.310 4,0 % 107,2 65 169,0

Eine Erhöhung von Drosselabflüssen an Regenüberlaufbecken und eine damit einhergehen-de Verringerung der entlasteten Frachten kann hier entscheidend zur Verbesserung der Si-tuation beitragen.

4.2.4.2 Erhöhung der Drosselabflüsse

� Gesamtentlastungsvolumen und –frachten Kanalnetz Auch in diesem Netz wurden zunächst die Unterschiede einer Anpassung der Drosselabflüs-se einerseits nur am netzabschließenden Bauwerk, andererseits bei den maßgebenden bzw. „handlungsbedürftigen“ 4 Becken und weiterhin bei allen Becken, an denen der Drosselab-fluss noch in Hinsicht auf den momentanen fS,QM-Wert noch erhöht werden „durfte“, unter-sucht. Als maßgebende 4 Becken wurden hier das RÜB 20 am Kloster, der SKO 36 in Käs-hofen, das RÜB 30 Oberauerbach und das netzabschließenden Becken auf der Kläranlage ausgewählt. Bei RÜB 30 ist der Drosselabfluss derzeit bei 8 QS,aM + QF,aM eingestellt. Die Abflüsse wurden hier erst ab „Stufe 9“ erhöht.

Schon bei einer Erhöhung der Drosselabflüsse um nur 13 % (7 QS,aM + QF,aM) kann die CSB-Jahresentlastungsfracht bereits um 10 % verbessert werden, die NH4-N Jahresfracht sogar um 12% (s. Abbildung 4-13 auf der folgenden Seite).

Im Gegensatz zur Situation in Wallhalben, kann hier kein signifikanter Einfluss der Anzahl der Becken an denen die Abflüsse verändert wurden, festgestellt werden. Es zeigt sich so-gar, dass beim Entlastungsvolumen bis zu einem Abfluss von 8 QS,aM + QF,aM schlechtere Ergebnisse erzielt werden, wenn an mehreren Becken die Abflüsse geändert werden. Bei den entlasteten Frachten werden jedoch die Werte besser, wenn an mehreren Becken die Abflüsse erhöht werden. Auch bei diesem Entwässerungsnetz werden die Entlastungsfrach-ten beim NH4-N am meisten vermindert. Insgesamt werden die Entlastungsfrachten bei den betrachteten Stoffen etwas deutlicher reduziert als im Einzugsgebiet Wallhalben.

Für die nachfolgenden Betrachtungen wurde aufgrund der geringeren emittierten Frachten bei höheren Drosselabflüssen von einer Drosselabflusserhöhung an den 4 maßgebenden Becken ausgegangen. Dies erscheint sinnvoll, da v.a. am Becken SKO 36 und RÜB 20 eine hohe Entlastungshäufigkeit und -fracht auftritt.


Veränderung VQ e bei Erhöhung Q M Veränderung SF e,CSB bei Erhöhung Q M

60

65

70

75

80

85

90

95

100

7 8 9 10 QS+QF


Q,Dr 4 RÜB erhöht

Q,Dr alle* RÜB erhöht

7 8 9 10 QS+QF


Q,Dr 4 RÜB erhöht


Veränderung SF e,NH4-N bei Erhöhung Q M Veränderung SF e,AFS bei Erhöhung Q M

60

65

70

75

80

85

90

95

100

7 8 9 10 QS+QF


Q,Dr 4 RÜB erhöht


7 8 9 10 QS+QF


Q,Dr 4 RÜB erhöht


Abbildung 4-13: Gesamtentlastungsvolumen und Frachten bei erhöhten Drosselabflüssen im Vergleich zum IST-Zustand

Die spezifischen Entlastungskennwerte verhalten sich bei der Erhöhung der Drosselabflüsse (dargestellt nur für Variante „4 Becken“) wie folgt (s. Tabelle 4-18).

Tabelle 4-18: spezifische Entlastungskennwerte Zweibrücken




[m³/ha] [%] [kg/ha]

6 2.628 51,9 203

7 2.465 48,7 185

8 2.325 46,0 170

9 2.200 43,5 157

10 2.093 41,4 146

Hier zeigen sich auch bei Abflüssen von mehr als 9 QS,aM +QF,aM hinaus noch deutlichere Verbesserungen als im Fall des Referenzgebietes Wallhalben.



%

%

* alle = Becken, die QDr unter jeweiligem QS,aM+QF,aM aufweisen


� Entlastungsdauern und –häufigkeiten Betrachtet wurden hier die 4 Becken, an denen auch die Drosselabflüsse geändert wurden (s. Abbildung 4-14). Beim Becken 30 steigt zunächst die Häufigkeit und –dauer leicht an, da am oberhalb liegenden SKO 36 die Drosselabflüsse bei 7 und 8 QS,aM+QF,aM erhöht werden und am RÜB 30 erst ab 9 QS,aM+QF,aM weiter erhöht werden.

Ab einem Kläranlagenzufluss von 8 QS,aM+QF,aM sind an den meisten Becken keine deutli-chen Verbesserungen bei der Entlastungshäufigkeit mehr festzustellen. Die Entlastungsdau-er verbessert sich allerdings weiterhin. Sie kann am maßgebenden RÜB KA um mehr als 20 h pro „Stufe“ verringert werden.

0

10

20

30

40

50

60

70

6 7 8 9 10

Ent

last

ungs

häuf

igke

it [n

/a]

RÜB 20 Am Kloster

RÜB 30 Obera.

SKO 36 Käshofen

RÜB KA

0

50

100

150

200

250

300

6 7 8 9 10

Ent

last

ungs

daue

r [h

/a]

RÜB 20 Am Kloster

RÜB 30 Obera.

SKO 36 Käshofen

RÜB KA

Abbildung 4-14: Entlastungshäufigkeit und –dauer an den relevanten RÜB (Zweibrücken)

� Ereignisspezifische Auswirkungen Bei den maximalen Entlastungsabflüssen, dargestellt für das RÜB Kläranlage und das RÜB 20, zeigt sich, dass sehr hohe Spitzenabflüsse über 2.400 bzw. 4.000 l/s an den betrachte-ten Becken resultieren können. Große Entlastungsabflussspitzen können durch Vergröße-rung des Drosselabflusses erwartungsgemäß nur wenig reduziert werden. Maximalabflüsse unter 1.500 l/s beim RÜB KA werden jedoch in hohem Maße abgeschwächt. Beim RÜB 20 werden erst Abflüsse unter 400 l/s deutlich verringert. Auch hier zeigt sich, dass durch eine Erhöhung des Drosselabflusses von 8 auf 10 QS,aM+QF,aM keine sehr deutlichen Verbesse-rungen mehr erzielt werden können.



RÜB 20 Am Kloster

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29


max

. Ent

last

ungs

abflu

ss [l

/s]

6 QS+QF

10 QS+QF

2.467 2.429 RÜB KA

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35

Überschreitungshäufigkeitm

ax. E

ntla

stun

gsab

fluss

[l/s

]

6 QS+QF

8 QS+QF

10 QS+QF

Abbildung 4-15: Verminderung der Entlastungsabflussspitzen bei erhöhtem Drosselabfluss (Zweibrü-

cken)

Die maximalen zeitbezogenen Entlastungsfrachten für NH 4-N liegen beim netzabschlie-ßenden RÜB mehr als vier Mal höher als beim RÜB 20. Sie werden beim RÜB KA bei größe-rem QM in stärkerem Maße verringert als die Entlastungsabflüsse. Allerdings zeigen sich im mittleren Bereich nur geringe Verbesserungen.

RÜB 20 Am Kloster

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29


max

. Ent

last

ungs

frac

htst

rom

[g/s

]

6 QS+QF

10 QS+QF

RÜB KA

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

9.000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35


max

. Ent

last

ungs

frac

htst

rom

[g/s

]

6 QS+QF

8 QS+QF

10 QS+QF

Abbildung 4-16: Verminderung der max. Frachtströme NH4-N bei erhöhtem Drosselabfluss (ZW)

Die BSB 5-Entlastungsfrachten je Ereignis wurden für die beiden Becken bzgl. ihrer Über-schreitungshäufigkeit ausgewertet. Ein „verbesserter“ Ausgangszustand hätte bei beiden Becken sehr positive Auswirkungen; beim RÜB KA wäre das Ergebnis fast so gut wie bei einer Drosselabflusserhöhung auf fs,QM = 8. Insgesamt ist die Reduzierung der Überschrei-tungshäufigkeit bestimmter Frachten sehr deutlich. Bei RÜB 20 ist die Verbesserung der Werte von fs,QM = 8 auf 10 nicht mehr sehr ausgeprägt.


RÜB 20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53


BS

B-F

rach

t [kg

/Ere

igni

s]

6 QS+QF

6 QS+QF Vergleich

8 QS+QF

10 QS+QF

RÜB KA

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49

ÜberschreitungshäufigkeitB

SB

-Fra

cht [

kg/E

reig

nis]

6 QS+QF

6 QS+QF Vergleich

8 QS+QF

10 QS+QF

Abbildung 4-17: Verminderung der ereignisspezifischen BSB5-Fracht bei erhöhtem Drosselabfluss

(Zweibrücken)

4.2.4.3 Potenzial des Integrierten Betriebes aus Sicht Kanalnetz (Zweibrücken)

Für das Entwässerungsnetz Zweibrücken bringt eine Erhöhung des Kläranlagenzuflusses ganz entscheidende Vorteile. Die Entlastungssituation kann in allen betrachteten Bereichen deutlich verbessert werden. V.a. vor dem Hintergrund, dass derzeit Handlungsbedarf bei der Mischwasserbehandlung besteht, weist ein integrierter Betrieb ein erhebliches Potenzial zur Verbesserung der Entlastungssituation auf. Wird nur am letzten Becken auf der Kläranlage der Drosselabfluss erhöht, kann die entlasteten CSB-Fracht bei einer Erhöhung auf fs,QM = 7 schon um 9 %, bei fs,QM = 8 bereits um 16 % reduziert werden.

4.2.4.4 Bilanzierung Kläranlagenzufluss

In Zweibrücken zeigt sich keine Verkürzung der Mischwasserbeschickungszeit der Kläranla-ge, da nur an wenigen Becken die Drosselabflüsse erhöht wurden, und bei den meisten Be-cken die Entleerungszeit unverändert bleibt. Es zeigt sich allerdings wie in Wallhalben, dass die Höherbelastung im Vergleich zum IST-Zustand einen relativ kurzen Zeitraum in Anspruch nimmt.


4.645 4.680 4.645 4.645

917 777989 1.019

87 244

158199

782 731589

455

5061

53

4.500

4.750

5.000

5.250

5.500

5.750

6.000

6.250

6.500

6 QS+QF 6 QS+QF Vergleich 8 QS+QF 10 QS+QF

Zei

t [h]


Abbildung 4-18: Belastungszeiten der Kläranlage Zweibrücken im Bilanzierungszeitraum

Durch die größere Verringerung des Entlastungsvolumens im Vergleich zu Wallhalben er-höht sich logischerweise auch das Mischwasserzuflussvolumen zur Kläranlage deutlicher (s. Abbildung 4-19). Es zeigt sich, dass ein „verbesserter Ausgangszustand“ (Vergleich) nur geringfügige Auswirkungen auf die Kläranlagen-Zuflusssituation hätte, der Zufluss bleibt al-lerdings länger unter 4 QS,aM +QF,aM.

2.725.109 2.745.648 2.725.109 2.725.109

574.446 518.686 624.888 646.547

235.227 157.893 198.973

1.370.425 1.276.673

92.029

1.301.913

104.388

1.214.438

89.359

75.980

2.000.000

2.500.000

3.000.000

3.500.000

4.000.000

4.500.000

5.000.000


Zuf

luss

[m³]


Abbildung 4-19: Zuflusssituation der Kläranlage Zweibrücken im Bilanzierungszeitraum

1.787 1.752 1.787 1.787

2.030.568 2.160.675 2.256.376 2.034230


In Zweibrücken ist eine sehr geringe Konzentration im Mischwasserabfluss in der jeweiligen „höchsten Stufe“ zu erkennen (s. Abbildung 4-20). Dennoch erhöhen sich die Zulauffrachten während Mischwasserzufluss etwas stärker als in Wallhalben. Bis zu 10 QS,aM +QF,aM aller-dings auch nur um ca. 5,5 % (s. Abbildung 4-21).

398,1386,2 395,4 393,2

351,6335,7

323,7313,2

211,0 203,8

296,9282,8

186,1

266,3

169,6

423,9423,9423,9423,9

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450


CS

B-K

onze

ntra

tion

[mg/

l]


Abbildung 4-20: Konzentrationsverteilung im Zufluss der Kläranlage Zweibrücken im Bilanzierungs-zeitraum

1.155.192 1.163.880 1.155.192 1.155.192

228.715 200.316 247.106 254.194

31.417 78.96651.116 62.312

289.164 260.186

22.55626.022

242.332

27.800

206.021

1.000.000

1.100.000

1.200.000

1.300.000

1.400.000

1.500.000

1.600.000

1.700.000

1.800.000


CS

B-F

rach

t [kg

]


Abbildung 4-21: Zulauffrachten der Kläranlage Zweibrücken im Bilanzierungszeitraum

270 266 261 255

549.295 539.468 563.111 576.350


4.2.4.5 Abschätzung Gesamtfrachten aus Kanalnetz und Kläranlage Zweibrücken

Aus der Ermittlung der Ablaufkonzentrationen der Kläranlage für die die verschiedenen Zu-flussstufen (s. Anhang, Kap. 9.6.1) folgen die in Tabelle 4-19 ermittelten Kläranlagenablauf-frachten im Bilanzierungszeitraum.

Tabelle 4-19: Ermittlung der Kläranlagenablauffrachten Zweibrücken

QM=6 QS,aM + QF,aM QM= 8 QS,aM + QF,aM QM= 10 QS,aM + QF,aM

Ablauf-konzent-

ration CSB

Zufluss Ablauf-fracht Zufluss Ablauf-

fracht Zufluss Ablauf-fracht

Stufe [mg/l] [m³] [kg] [m³] [kg] [m³] [kg]

QT 32,0 2.725.109 87.203 2.725.109 87.203 2.725.109 87.203

QT-2 31,0 574.446 17.808 624.888 19.372 646.547 20.043

2-4 29,0 89.359 2.591 157.893 4.579 198.973 5.770

4-6 34,0 1.370.425 46.594 75.980 2.583 92.029 3.129

6-8 35,1 1.301.913 45.697 104.388 3.664

8-10 36,0 1.214.438 43.720

Summe Regenwetter 66.994 72.231 76.326

Summe Gesamtzeitraum

154.197 159.434 163.529

Die graphische Darstellung dieser Sachverhalte findet sich in Abbildung 4-21. Die Kläranla-genablauffrachten für 7 und 9 QS,aM +QF,aM wurden linear interpoliert.

25.000

75.000

125.000

175.000

225.000

275.000

6 7 8 9 10 QS,aM+QF,aM

jähr

liche

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


Abbildung 4-22: Ermittlung des optimalen Kläranlagenzuflusses Zweibrücken

Für das Entwässerungssystem Zweibrücken können die Gesamtfrachten aus Regenentlas-tungen und Kläranlagenablauf in deutlicherem Maße reduziert werden als in Wallhalben. Bei einer Erhöhung des Kläranlagenzuflusses auf 10 QS,aM+QF,aM kann die Gesamtemission an CSB während Regenwetter um ca. 9 % verringert werden.

Im betrachteten Bereich gibt es allerdings kein Minimum an Gesamtfrachten, weshalb die hydraulische Kapazität der Kläranlage die Begrenzung des Zuflusses darstellt. Diese ist auf ca. 600 l/s beschränkt, was etwa einem Zufluss von 8 QS,aM+QF,aM entspricht. Bei diesem QM ist eine Verringerung der CSB-Gesamtfrachten im Bilanzierungszeitraum von 3,5 % möglich, bezogen auf die Regenwetterzeit von rund 5 %. Auch dieses Verbesserungspotenzial bei den Gesamtfrachten ist nicht sehr deutlich, allerdings erscheint ein integrierter Betrieb in Zweibrücken aufgrund der Handlungsnotwenigkeit im Bereich des Kanalnetzes in jedem Fall sinnvoll. Um durch Speichervolumen im Kanalnetz die gleiche Reduktion der emittierten Frachten zu erreichen, wäre ein erhebliches zusätzliches Beckenvolumen erforderlich.


4.2.5 Referenzobjekt Edenkoben


Die Entlastungskennwerte für das Gesamtsystem mit den derzeitigen Drosselabflüssen sind in Tabelle 4-20 zusammengestellt.

Tabelle 4-20: Bilanzwerte der Langzeitsimulation IST-Zustand Edenkoben

Bilanzwerte Niederschlagsabfluss Jahresniederschlagshöhe (s. Abschnitt 4.2.1.3) 419 mm Jahresniederschlagsvolumen (Gesamtfläche) 458.596 m3 Abflusswirksamer Niederschlag (Niederschlagsabflusssumme) 147.506 m3 Abflussbeiwert bezogen auf befestigte Flächen 62,8 %


Niederschlagsabflusssumme (100 %-Bezugswert) 458.596 m3 Spezifische Niederschlagsabflusssumme (pro ha AE,b) 2.627 m3/ha Entlastungsabflusssumme im Gesamtsystem 147.506 m3 Spezifische Entlastungsabflusssumme (pro ha AE,b) 845 m3/ha Entlastungsabflussrate im Gesamtsystem 32,2 % Anteil Trockenwetterabfluss an Entlastungsabflusssumme 3.024 m³ Mischverhältnis m (Gesamtsystem) 47,8






Während des Kampagnezeitraumes, in dieser Bilanz also von September bis November werden 13 % des Entlastungsvolumens abgeschlagen. Allerdings liegt der Anteil an der CSB-Fracht in diesem Zeitraum mit 2.979 kg bei 25 %.

Die spezifischen Entlastungskennwerte sind hier mit einer Entlastungsrate von 32 % und einem Frachtaustrag von 69 kg CSB/ha vergleichsweise sehr niedrig, was vor allem auf die hohen Drosselabflüsse an den Regenüberlaufbecken zurückzuführen ist. Die Verteilung von Entlastungsvolumen- und fracht auf Regenüberläufe und Becken ist in Tabelle 4-21zusammengefasst.

Tabelle 4-21: Aufteilung Entlastungsvolumen und –fracht auf RÜ und RÜB

Entlastungs-volumen






Gesamt 147.504 12.121 82,2


Der Anteil der Entlastungen an Regenüberläufen bei Volumen und CSB-Fracht liegt mit je 11 % bei einem typischen Wert. Der Entlastungsschwerpunkt im Einzugsgebiet der Kläranla-ge Edenkoben stellt das RÜB in Edenkoben dar (s. Tabelle 4-22). Hier sind 44 % des Ein-zugsgebietes angeschlossen. Die Anteile an den Entlastungsmengen sind bei den weiteren Becken etwa entsprechend den angeschlossenen Flächen verteilt. Das RÜB in Rhodt hat derzeit einen vergleichsweise hohen Abfluss (fS,QM = 39), wodurch die sehr geringe Entlas-tungshäufigkeit und –dauer resultiert.

Tabelle 4-22: Entlastungsschwerpunkte im Einzugsgebiet Edenkoben

Entlastungs-volumen



Entlas-tungsereig.

Entlas-tungsdauer


RÜB Edenkoben 72.502 49,2 % 7.149 59,0 % 98,6 28 45,7

RÜB Edesheim 27.551 18,7 % 1.966 16,2% 71,4 25 38,6

RÜB Rhodt 7.433 5,0% 396 3,0 % 49,6 8 8,6

RÜB Roschbach 6.441 4,4 % 314 2,6 % 48,8 12 17,0

RÜB Burrweiler 5.114 3,5 % 325 2,7 % 63,6 14 13,8

4.2.5.2 Verringerung der Drosselabflüsse

Im Fall der Referenzanlage Edenkoben wurde aus o. g. Gründen zur Entlastung der Kläran-lage eine Verminderung der Drosselabflüsse an Regenüberlaufbecken untersucht. Da alle Becken parallel geschaltet sind, ist es angezeigt, gleichzeitig an allen Becken den Drossel-abfluss zu verringern, um den Kläranlagenzufluss auf den gewünschten Wert zu drosseln. Eine Verringerung der Drosselabflüsse sollte technisch und hydraulisch machbar sein. Es wurden die Stufen 14, 12 und 10 QS,aM + QF,aM betrachtet. Ein QM von 10 QS,aM+QF,aM ent-spricht einem Zufluss von 260 l/s (im Vergleich zu derzeit 416 l/s). Logischerweise wird sich hier die Gesamtentlastungsfracht aus dem Kanalnetz im Vergleich zum Ausgangszustand erhöhen. Durch eine gleichzeitige Verringerung der Kläranlagenablauffrachten im Bilanzie-rungszeitraum kann allerdings evtl. wasserwirtschaftlich eine Verbesserung erreicht werden.

V.a. während des Kampagnebetriebs sollte eine Entlastung der KA durch eine Reduzierung der hydraulischen Belastung stattfinden. Die Untersuchung wurde jeweils für die Zeiträume außerhalb und während der Kampagne getrennt ausgewertet, sodass auch eine Ermittlung der Frachten für verschiedene Ansätze des Drosselabfluss während und außerhalb der Kampagne möglich bleibt.

� Gesamtentlastungsvolumen und –frachten Kanalnetz Die Gesamtentlastungsvolumina bzw. –frachten für die Stoffe CSB, NH4-N und AFS sind in Abbildung 4-23 dargestellt. Beim Parameter AFS wurde aufgrund fehlender Messwerte die Konzentration im Trockenwetterabfluss bei Kampagnebetrieb nicht erhöht. Beim Ammonium wurden die Konzentrationen zwar erhöht, der Kampagneeinfluss ist allerdings nicht erkenn-bar. Deshalb ist nur beim CSB der Anteil der Entlastungsfrachten während der Kampagne gekennzeichnet. Dieser macht einen deutlichen Anteil aus, der auch bei Erhöhung der Dros-selabflüsse relativ gleich bleibt.


Veränderung VQ e bei Änderung Q M Veränderung SF e,CSB bei Änderung Q M

0

20

40

60

80

100

120

140

10 12 14 16,8 QS +QF 10 12 14 16,8 QS +QF

außerhalb Kampagne

während Kampagne

Veränderung SF e,NH4-N bei Änderung Q M Veränderung SF e,AFS bei Änderung Q M

0

20

40

60

80

100

120

140

10 12 14 16,8 QS +QF 10 12 14 16,8 QS +QF

Abbildung 4-23: Gesamtentlastungsvolumen und –frachten bei geändertem QM (Edenkoben)

Beim Entlastungsvolumen stellen sich im Vergleich zum derzeitigen Zustand pro Stufe ca. 5 % „Verschlechterung“ ein. Ein Abfluss von 10 QS,aM+QF,aM (260 l/s) stellt allerdings eine Reduzierung auf 60 % des derzeitigen Kläranlagenzuflusses von 416 l/s dar. Beim CSB er-gibt sich eine Verringerung um ca. 10 % pro betrachteter Stufe. Der während der Kampagne ausgetragene Frachtanteil beträgt im IST-Zustand 2.379 kg und würde sich bei einer Erhö-hung der Drosselabflüsse auf fS,QM = 10 auf 3.238 kg erhöhen. Auch in Edenkoben sind beim Ammonium die größte Auswirkungen zu erkennen.

Die spezifischen Entlastungskennwerte verhalten sich bei der Veränderung der Drosselab-flüsse entsprechend Tabelle 4-23.

Tabelle 4-23: spezifische Entlastungskennwerte




[m³/ha] [%] [kg/ha]

10 1.031 39,3 92,3

12 975 37,1 84,7

14 923 35,1 78,0

16,8 845 32,2 69,4



%

%


� Entlastungsdauern und –häufigkeiten Betrachtet wurden hier die 4 Becken, die die größten Anteile an Entlastungsvolumen und -fracht zeigen. Insgesamt zeigen sich nur geringe Änderungen bei Entlastungshäufigkeit und -dauer. Der „Knick“ beim RÜB Rhodt entsteht, da es im derzeitigen Zustand, der in der Ab-bildung mit 16,8 QS,aM+QF,aM bezeichnet ist, ein fS,QM = 39 aufweist. Beim RÜB in Edenkoben ergeben sich die deutlichsten Veränderungen bei der Entlastungshäufigkeit, allerdings be-trägt der Unterschied zwischen fS,QM = 10 und 16,8 auch nur 24 %.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

10 12 14 16,8

Ent

last

ungs

häuf

igke

it [n

/a]

RÜB Edes

RÜB Eden

RÜB Rosch

RÜB Rhodt

0

10

20

30

40

50

60

70

10 12 14 16,8QS+QF

Ent

last

ungs

daue

r [h

/a]

RÜB Edes

RÜB Eden

RÜB Rosch

RÜB Rhodt

Abbildung 4-24: Entlastungshäufigkeit und –dauer an den relevanten RÜB (Edenkoben)

� Ereignisspezifische Auswirkungen Die Veränderungen bei den Entlastungsspitzen wurden für das Einzugsgebiet Edenkoben nicht ausgewertet, da keine neuen Erkenntnisse erwartet werden. Im Einzugsgebiet sind aufgrund des flachen Gefälles und relativ langer Fließzeiten bis zum jeweiligen Becken die Abflussspitzen abgeflacht.

Die BSB 5-Entlastungsfrachten je Ereignis (s. Abbildung 4-25) ist für die vier oben betrachte-ten Becken ausgewertet. Weiterhin ist gekennzeichnet, welche Frachten aus dem Kampagne-zeitraum resultieren. Bezogen auf das RÜB in Edenkoben sind die Änderungen nicht sehr deut-lich. Allerdings würden sich die während der Kampagne ausgetragenen Frachten zwischen 50 und 100 kg im derzeitigen Zustand um bis zu 30 % erhöhen, wenn das Becken auf 10 QS,aM+QF,aM gedrosselt würde. Die Überschreitungshäufigkeit von 100 kg/Ereignis würde sich dann jedoch nur von 13 auf 16 erhöhen.

Bezogen auf das Gesamtsystem ist die „Verschlechterung“ der Häufigkeiten von Frachten über 300 kg/Ereignis allerdings sehr deutlich. Auch beim RÜB in Edesheim zeigen sich bei 10 QS,aM+QF,aM deutliche Erhöhungen der Überschreitungshäufigkeiten.



Gesamtgebiet

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1 5 9 13 17 21 25 29


BS

B-F

rach

t [kg

/Ere

igni

s]

10 QS+QF

14 QS+QF

16,8 QS+QF

während Kamp.

RÜB Rodth

0

20

40

60

80

100

120

1 3 5 7 9 11 13 15 17


BS

B-F

rach

t [kg

/Ere

igni

s]

10 QS+QF

14 QS+QF

16,8 QS+QF

während Kamp.

RÜB Edesheim

0

20

40

60

80

100

120

140

1 5 9 13 17 21 25 29 33


BS

B-F

rach

t [kg

/Ere

igni

s]

10 QS+QF

14 QS+QF

16,8 QS+QF

während Kamp.

RÜB Edenkoben

0

50

100

150

200

250

300

350

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37


BS

B-F

rach

t [kg

/Ere

igni

s]

10 QS+QF

14 QS+QF

16,8 QS+QF

während Kamp.

Abbildung 4-25: Verminderung der ereignisspezifischen BSB5-Fracht bei verändertem Drosselab-fluss (Edenkoben)

4.2.5.3 Potenzial des Integrierten Betriebes aus Sicht Kanalnetz (Edenkoben)

Da eine Verringerung des Drosselabflusses betrachtet wurde, bei der sich die Entlastungs-werte verschlechtern, kann ohne die Auswirkungen auf das Gesamtsystem Kanalnetz und Kläranlage keine abschließende Aussage getroffen werden. Insgesamt kann festgehalten werden, dass die „negativen“ Auswirkungen aufgrund verminderter Drosselabflüsse in Eden-koben v.a. aufgrund der geringen Niederschlagshöhe und der mit 10 QS,aM+QF,aM betrachte-ten niedrigsten Zuflussstufe immer noch hohen resultierenden Drosselabflüssen, nicht sehr gravierend sind. Im Einzugsgebiet der Kläranlage Edenkoben sollte die jeweilige Gewässer-situation ausschlaggebend dafür sein, ob an den einzelnen Becken eine Veränderung von Abflüssen sinnvoll erscheint oder nicht.


4.2.5.4 Bilanzierung Kläranlagenzufluss Edenkoben

Die Mischwasserbeschickungszeit der Kläranlage Edenkoben ändert sich bei der Verringe-rung des Zuflusses auf 14 QS,aM+QF,aM nur unwesentlich. Erst für 10 und 12 QS,aM+QF,aM er-höht sie sich mehr oder weniger deutlich um 56 bzw. 130 h.

Im derzeitigen Zustand wird der maximal mögliche Kläranlagenzufluss nur für wenige Stun-den im Bilanzierungszeitraum erreicht (17 h). Auch ein Zufluss von 305 l/s (fS,QM =12) wird derzeit nur in 20% der Mischwasserbeschickungszeit überschritten.

3.8113.7733.723

1.7791.7771.761

1.737

350316338

377

161149160178

83107108112

414246

52140199204113

46 38

8

3.808

34

78 76

19

56

149

5.250

5.500

5.750

6.000

6.250

6.500

16,8 QS+QF14 QS+QF12 QS+QF10 QS+QF

Zei

t [h]

QT QT w.K. QT - 4 QS+QF QT - 4 QS+QF w.K.4 - 8 QS+QF 4 - 8 QS+QF w.K. 8 - 12 QS+QF 8 - 12 QS+QF w.K.12 - 16QS+QF 12 - 16QS+QF w.K. > 16 QS+QF > 16 QS+QF w.K.

3.831 3.808 3.773 3.723

Abbildung 4-26: Belastungsdauer der Mischwasserbeschickung der Kläranlage Edenkoben im Bi-lanzierungszeitraum

Das Zuflussvolumen zur Kläranlage verringert sich bei Reduzierung der Drosselabflüsse insgesamt in dem Maße, wie das Entlastungsvolumen zunimmt. Allerdings verringert sich das Volumen des Mischwasserzuflusses, also Zuflüsse über QT,aM, von fS,QM=16, 8 zu 10 nur um 1 %, da die Becken nach Regenende entsprechend länger entleeren (s. Abbildung 4-29). Der Anteil des Kläranlagenzuflusses während der Kampagne macht beim Mischwasserzu-fluss 30% aus, während Trockenwetterzufluss 47 %.

Die Konzentrationen im Zufluss zur Kläranlage (s. Abbildung 4-28) erreichen während des Kampagnebetriebes auch bei Mischwasserzuflüssen bis zu 210 l/s (fS,QM =12) unabhängig von der Drosselung der Becken noch Werte in der Größenordnung des Trockenwetterzuflus-ses außerhalb der Kampagne.

866 870 922 996


707.999700.929691.772

330.512330.168327.059322.584

84.47479.55486.37999.978

38.52237.36040.43746.187

48.02661.26761.10367.58819.92223.67223.62727.585 48.165

141.147187.327168.417

71.60864.152

146.905

53.635 48.775

707.426

57.432

17.633

15.910

12.869

11.343

900.000

1.000.000

1.100.000

1.200.000

1.300.000

1.400.000

1.500.000


Zuf

luss

[m³]


711.714 707.426 700.929 691.772

Abbildung 4-27: Zuflusssituation der Kläranlage Edenkoben im Bilanzierungszeitraum

175

108

283

212

166

150

363324

350

215

220

513517518487

279

286

284

894868866859

445

435

436

434

1.1891.1891.1891.19057

6

576

577

330

209

22126

6

576

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1.000


CS

B-K

onze

ntra

tion

[mg/

l]

410.161404.015398.806 407.690


Abbildung 4-28: Konzentrationsverteilung im Zufluss der Kläranlage Edenkoben im Bilanzierungszeit-raum

469.977 470.481 473.908 476.635

323 337 350 367


Obwohl die Zuflüsse bei Mischwasser während der Kampagne (Dauer, m³) ca. 1/3 ausma-chen, ist der Anteil der Zuflussfracht in den jeweiligen betrachteten Stufen etwa bei der Hälf-te (s. Abbildung 4-29).

408.020404.015398.806

392.979392.570388.873

383.875

37.58334.59037.627

43.391

34.42432.42535.01039.684

13.38517.54717.37817.978

10.22812.22912.24113.42310.356

31.09539.11437.153

23.23022.441

24.327

8.02413.803

407.690

6.404

18.975

3.3731.390

1.979

750.000

800.000

850.000

900.000

950.000


CS

B-F

rach

t [kg

]


410.161 407.690 404.015 398.806

Abbildung 4-29: Zulauffrachten der Kläranlage Edenkoben im Bilanzierungszeitraum

4.2.5.5 Abschätzung Gesamtfrachten aus Kanalnetz und Kläranlage Edenkoben

Aus der Ermittlung der Ablaufkonzentrationen der Kläranlage für die verschiedenen Zufluss-stufen (s. Anhang, Kap. 9.6.3) folgen die in Tabelle 4-19 ermittelten Kläranlagenablauffrach-ten im Bilanzierungszeitraum. Da hier die Zuflussstufen weiter gefasst sind, als bei den an-deren beiden Referenzanlagen, wurden für einige Zuflussstufen für die unterschiedlichen Bemessungszuflüsse zur Kläranlage verschiedene Konzentrationen angesetzt

Ein optimaler Drosselabfluss zur Kläranlage ergibt sich nach dieser jahresbezogenen CSB-Gesamtbetrachtung im Bereich von 13,6 bis 14,8 Qs,aM+QF,aM, was einem Zufluss von 342 bis 370 l/s entspricht (s. graphische Darstellung in Abbildung 4-21). Auf Jahressicht bezogen ist es also durchaus sinnvoll die Kläranlage Edenkoben mit einem geringeren Mischwasserzu-fluss als es die derzeitige Situation zulässt (416 l/s) zu beaufschlagen.

Bilanziert man die emittierten CSB-Frachten getrennt für den Zeitrum außerhalb und wäh-rend Kampagnebetrieb (s. Abbildung 4-31), lässt sich ein sehr unterschiedlicher Verlauf der Gesamtfrachten in Abhängigkeit vom Kläranlagenzufluss erkennen. Hieraus kann gefolgert werden, dass außerhalb des Kampagnebetriebes eine Beschickung der Kläranlage mit 16,8 Qs,aM+QF,aM die geringsten CSB-Gesamtfrachten ermöglicht. Während des Kampagnebetrie-bes verursacht diese derzeitige Beschickung allerdings die weitaus höchsten Frachten für die Gewässer. Hier wäre ein Zufluss von ca. 13 bis maximal 15 Qs,aM+QF,aM optimal.

158.257 164.599 153.879 174.069


Es zeigt sich also, dass für Kläranlagen in Weinbaugebieten durchaus verschiedenen Stra-tegien der maximalen Kläranlagenbeschickung für die Zeiträume außerhalb und während der Kampagne zweckmäßig sind.

Tabelle 4-24: Ermittlung der Kläranlagenablauffrachten Edenkoben

QM=10 QS + QF QM=12 QS + QF QM=14 QS + QF QM=16,8 QS +QF

Cab,KA

CSB Zufluss Ablauf-fracht Zufluss Ablauf-

fracht Ablauf-fracht

Ablauf-fracht Zufluss Ablauf-

fracht

Stufe [mg/l] [m³] [m³] [m³] [m³] [kg] [kg] [m³] [kg ]

QT a.K. 20 691.772 13.835 700.929 14.019 707.426 14.149 707.999 14.160

w.K. 23 322.584 7.419 327.059 7.522 330.168 7.594 330.512 7.602

QT-4 a.K. 19 99.978 1.900 86.379 1.641 79.554 1.512 84.474 1.605

w.K. 21 46.187 1.108 40.437 970 37.360 897 38.522 925

4-8 a.K. 20-22 67.588 1.352 61.103 1.222 61.267 1.225 48.026 1.057

w.K. 23-25 27.585 634 23.627 543 23.672 544 19.922 498

8-12 a.K. 23-26 168.417 3.907 187.327 4.552 141.147 3.726 48.165 1.204

w.K 28-33 64.152 1.803 71.608 2.277 57.432 1.918 17.633 582

12-16 a.K. 27-31 53.635 1.448 146.905 4.554

w.K. 37-45 15.910 590 48.775 2.195

>16 a.K. 34 12.869 438

w.K. 50 11.343 567

Summe Regenwetter 10.704 11.206 11.861 13.624

Summe Gesamtzeit-raum

31.959 32.747 33.606 35.386


5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

45.000

50.000

55.000

10 12 14 16 16,8 QS,aM+QF,aM

jähr

liche

Fra

chte

n C

SB

[kg]

96

97

98

99

100

101

102

103

104

105

106 [%]

Entlastungsfracht KN Ablauffracht KA Ablauffracht KA w. MW


optimaler Bereich

Abbildung 4-30: Ermittlung des optimalen Kläranlagenzuflusses Edenkoben

außerhalb Kampagne während Kampagne

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

10 12 14 16

jähr

liche

Fra

chte

n C

SB

[kg]

100

101

102

103

104

105

106

107

108 [%]

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

18.000

20.000

10 12 14 16

jähr

liche

Fra

chte

n C

SB

[kg]

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100 [%]

optimaler Bereich Entlastungsfracht KN Ablauffracht KA Ablauffracht KA w. MW


Abbildung 4-31: Gesamtfrachten CSB getrennt für Zeitraum außerhalb und während Kampagne


4.2.6 Vergleich der Referenzgebiete und Ableitung v on Kenngrößen

Gebiet Wallhalben Zweibrücken Edenkoben

AE,b [ha] 80 405 175

Einwohner [E] 12.200 44.000 14.700

mittl. Neigungsklasse [-] 3 2 1

hN [mm/a] 850 850 550

V [m³] 1.975 6.800 3.480

spez. V [m³/haAE,b] 25 17 20

QT,aM [l/s] 26 163 52

Fremdwasser-Anteil [%] 49 61 53

QT,aM / AE,b 0,33 0,40 0,30

fS,QM IST 6 6 16,8

MW-Behandlung im IST-Zustand o.k. Handlungsbedarf o.k.

Auswirkungen erhöhter Abfluss auf fs,QM=8 fs,QM=10 fs,QM=8 fs,QM=10

Entlastungskennwerte Kanalnetz

Entlastungshäufigkeit [n/a] o + o +

Entlastungsdauer [h/a] + ++ + ++

Entlastungsvolumen [m³/a] o + + ++

CSB-Entlastungsfracht [kg/a] + + ++ ++

Spitzenabflüsse [l/s] + + o +

Spitzenfrachten [mg/s] + ++ o +

BSB5-Frachten [kg/Ereignis] + + + ++

keine repräsenta-tive Aussage möglich!

KA-Zufluss

Dauer MW [h/a] o o o o

Volumen MW [m³/a] o - o -

KA-Ablauf

Ablaufkonzentration CSB [mg/l] - -- o -

Ablauffracht CSB [kg/a] - -- o -

Ablaufkonzentration NH4-N [mg/l] o - o -

Optimaler Kläranlagenzufluss fs,QM = 7-8 fs,QM = 8* fs,QM = 14

o rel. gleichbleibend, + positiv, ++ deutlich positiv, - geringe Verschlechterung, -- deutliche Verschlechterung

* hydraulische Belastungsgrenze der Kläranlage


4.3 Dynamische Simulation der Kläranlagen

Für sämtliche Referenzanlagen wurden im Berichtszeitraum Modelle der Kläranlagen erstellt und kalibriert. Die allgemeine Vorgehensweise bei der Entwicklung der Modelle der Kläran-lagen ist nachfolgend dargestellt.

Tabelle 4-25: Prinzipielle Vorgehensweise bei der Erstellung der Kläranlagenmodelle

Die Kalibrierung eines Modells ist die Basis für alle weiteren Betrachtungen im Rahmen einer Simulationsstudie. Der Vorgang der Kalibrierung lässt sich grob in drei Schritte gliedern:

1. Abbildung der Belebungsanlage als Modell

2. Stationäre Kalibrierung

3. Dynamische Kalibrierung

Prob lem stellung / Zieldefin ition

DatenerhebungBauwerksdatenM aschinendatenBetriebsdaten : vorh. M essdaten

M SR - StrategienBesonderheiten

M essprogram m zur E rm ittlung von G anglin ien und Sch ließung von D atenlücken

Erstellung des K läran lagenm odellsIm plem entie rung erhobener D aten m itte ls

geeigneter Software

Param eterabschätzungfür Zulauffraktionierung und kinetische

Param eter m ith ilfe eines S tartparam etersatzes

Kalib rierung des M odellsAnpassung der s im ulierten an die

gem essenen G anglin ien

Val id ierung des M odellsVergle ich M esswerte - Sim ulation

W eitere S im u la tions läu feUntersuchung von Betriebsvarianten

S im ulation von Lastfällen

Prob lem stellung / Zieldefin ition

DatenerhebungBauwerksdatenM aschinendatenBetriebsdaten : vorh. M essdaten

M SR - StrategienBesonderheiten

M essprogram m zur E rm ittlung von G anglin ien und Sch ließung von D atenlücken

Erstellung des K läran lagenm odellsIm plem entie rung erhobener D aten m itte ls

geeigneter Software

Param eterabschätzungfür Zulauffraktionierung und kinetische

Param eter m ith ilfe eines S tartparam etersatzes

Kalib rierung des M odellsAnpassung der s im ulierten an die

gem essenen G anglin ien

Val id ierung des M odellsVergle ich M esswerte - Sim ulation

W eitere S im u la tions läu feUntersuchung von Betriebsvarianten

S im ulation von Lastfällen


Grundlage für die Erstellung einer Abbildung der Belebungsanlage ist eine ausführliche Be-standsaufnahme. Sie umfasst die Ermittlung der Volumina, die Erfassung der Steuer- und Regelungsstrategien (z. B. Belüftung, Rücklauf- und Überschussschlamm und Prozesswas-serbewirtschaftung) sowie der verfügbaren Messdaten auf der Kläranlage. Bevor im Rahmen der stationären bzw. dynamischen Kalibrierung Veränderungen an Parametern in Erwägung gezogen werden ist die Übereinstimmung der Abbildung mit dem Original in diesen Punkten zu überprüfen /ATV 1998/.

Bei der stationären Kalibrierung erfolgt der Abgleich anhand von Tagesmittelwerten (24-h-Mischproben) und dem Überschussschlammanfall bzw. den bei einer Bilanzierung ermittel-ten denitrifizierten Stickstoffrachten. Hierbei werden nicht experimentell bestimmte Stoff-gruppen des Zuflusses anhand von Erfahrungswerten abgeschätzt und versucht, über die Variation des Anteils dieser Stoffgruppen im Zulauf (Fraktionierung; s. 9.8) eine möglichst genaue Abbildung der Verhältnisse der nachgebildeten Anlage zu erreichen. Normalerweise werden die gelösten Anteile des CSB (SS und SI) analytisch bestimmt und die restlichen CSB-Bestandteile des Zulaufs über eine Variation der Anteile zwischen XI und XH ermittelt. Erst wenn über die Zulauffraktionierung eine bestmögliche Anpassung des Modells an die Realität erfolgt ist, können auch Änderungen der Standardwerte für die stöchiometrischen und kinetischen Parameter (siehe Anhang 9.8) in Betracht gezogen werden. Einige der Pa-rameter sind aufgrund der chemischen Zusammensetzung eher als Konstanten anzusehen, während bei anderen eine Variation in sinnvollen Grenzen die Ablaufwerte im Mittel nicht signifikant verändern, sondern lediglich geeignet sind im Rahmen der dynamischen Kalibrie-rung eine Feinabstimmung der Ganglinien vorzunehmen /ATV 1998/.

Während der statischen Kalibrierung müssen ebenfalls die Beckenvolumina des Modells so angepasst werden, dass sie den in der Realität tatsächlich effektiv genutzten entsprechen. Diese Anpassung wird unter Umständen erforderlich, da in allen gängigen Modellen soge-nannte Rührkesselreaktoren (engl.: completely stirred tank reactor - CSTR) verwendet wer-den. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie „ideal durchmischt“ sind, d.h. es herrschen an allen Stellen im Rektor die gleichen Stoffkonzentrationen. In der Realität lassen sich je-doch je nach Beckenform und Grad der Durchmischung deutliche Konzentrations-unterschiede innerhalb eines Beckens feststellen. So kann es aus diesem Grund erforderlich werden, z.B. ein einziges pfropfenförmig durchströmtes Becken durch eine Kaskade von Rührkesseln im Modell nachzubilden.

Um die Übereinstimmung zwischen Modell und Realität zu überprüfen, können folgende Pa-rameter herangezogen werden /Müller 1997/:

- mittlere Ablaufkonzentrationen

- Belebtschlammkonzentrationen

- Wirkungsgrad der CSB- und N-Entfernung

- Überschussschlammproduktion

- denitrifizierte Stickstofffracht

- Sauerstoffverbrauch

Im letzten Schritt erfolgt die dynamische Kalibrierung . Zu deren Durchführung werden An-gaben über CSB, TKN, NOX und NH4 in Zu- und Ablauf als Ganglinien (2-Stunden-


Mischproben oder besser als online- Messwerte) sowie über die Umsatzraten in den anoxi-schen und aeroben Beckenzonen benötigt. Mit diesen gemessenen Tagesgängen wird die Simulation durchgeführt und die Reaktion des Modells auf die Güte der Annäherung an die Messwerte im Prozess selbst bzw. im Ablauf untersucht (Verifikation). Online gemessene Daten bezüglich Sauerstoff, Ammonium und Nitrat in der Belebung sind wünschenswert, da eine umfassende Datengrundlage eine bessere Verifikation des Modells erlaubt /Müller 1997/. Ist die Anpassung des Modells nicht zufriedenstellend, so sind zunächst noch einmal die Punkte 1 und 2 nach verbliebenem Optimierungspotenzial zu untersuchen. Können hier keine Verbesserungen mehr erreicht werden, so muss versucht werden, die notwendigen Anpassungen durch eine Veränderung der kinetischen und stöchiometrischen Parameter vorzunehmen.

Nachdem durch Anpassung der Modelle an die gemessenen Werte ein zufriedenstellendes Ergebnis erreicht wurde, konnten die erstellten Modelle zur Erarbeitung weitergehender Aus-sagen herangezogen werden. Eine Vorstellung der entwickelten Kläranlagenmodelle der Referenzanlagen erfolgt in Abschnitt 4.3.2. Zunächst werden im folgenden Abschnitt die zur Simulation erforderlichen Messprogramme umrissen.

4.3.1 Messkampagnen

Die Messkampagnen auf den Referenzkläranlagen setzen sich aus einem vorbereitendem Messprogramm auf der Grundlage von 24h-Mischproben (Abschnitt 4.3.1.1) und einem Messprogramm zur Aufnahme dynamischer Ganglinien (Abschnitt 4.3.1.2) für die Kalibrie-rung und Validierung der Kläranlagenmodelle zusammen.

4.3.1.1 24h-Messprogramm

Um eine Kalibrierung von Simulationsmodellen für Kläranlagen vorzunehmen, ist das Bilan-zieren der betrachteten Parameter unumgänglich, so dass ein möglichst eindeutiges Ergeb-nis erzielt werden kann. Mit der Bilanzierung der Parameter wird die Plausibilität der vorhan-denen Messdaten überprüft. Gut geeignet für die Erstellung von Bilanzen ist insbesondere die Phosphorfracht, da sich für den Parameter Phosphor eine geschlossene Bilanz erstellen lässt. Schlechter geeignet für eine Plausibilitätsprüfung ist die Bilanzierung des Parameters Stickstoff, da die Kläranlage durch das Entweichen des molekularen Stickstoffs (N2) in die Atmosphäre bei der Denitrifikation ein offenes System darstellt. /Nowak, 1997/. Der Bilanz-zeitraum sollte dabei mindestens ein, besser 1,5 bis 3 Schlammalter betragen.

Zur Durchführung einer solchen Bilanzierung durchführen, wurde auf den Referenz-kläranlagen ein 24h-Messprogramm durchgeführt. Um geschlossene Bilanzen zu ermögli-chen, wurden dabei der Zu- und Ablauf der Anlagen sowie die der entnommene Über-schussschlamm analysiert. Die Beprobung erfolgte mithilfe von Probenehmern (Anordnung siehe Abbildung 3-2, Abbildung 3-4 und Abbildung 3-6) und wurde durch die Betreiber der Anlagen (Zu- und Ablauf) bzw. das Labor des FG Siedlungswasserwirtschaft (Überschuss-schlamm) durchgeführt.


Tabelle 4-26: Ergebnisse der Bilanzierung der Referenzkläranlagen

Q-Bilanz P-Bilanz CSB-Bilanz N-Bilanz: denitrifizierte Bilanzzeitraum

Anlage [%] [%] [%] Stickstoffmenge [kg/d] [d]

Wallhalben 5.0 7.1 4.3 51.9 34

Zweibrücken 2.0 3.0 13.0 387.4 26

Edenkoben 9.0 2.5 10.2 143.7 31

Tabelle 4-26 fasst die erzielten Bilanzierungsergebnisse für die Anlagen zusammen. Für die Anlagen Wallhalben und Edenkoben bestätigte die Bilanz die Einschätzungen des jeweiligen Betriebspersonals, dass die Zulaufmengenmessungen vergleichsweise unzuverlässige Wer-te liefern, weshalb für weitere Betrachtungen (auch für P-, CSB- und N-Bilanz) die Zulauf-menge betreffend, an deren Stelle die genauere Ablaufmengenmessung herangezogen wur-de. Die Abweichungen für CSB- und P-Bilanzen sind vergleichsweise gering. In Tabelle 4-26 sind die Fehlbeträge der Emissionsseite in Prozent angegeben. Die Ergebnisse der Bilanzie-rung sind diese Parameter betreffend als sehr zufriedenstellend einzustufen /vgl. Langergra-ber et al. 2003/.

Aufgrund des bei der Denitrifikation in die Atmosphäre entweichenden Stickstoffs kann für die N-Bilanz keine prozentuale Abweichung ermittelt werden. Aus diesem Grund muss die Bilanz mit der entweichenden, denitrifizierten Stickstoffmenge „geschlossen“ werden, die in Tabelle 4-26 angegeben ist.

Da in den Betriebstagebüchern der Kläranlagen im Berichtszeitraum nicht sehr viele 24h-Mischproben vorliegen (diese werden durch die geltenden Genehmigungen nicht gefordert), wurden die Werte des 24h-Mischprobenmessprogramms zusammen mit den Aufzeichnun-gen der Betriebstagebücher auch zur Beurteilung der Belastungssituation der Kläranlagen herangezogen:

Tabelle 4-27: Belastungskennzahlen der biologischen Stufen der Referenzkläranlagen, Mittelwer-te/85%-Werte

Anlage Zulauffracht CSBEW,120

Zulauffracht TKNEW,11

Zulauffracht PgesEW,1,8

Wallhalben 7.500/10.300 7000/9.900 7.700/9.800

Zweibrücken 40.400/54.100 52.000/64.300 44.200/54.100

30.600/40.900 24.200/30.400 24.200/28.400 Edenkoben außerhalb K.

während Kampagne 57.200/90.100 31.300/38.900 29.600/40.100

Bei den in Tabelle 4-27 angegebenen Werten handelt es sich um die Belastung der biologi-schen Stufe der Anlagen; die Fracht aus internen Rückbelastungen ist aufgrund der Anord-nung der Zulaufprobenehmer der Anlagen bereits in den angegebenen Zulauffrachten ent-halten. Die Frachten für die Kläranlage Edenkoben wurden für die Zeiträume außerhalb und während der Weinbaukampagne getrennt ausgewertet.


Die Kläranlagen Wallhalben und Zweibrücken scheinen mehr oder weniger deutlich geringer belastet zu sein als dies bei der Bemessung angenommen wurde. Während jedoch im Fall Zweibrücken die angegebenen Kennzahlen die Realität gut wiedergeben, ist für die GKA Wallhalben anzumerken, dass der Zulaufprobenehmer zeitproportional angesteuert wird, d.h. die tatsächlichen Frachten liegen erfahrungsgemäß in etwa 10% -20% über den angegebe-nen. Es wird deutlich, dass die GKA Edenkoben höher belastet ist, als bei der Dimensionie-rung der Anlage (im Mittel für 15.000 EW außerhalb der Weinbaukampagne und 50.000 EW während der Kampagne) angenommen. Dies gilt insbesondere für den Zeitraum außerhalb der Kampagne.

4.3.1.2 Messprogramm zur Aufnahme von Ganglinien

Die im Rahmen der Messprogramme mit online- Messgeräten aufgenommenen Ganglinien wurden mithilfe von Leihgeräten realisiert und durch Laboruntersuchungen ergänzt. Die Mietkosten der Messgeräte wurden dabei zum größten Teil von den Betreibern der Refe-renzanlagen übernommen, die im Rahmen der vereinbarten Eigenleistungen auch einen Teil der Laboranalysen durchführten. Die Analysen des Belebtschlamms wurden vom Labor des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft der TU Kaiserslautern durchgeführt, dessen wis-senschaftliche Mitarbeiter auch Einbau, Betrieb und Wartung der online Messgeräte durch-führten. Die Anordnung der Messgeräte kann den Fließschemata der Anlagen entnommen (siehe Abbildung 3-2, Abbildung 3-4 und Abbildung 3-6) werden, wobei die grau hinterlegten Messungen zu den jeweiligen Anlagen gehören und die Kursiv dargestellten Messstellen (mit weißem Hintergrund) die Leihgeräte symbolisieren.

Bei den Kläranlagen Zweibrücken und Wallhalben wurde zur Ermittlung der der biologischen Stufe zufließenden CSB-Ganglinie jeweils eine SAK-Sonde (Spektraler Absorptions-Koeffizient; gemessen bei 254 nm) mit einer Trübungsmessung kombiniert. Es zeigte sich jedoch bei beiden Anlagen, dass eine multiple Regression über die Parameter TS und CSB keine Verbesserung gegenüber der linearen Regression (siehe Anhang 9.7) nur mittels des CSB ergibt. So wurde beim 3. Messprogramm in Edenkoben auf eine Trübungsmessung im Zulauf verzichtet und lediglich die bereits auf der Anlage vorhandene SAK- Messung zur Abschätzung der CSB- Ganglinie im Zulauf herangezogen.

Als eine Besonderheit des Messprogramms ist weiterhin auf die Messung der NOX- Konzent-ration im Rücklaufschlamm hinzuweisen. Diese erfolgte, da bekannt ist, dass in Nachklärbe-cken durchaus auch biologische Aktivität anzutreffen ist, die sich in Denitrifikationserschei-nungen äußert. Diese müssen sich durch den dabei ausgasenden elementaren Stickstoff nicht notwendigerweise negativ auf die Sedimentationsleistung der Nachklärbecken auswir-ken. Bei den Untersuchungen zeigte sich eine deutliche Differenz der NOX- Konzentrationen im Zulauf der Nachklärung (Messung im Ablauf der nachgeschalteten Denitrifikation) und der im Rücklaufschlamm gemessenen Konzentration. Für zukünftige Messreihen zur Simulation von Kläranlagen konnte somit die Erkenntnis gewonnen werden, dass gerade bei Anlagen, die über längere Zeiträume vergleichsweise hohe NOX- Konzentrationen im Zulauf der Nach-klärung aufweisen, eine solche Messanordnung sinnvoll ist.

Ausschnitte der Messergebnisse aller Messprogramme sind den Diagrammen zur Kalibrie-rung und Validierung der Anlagen im folgenden Abschnitt bzw. den zugehörigen Anhängen zu entnehmen.


4.3.2 Modellerstellung

In diesem Abschnitt erfolgt für die einzelnen Anlagen jeweils kurz eine Vorstellung der Mo-delle bzw. der zugehörigen Kalibrierungs- und Validierungsergebnisse. Dabei werden spe-zielle Aspekte, die für die einzelnen Modellanlagen von besonderer Bedeutung sind, ausführ-licher behandelt. Die Kalibrierungsergebnisse und die Fließschemata der Modellanlagen sind Anhang 9.8 zu entnehmen.

Vorab sind in der folgenden Tabelle 4-28 die Zeiträume zusammengestellt, die für Kalibrie-rung bzw. Validierung der Anlagen herangezogen werden konnten. Für die Kalibrierung der Anlagen sollten Zeiträume >1 Woche Trockenwetter herangezogen werden /Langergraber et al. 2003/. Dies konnte jedoch aufgrund Regenwetter oder Ausfall von Messgeräten trotz des Einsatzes von online- Messgeräten, die jeweils länger als 6 Wochen pro Anlage zur Verfü-gung standen, nicht für alle Vergleichszeiträume erreicht werden.

Tabelle 4-28: Kalibrierungs- und Validierungszeiträume der Referenzkläranlagen

Wallhalben Zweibrücken Edenkoben

Kalibrierung 08.10.02 – 12.10.02 12.09.02 – 18.09.02 21.08.03 – 28.08.03

Validierung 29.09.02 – 04.10.02 13.08.02 – 20.08.02 01.09.03 – 06.09.03

In den folgenden Abschnitten werden einige Besonderheiten der einzelnen Modellanlagen diskutiert. Eine tabellarische Übersicht der Kalibrierungsergebnisse (stöchiometrische und kinetische Parameter) ist Anhang 9.8 ebenso zu entnehmen, wie die erstellten Fließschema-ta der einzelnen Anlagen.

4.3.2.1 Modell Gruppenkläranlage Wallhalben

Wie in der Anlagenbeschreibung bereits ausgeführt, erfolgt die Regelung des Sauerstoffein-

trages der GKA Wallhalben über das Redoxpotential. Das Redoxpotenzial wird in der kom-

munalen Abwasserreinigung oft als sogenannte Ersatzparameter zur Steuerung der intermit-

tierenden Belüftung der biologischen Reinigungsstufe angewandt. Der langjährige Einsatz

dieser Steuerstrategie hat sich an vielen Anlagen bewährt. Diese Steuerstrategie hat den

Vorteil gegenüber der Regelung über den Direktparameter Nitrat, dass die dazugehörigen

online-Messungen einfacher, betriebsicherer und kostengünstiger durchzuführen sind. Da

das Redoxpotenzial von Eingangsgrößen und Prozessen anhängig ist, die bei der Simulation

des Belebungsprozesses nicht abgebildet werden, ist eine Modellierung desselben extrem

hohem Aufwand verbunden /Meijer et al., 2002/. Es besteht kein fester erkennbarer Zusam-

menhang zwischen dem Verlauf der Redoxpotenzialkurve und der Konzentrationen der

Schmutzstoffe. Durch die Auswertung des Verlaufs der Redoxpotenzialkurve kann zwar der

sogenannte Nitratknick, der sich bei einem Nitratnullpunkt einstellt, erkannt werden, aber

detaillierte Aussagen über den Zustand oberhalb des Nullwertes kann nicht getroffen werden

/Fröse et al., 1988/. Auf einer existierenden Anlage wurde die Steuerung beider Varianten in

einem Testbetrieb durchgeführt. Mejer et al. /2002/ kamen zum Ergebnis, dass beide Steue-

rungen gleich geeignet sind und es im Modell zulässig ist, für das Redoxpotenzial den „Er-

satzparameter“ Nitrat zu verwenden. Wie im Folgenden gezeigt wird, konnte mit der Wahl

von Nitrat als „Ersatzparameter“ auch im Fall des Modells der GKA Wallhalben eine zufrie-


denstellende Anpassung erreicht werden. Zusätzlich zur aktuellen Nitratkonzentration als

Führungsgröße wurden die im PLS vorgegeben Zeiten für minimale und maximale Dauern

der belüfteten bzw. unbelüfteten Phasen nach Tabelle 4-29 implementiert.

Tabelle 4-29: Kennwerte der Belüftungssteuerung GKA Wallhalben

Belüftungsstatus minimale Zeit maximale Zeit Redox-Potenzial

(Normalbetrieb)

Redox-Potenzial (Son-

derbetrieb)

AN (Nitrifikation) 50 min 80 min Nitratknie 0 mV, wenn sich kein

Knick einstellt

AUS (Denitrifikation) 30 min 90 min 110 mV -

Abbildung 4-32 zeigt die erreichte Anpassung für den Parameter Nitrat in der Belebung 2 für

den Kalibrierungs- und Validierungszeitraum. Obwohl die Anpassung im Validierungs-

zeitraum etwas schlechter ausfällt, werden die Maxima und Minima im Tagesverlauf nach-

vollzogen und sowohl für Kalibrierung und Validierung die Summe der belüfteten Zeit sehr

gut nachgebildet, so dass festgestellt werden kann, dass die gewählte Hilfskonstruktion mit

Nitrat als „Ersatzparameter“ eine gute Übereinstimmung von gemessenen und simulierten

Werten ermöglicht.

Nitrat Belebungsbecken 2

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

10.10.020:00

10.10.026:00

10.10.0212:00

10.10.0218:00

11.10.020:00

11.10.026:00

11.10.0212:00

11.10.0218:00

12.10.020:00

[mg/

l]

NOx-N simuliert NOx-N gemessen


Nitrat im Belebungsbecken 2

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

29.9.200200:00

29.9.200206:00

29.9.200212:00

29.9.200218:00

30.9.200200:00

30.9.200206:00

30.9.200212:00

30.9.200218:00

1.10.200200:00

NO

x [m

g/l]


Abbildung 4-32: GKA Wallhalben: Kalibrierungs- (oben) und Validierungsergebnis (unten) der Nitrat-ganglinie im Belebungsbecken 2

4.3.2.2 Modell Zentralkläranlage Zweibrücken

Bei der online Messung von Konzentrationen tritt immer eine zeitliche Differenz zwischen dem Auftreten einer bestimmten Konzentration an der Messstelle und der Anzeige dieser Konzentration am Gerät selbst auf. Bei Sonden, die z.B. mittels der Absorptionsmethode optisch im Medium selbst messen (inline), ist dieser zeitliche Versatz eher gering (i.d.R. << 5 min). Größer hingegen wird die Differenz bei nasschemischen Analysemethoden insbe-sondere dann, wenn ein Probestrom aus dem Medium entnommen und aufbereitet werden muss (z.B. photometrische Ammoniummessung mit nasschemischen Aufschluss). Wie groß die Differenz ist, hängt primär von der Art der Probenaufbereitung, den Eigenschaften des Messgeräts (speziell der Ansprechzeit, s. Abbildung 4-33) selbst und der Entfernung des Messgeräts zur Probenahmestelle ab.

Abbildung 4-33: Definition der Ansprechzeit nach /Rieger et al. 2003/

Im Fall der Kläranlage Zweibrücken ist es wichtig diese zeitlichen Verschiebungen zu be-rücksichtigen, da über die Messwerte der online Ammoniummessungen wesentliche Funkti-onen der Anlage (Beschickung der Spitzenausgleichsbecken und Sauerstoffeintrag in die Belebungsbecken 1 und 2) gesteuert bzw. geregelt werden. So wird einerseits die Belastung


der Belebung durch den Betrieb der Spitzenausgleichsbecken beeinflusst und gleichzeitig die Milieubedingungen in Belebungsbecken 1 und 2. Abbildung 4-34 zeigt beispielhaft den zeitlichen Versatz der Ammoniumkonzentrationen mit den Nitratkonzentrationen im Ablauf der Belebung 2.

ZKA ZW Ablauf BB2; NH4-N und NOx-N Konzentration

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

13.9.02 0:00 13.9.02 6:00 13.9.02 12:00 13.9.02 18:00

NH

4-N

[mg/

l]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

NO

x-N

[mg/

l]

NH4-N NOx-N

Abbildung 4-34: ZKA Weibrücken: Ganglinien von NH4-N und NOX-N im Ablauf der Belebung 2

Theoretisch müssten das Maximum der Ammoniumkonzentration und das Minimum der Nit-ratkonzentration zum gleichen Zeitpunkt auftreten. Es zeigt sich jedoch eine Verschiebung der maximalen Ammoniumwerte gegenüber den Nitratminima von ca. 20 Minuten, die mit der längeren Ansprechzeit der Ammoniummessung gegenüber der Nitratmessung zu begründen sind, wobei hier nicht nur das Messgerät selbst eine Rolle spielt, sondern auch die Proben-aufbereitung, die mit einem vergleichsweise langsamen System (Sedimentation mit an-schließender Filtration) erfolgte. Da die beiden ins Regelungskonzept der ZKA Zweibrücken eingebundenen kontinuierlichen Ammoniummessungen über verschiedene Porbenaufberei-tungsysteme verfügen, wurden für beide Messkonfigurationen unterschiedliche Verzöge-rungs- bzw. Ansprechzeiten gewählt, die in Tabelle 4-30 zusammengestellt sind.

Tabelle 4-30: ZKA Zweibrücken: Gewählte Verzögerungs- und Ansprechzeiten der NH4-N Messungen

Einbauort

Probenaufbereitung

Steuerung / Regelung der

Verzögerungs-zeit

(Delay time)

Ansprechzeit (Response time)

Ablauf Vorklärung Cellulose Crossflow- Filtration ( Fa. Alten-burger)

Beschickung der Spitzenaus-gleichsbecken

5 min 10 min

Ablauf Belebung 2 Seditax (Dr. Lange) Belüftung Bele-bung 1 und 2

15 min 20 min


Erst nach Implementierung entsprechender Sensormodelle für die Ammoniummessungen war es möglich den Betrieb der Spitzenausgleichsbecken und den Sauerstoffeintrag in die Belebungsbecken im Modell so nachzubilden, dass zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden konnten. Die Ganglinien für die Kalibrierung der Spitzenausgleichsbecken sind zu-sammen mit weiteren Kalibrierungsergebnissen Anhang 9.9 zu entnehmen. Exemplarisch sind in Abbildung 4-36 und Abbildung 4-36 die Kalibrierungs- und Validierungsergebnisse für die Ammonuimkonzentration im Ablauf der Belebung 2 dargestellt.

ZKA ZW: NH4 Ablauf BB2 Kalibrierung

0

1

2

3

4

5

14.09.2002 00:00

14.09.2002 02:24

14.09.2002 04:48

14.09.2002 07:12

14.09.2002 09:36

14.09.2002 12:00

14.09.2002 14:24

14.09.2002 16:48

14.09.2002 19:12

14.09.2002 21:36

15.09.2002 00:00

Zeit

NH

4-N

[mg/

l]

gemessen

simuliert

Abbildung 4-35: ZKA Zweibrücken: Kalibrierungs- und Validierungsergebnisse Ablauf BB2

Der Ausschnitt der Abbildungen ist hier auf einen Tag verkürzt, um die gute Übereinstim-mung von simulierten und gemessenen Werten deutlich zu machen. Zwar ist wiederum im Validierungszeitraum eine leichte Verschiebung der belüfteten Phasen auszumachen, jedoch werden die Ammoniumganglinien in ihrem Verlauf und den Extremwerten sehr gut wiederge-geben. Gleiches gilt auch für die Ganglinien der oxidierten Stickstoffverbindungen (s. Anhang 9.9).

ZKA ZW: NH4 Ablauf BB2 Validierung

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

18.8.200200:00

18.8.200202:24

18.8.200204:48

18.8.200207:12

18.8.200209:36

18.8.200212:00

18.8.200214:24

18.8.200216:48

18.8.200219:12

18.8.200221:36

19.8.200200:00

Zeit

NO

x [m

g/l]

gemessen

simuliert

Abbildung 4-36: ZKA Zweibrücken: Kalibrierungs- und Validierungsergebnisse Ablauf BB2


4.3.2.3 Modell Gruppenkläranlage Edenkoben

Als besondere Herausforderung stellte sich bei der Modellerstellung für die GKA Edenkoben die Nachbildung des Sauerstoffeintrages heraus. Die Regelung des Sauerstoffeintrages in die intermittierend belüfteten Belebungsbecken erfolgt für beide Belebungsbecken gemein-sam über die inline gemessene Ammonium- Ablaufkonzentration im gemeinsamen Ablauf-schacht bzw. dem Zulaufschacht zu den Nachklärbecken. Überschreitet die NH4-N- Konzent-ration den Wert von 1,6 mg/l so wird zunächst ein Gebläse mit einer Förderleistung von 2.934 Nm³/h Luft eingeschaltet. Die Förderleistung des Gebläses wird bis zu einem Wert von 5 mg/l NH4-N auf 4.734 Nm³/h linear erhöht. Abgeschaltet werden die Gebläse 20 min nach der Unterschreitung eines Grenzwertes von 0,6 mg/l NH4-N. Außerdem gibt es noch hinter-legte Zeitintervalle, die offenbar nach einer gewissen unbelüfteten Zeit eine Zwangsbelüftung (ca. 90 min Pause dann ca. 30 min Belüftung) bei minimaler Gebläseleistung herbeiführen. Diese könnte noch auf die Zeit zurückgehen, als mit dieser Maßnahme das Absetzen des Belebtschlamms verhindert werden sollte, da es vormals noch keine Rührwerke in den Bele-bungsbecken gab. Leider greift diese Regel nicht kontinuierlich und es nicht nachvollziehbar wann und warum sie benutzt wird, da dafür keine technische Dokumentation mehr vorhan-den ist. Dazu gibt es noch eine vorausschauende Regelung der Belüftung anhand des SAK- Wertes im Zulauf der Anlage, die im Zeitraum der Weinbaukampagne benutzt wird. Bei Ü-berschreiten eines gewissen SAK- und somit auch eines CSB- bzw. BSB- Wertes werden die Belebungsbecken kontinuierlich belüftet, um einen vollständigen Abbau der zufließenden Kohlenstoffverbindungen zu erreichen.

Abbildung 4-37 zeigt einen Ausschnitt der gemessenen Sauerstoffganglinie des Belebungs-beckens 2, im Vergleich zur Führungsgröße Ammonium, während des Kalibrierungszeit-raums außerhalb der Kampagne. Deutlich zu erkennen sind die kurzen Zwangsbelüftungs-phasen in den belastungsschwachen und die langen Belüftungsphasen mit hohen Sauer-stoffkonzentrationen zu Zeiten höherer Ammoniumkonzentrationen im Ablauf der Belebung. Die vergleichsweise hohen Sauerstoffkonzentrationen sind im Wesentlichen bedingt durch die vorhandene Maschinentechnik und ergeben sich somit zwangsläufig.

GKA Edenkoben NH4-N Ablauf BB und O2 BB2

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

21.8.03 0:00 21.8.03 12:00 22.8.03 0:00 22.8.03 12:00 23.8.03 0:00

[mg/

l]

O2 BB2 NH4-N Abl. BB


Abbildung 4-37: GKA Edenkoben: Ammonium- und Sauerstoffganglinie Belebungsbecken 2

Die beschriebenen Randbedingungen des Sauerstoffeintrags waren im Rahmen des Projek-tes nicht mit vertretbarem Aufwand nachzubilden. Deshalb wurde für die Kalibrierung der Modellanlage die Hilfskonstruktion gewählt, die gemessenen Sauerstoffganglinien dem Mo-dell vorzugeben, um so den gewünschten Verlauf der O2-Werte zu erhalten. Abbildung 4-38 zeigt im Vergleich die gemessenen und simulierten Stickstoffkonzentrationen im Ablauf der Belebung. Es ist zu erkennen, dass trotz der gewählten Hilfskonstruktion die Ganglinien in ihrem Verlauf nachvollzogen werden können. Die Übereinstimmung der Maxima und Minima sowie die Genauigkeit der zeitlichen Überlagerung erreicht im Fall der Modellanlage Eden-koben nicht ganz die Güte der Modelle der Anlagen Wallhalben und Zweibrücken, kann je-doch insgesamt als noch zufriedenstellend beurteilt werden.

GKA Edenkoben NH-4N Ablauf Belebung

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

21.8.03 0:00 22.8.03 0:00 23.8.03 0:00 24.8.03 0:00 25.8.03 0:00 26.8.03 0:00 27.8.03 0:00 28.8.03 0:00

[mg/

l]

NH4-N simuliert NH4-N gemessen

GKA Edenkoben NOx-N Ablauf Belebung

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

21.8.03 0:00 22.8.03 0:00 23.8.03 0:00 24.8.03 0:00 25.8.03 0:00 26.8.03 0:00 27.8.03 0:00 28.8.03 0:00

[mg/

l]


Abbildung 4-38: GKA Edenkoben: Stickstoffkonzentrationen im Ablauf der Belebung


4.3.3 Zwischenfazit: Modellierung der Kläranlagen

Neben den bereits beschrieben Erkenntnissen konnten, insbesondere aufgrund der detaillier-ten Messkampagnen weitergehende Hinweise, die auch zu einer Betriebsoptimierung der Anlagen beitragen könnten, gewonnen werden. So zeigte es sich, dass bei den Anlagen Zweibrücken und Edenkoben eine Veränderung der Prozesswasserbewirtschaftung positive Auswirkungen auf die Ablaufwerte haben könnte. Wie im vorangegangenen Abschnitt ge-zeigt, birgt auch die Belüftungsstrategie der GKA Edenkoben ein gewisses Optimierungspo-tenzial. Durch eine sinnvollere Wahl des Sauerstoffsollwertes könnte hier die zur Belüftung der Belebung benötigte Energie verringert und somit die Betriebskosten optimiert werden.

Die erarbeiteten Modelle sind aufgrund der hohen Güte der Anpassung an die gemessenen Konzentrationsganglinien dazu geeignet, die Emissionen der Kläranlagen realitätsnah abzu-schätzen. Dies gilt insbesondere für die gelösten Stickstofffraktionen. Das Verhalten der Nachklärbecken unter erhöhter hydraulischer Belastung ist schwerer vorherzusagen, da es im Bereich der Nachbildung der Sedimentation neben einer detaillierten Strömungssimulati-on (die derzeit nicht in die verwendeten Belebtschlammmodelle einzubinden ist) keine Mo-delle gibt, die extrapolationsgeeignet sind, d. h. verlässliche Aussage über das Absetzverhal-ten des Belebtschlamms in einem bereich jenseits gemessener und kalibrierter Werte er-möglichen. Das folgende Kapitel wird jedoch zeigen, dass die eingesetzten Nachklärmodelle, obwohl sie nicht für die erhöhten hydraulischen Belastungen kalibriert werden konnten, trotz-dem ein plausibles Verhalten der Nachklärung liefern.

Kap. 5 Integrierte Betrachtung 85

5 Integrierte Betrachtung

5.1 Einzelereignisbetrachtung zur Ermittlung des opti malen Kläranlagenzuflusses

Die in Kapitel 4 ermittelten optimalen Mischwasserzuflüsse zur Kläranlage sollen mithilfe der dynamischen Kläranlagensimulation für die Kläranlagen Wallhalben und Zweibrücken für verschiedene Regenereignisse überprüft und verifiziert werden. Da bei der Kläranlage Eden-koben eine Verringerung des Bemessungszuflusses untersucht wurde, ist eine Verifizierung der in Kapitel 4 abgeschätzten Jahresfrachten nicht erforderlich, da die Ablaufkonzentratio-nen bei den verschiedenen Zuflüssen durch Auswertung der Kläranlagentagebücher und der Ergebnisse des Messprogramms abgeschätzt werden konnten. Tabelle 5-1 gibt eine Über-sicht über die ausgewählten Ereignisse, wobei die angegebenen Kürzel in den folgenden Abschnitten zur Identifikation der Ereignisse benutzt werden.

Tabelle 5-1: ausgewählte Niederschlagsereignisse zur detaillierten Betrachtung

Datum Kürzel Niederschlagshöhe Dauer Charakteristik

05.04.68 R1 9,0 mm 680 min Landregen

23.07.68 R2 20,0 mm 935 min mäßiger Gewitterregen

03.-04.09.68 R3 22,1 mm 1.465 min starker Gewitterregen mit Vorregen

Die Niederschlagsereignisse unterscheiden sich in der Jahreszeit des Ereignisses und der Charakteristik des Niederschlagsverlaufs (s. Abbildung 5-1), der Zuflussdynamik zur Kläran-lage (sowohl Zufluss als auch Konzentrationen) und der Dauer der erhöhten Beschickung.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0:00

1:00

2:00

3:00

4:00

5:00

6:00

7:00

8:00

9:00

10:0

0

11:0

0

12:0

0

13:0

0

14:0

0

15:0

0

16:0

0

17:0

0

18:0

0

19:0

0

20:0

0

21:0

0

22:0

0

23:0

0

0:00

1:00

2:00

hN [m

m/5

min

]

23.07.68

03.-04.09.68

05.04.68

Abbildung 5-1: Niederschlagsverläufe der ausgewählten Ereignisse


5.2 Simulation der Einzelereignisse

Für die Simulation der 3 Einzelereignisse wurde zunächst anhand der Betriebstagebücher die mittlere Temperatur in den Belebungsbecken für die Monate April, Juli und September ermittelt, um diese den biologischen Modellen der Kläranlagen zugrunde zu legen. Die Ab-bildung verschiedener Temperaturzustände in den Kläranlagen wurde gewählt um ein mög-lichst differenziertes Bild des Anlagenverhaltens zu erhalten. Die verwendeten Temperaturen sind in Tabelle 5-2 zusammengestellt.

Tabelle 5-2: Temperaturen der Belebungsbecken für die Simulation der Einzelereignisse

Ereignis

Temp. April [°C]

R1

Temp. Juli [°C]

R2

Temp. September [°C]

R3

GKA Wallhalben 10,2 17,5 15,8 ZKA Zweibrücken 11,7 17,4 16,5

Bei der Simulation der drei Einzelereignisse werden die Modelle der Kläranlagen jeweils mit dem nach Kapitel 4.2 ermittelten, günstigsten Drosselzufluss von 8QS + Qf und im Vergleich dazu mit dem bestehenden Drosselzufluss von ca. 6 QS + Qf beschickt. Die Ganglinien der Zuflussmengen für die untersuchten Modellanlagen sind in Anhang 9.10 zusammengestellt.

5.2.1 Kläranlage Wallhalben

Bei der Simulation der drei Einzelereignisse mit einem Drosselabfluss von 8QS + Qf für die KA Wallhalben zeigten sich bzgl. der Ablaufkonzentrationen der Kläranlage keine bedenkli-chen Annäherungen an die genehmigten Grenzwerte. Die Ergebnisse der Simulationen der Einzelereignisse sind als Konzentrationsganglinien in Anhang 9.11 dargestellt. Für den Ver-lauf der Stickstoffablaufkonzentrationen ist festzuhalten, dass selbst bei ungünstigen Tempe-raturbedingungen (Ereignis R1) für den Parameter Nges,anorg der Wert von 3,0 mg/l nicht über-schritten wurde, so dass davon auszugehen ist, dass sich aus einer erhöhten hydraulischen Belastung keine kritischen Zustände bzgl. der Stickstoffelimination ergeben.

Bei der Simulation aller Einzelereignissen zeigt sich während des Anstiegs der hydraulischen Belastung auch ein Anstieg des partikulären CSB im Ablauf der Anlage. Diese Zunahme des partikulären CSB beträgt je nach Ereignis zwischen 8 und 11 mg CSB/l. Wie bereits in Ab-schnitt 4.3.3 ausgeführt, stellt dieser Wert lediglich eine Abschätzung dar. Es gilt dabei ins-besondere die Schlammabsetzeigenschaften zu beachten, die sich erfahrungsgemäß in Zeit-räumen ändern können, die deutlich unter einem Schlammalter liegen. Die Summe der Kon-zentration der leicht abbaubaren, d.h. akut sauerstoffzehrend wirkenden CSB- Anteile (ASM 3- Modellparameter SS und XS) betrug dabei konstant weniger als 1 mg/l.

Die drei Einzelereignisse wurden mit Drosselabflüssen von 6QS + Qf und 8QS + Qf simuliert, um das Potenzial zur Emissionsreduktion zu verdeutlichen.

Tabelle 5-3 fasst die dabei emittierten Frachten aus Kläranlage und Kanalnetz zusammen. Für alle drei simulierten Varianten ist in der Summe eine Reduktion der Gesamtemissionen bzgl. der Parameter CSB und NH4-N festzustellen. Den Angaben der Emissionen der Kläran-lage liegt dabei die Bilanzierung der Gesamtfracht beider Tage zugrunde, an denen sich der veränderte Zufluss auf den Reinigungsprozess auswirkte. Die Bilanz beinhaltet den dabei auftretenden Trockenwetteranteil des Abflusses.


Tabelle 5-3: Gesamtfrachten der Einzelereignisse für die Referenzanlage Wallhalben

QM = 6 QS + QF QM = 8 QS + QF

Ereignis Kanalnetz Kläranlage Gesamt Kanalnetz Kläranlage Gesamt

05.04.68 R1

680 min 9,0 mm

QE [m³] 1.683 1.683 797 797 CSB [kg] 430 244 674 206 286 492

NH4-N [kg] 12 18,6 30,6 6 22,5 28,5 23.07.68

R2 935 min 20,0 mm

QE [m³] 9.053 9.053 7.793 7.793 CSB [kg] 816 243 1059 668 292 960

NH4-N [kg] 30 13,9 43,9 23 16,1 39,1 03.09.68

R3 1.465 min 22,1 mm

QE [m³] 8.654 8.654 7.918 7.918 CSB [kg] 475 263 738 420 298 718

NH4-N [kg] 17 16,5 33,5 15 17,5 32,5

Die in Tabelle 5-3 zusammengestellten, emittierten Entlastungsvolumina und Frachten für den Drosselabfluss von 8QS + Qf sind in Abbildung 5-2 nochmals grafisch aufbereitet. Basis der prozentualen Darstellung bilden die Frachten nach Tabelle 5-3 für den Drosselabfluss von 6QS + Qf (= 100 %). Es ist zu erkennen, dass das Entlastungsvolumen am deutlichsten ver-ringert wird. Beim Ereignis R1, bei dem die Kläranlage unter für die Nitrifikation ungünstigen Temperaturbedingungen simuliert wurde, ergibt sich trotzdem noch eine Reduktion der NH4-

N- Fracht im Gesamtsystem.

Gesamtemmissionen RA Wallhalben 8Qs + Qf

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

R1 R2 R3

QE CSB NH4-N

Abbildung 5-2: Gesamtemissionen aus Kanalnetz und Kläranlage der Referenzanlage Wallhalben für einen Drosselabflus von 8QS + Qf


Für die Ereignisse R2 und R3 ergeben sich Reduktionen in etwa gleicher Höhe für Ammoni-um- und CSB- Fracht. Die CSB- Emissionen für das Ereignis R1 fallen aufgrund der Verrin-gerung der Emissionen im Kanalnetz deutlich günstiger aus als für R2 und R3.

5.2.2 Kläranlage Zweibrücken

Im Fall der ZKA Zweibrücken wurde jedes der ausgewählten Einzelereignisse für den Dros-selabfluss von 8QS + Qf in zwei unterschiedlichen Varianten simuliert. Im Vorfeld der Unter-suchungen stand zu erwarten, dass das stoßweise in den Zulauf der Anlage zugegebene Prozesswasser signifikanten Einfluss auf die Reinigungsleistung der Modellanlage unter er-höhter Beschickung haben könnte. Deshalb wurde jedes Einzelereignis einmal in einer für die Reinigungsleistung der Anlage günstigen und einer ungünstigen Variante simuliert. Günstig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich zum Zeitpunkt des Ereignisbeginns nur „normaler“ Trockenwetterzufluss ohne die zusätzliche Fracht aus dem Prozesswasser in der Vorklärung befindet. Als ungünstige Variante wird angesehen, wenn die Entleerung des Prozesswasserspeichers kurz vor Einsetzen des Mischwasserzuflusses erfolgt ist, so dass eine erhöhte Fracht in kurzer Zeit durch die Vorklärung transportiert wird. Die Folge ist eine ausgeprägte Stoßbelastung für die biologische Stufe, die aufgrund der Begrenzung durch die Kapazität der Pumpen zur Beschickung der Spitzenausgleichsbecken nicht ausreichend vergleichmäßigt werden kann. Tabelle 5-4 fasst die Simulationsergebnisse für die maßge-benden Stickstoffparameter im Ablauf der Kläranlage zusammen, wobei die Simulationsläufe einer als „ungünstig“ eingestuften Ausgangssituation zusätzlich zum Kürzel nach Tabelle 5-1 mit einem „u“ gekennzeichnet sind. Der Vergleich der Varianten normal - ungünstig zeigt, dass die Entleerungsstrategie des Prozesswassers mit Verkürzung des Betrachtungszeit-raumes zunehmend an Bedeutung gewinnt. Die Ablaufkonzentrationen erhöhen sich in der Spitze infolge der ungünstigen Ausgangsbedingungen um ca. 1 bis 2 mg/l, abhängig von der Temperatur in den Belebungsbecken und dem Verlauf des Ereignisses. Im 24 h- Mittel las-sen sich hingegen nahezu keine Konzentrationsunterschiede zwischen den betrachteten Varianten beobachten.

Tabelle 5-4: ZKA Zweibrücken: Zusammenstellung der Simulationsergebnisse für Stickstoffparame-ter im Ablauf der Kläranlage

R1 R1u R2 R2u R3 R3u

NO3-N

24h-MP Max. 10,3 10,3 5,8 5,8 5,0 5,0

2h-MP Max. 12,2 12,2 6,0 6,6 4,9 5,7

Peak 12,3 12,3 6,4 6,8 7,1 6,4

NH4-N

24h-MP Max. 3,6 3,6 2,5 2,4 2,3 2,3

2h-MP Max. 6,5 8,3 4,4 7,8 6,7 5,7

Peak 7,1 8,8 5 8,9 5,9 7,6

Nges, anorg

24h-MP Max. 13,9 13,9 8,4 8,4 7,3 7,3

2h-MP Max. 15,0 15,7 10,4 12 9,9 11,4

Peak 15,4 17,3 10,8 12,6 10,3 12,2


Zwar wurden in den Simulationsläufen für alle Varianten die Stickstoffüberwachungswerte eingehalten, in Variante R1u jedoch reichen die simulierten Werte für die Parameter NH4-N und Nges,anorg (s. Abbildung 5-3) in der Spitze bedenklich nah an die genehmigten Ablaufwerte heran. Für die Einhaltung der Grenzwerte bedeutet dies, dass die Entleerungsstrategie des Prozesswasserbehälters durchaus Auswirkungen auf eine Grenzwertüberschreitung haben könnte. Das ist insbesondere im Frühjahr der Fall, wenn die Population der Nitrifikanten noch relativ gering bzw. die Umsatzrate temperaturbedingt niedrig ist, die Temperaturverhältnisse jedoch bereits zur Einhaltung der Stickstoffablaufwerte verpflichten.

R1u N-Parameter Ablauf Kläranlage Modell ZKA ZW

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3

Zeit [d]

N [m

g/l]

NO3-N NH4-N Nges,anorg

Abbildung 5-3: Stickstoffparameter im Ablauf der Modellanlage Zweibrüchen – Ereignis R1u

Die Konzentrationsverläufe im Ablauf der Modellanlage für die unter erhöhtem Drosselzu-fluss durchgeführten Simulationsrechnungen sind Anhang 9.12 zu entnehmen. Wie auch bei Simulation der KA Wallhalben werden dabei die Grenzwerte für CSB bei den Simulationsläu-fen nicht überschritten. Der Anstieg der partikulären CSB- Fraktion im Ablauf der Nachklä-rung beträgt dabei zwischen 18 und 24 mg CSB/l und fällt somit deutlich höher aus, als es die zuvor durchgeführten statischen Vergleichsrechnungen (s. Anhang 9.6) erwarten ließen. Es ist zu vermuten, dass das gewählte Modell, das für die Bereiche erhöhter Beschickung aufgrund fehlender Messwerte nicht kalibriert werden konnte, in diesem Fall mit einem zu hohen Feststoffabtrieb reagiert. Die Summe der Konzentration der leicht abbaubaren, d.h. akut sauerstoffzehrend wirkenden CSB- Anteile (ASM 3- Modellparameter SS und XS) im Ablauf beträgt dabei konstant weniger als 3 mg/l. Dieser im Vergleich mit der Modellanlage Wallhalben (Summe SS und XS > 1 mg/l) eine deutlich höhere Konzentration, was auf die deutlich höhere Schlammbelastung der Anlage Zweibrücken zurückzuführen ist.


Tabelle 5-5: Gesamtfrachten der Einzelereignisse für die Referenzanlage Zweibrücken

QM = 6 QS + QF QM = 8 QS + QF

Ereignis Kanalnetz Kläranlage Gesamt Kanalnetz Kläranlage Gesamt

05.04.68 R1

680 min 9,0 mm

QE [m³] 11.980 - 11.980 7.630 - 7.630 CSB [kg] 2.803 2.156 4.959 1.818 2.393 4.211

NH4-N [kg] 68 173,5 241,5 42 193,8 235,8 23.07.68

R2 935 min 20,0 mm

QE [m³] 48.169 - 48.169 41.515 - 41.515 CSB [kg] 4.092 2.178 6.270 3.289 2.576 5.865

NH4-N [kg] 137 118,7 255,7 108 150,0 258,0 03.09.68

R3 1.465 min 22,1 mm

QE [m³] 48.877 - 48.877 44.195 - 44.195 CSB [kg] 2.503 2.225 4.728 2.186 2.459 4.645

NH4-N [kg] 97 133,3 230,3 81 154,7 235,7

Die in Tabelle 5-5 zusammengestellten, emittierten Mengen und Frachten für den Drosselab-fluss von 8QS + Qf sind in Abbildung 5-4 nochmals grafisch aufbereitet. Basis der prozentua-len Darstellung bilden die Frachten nach Tabelle 5-5 für den Drosselabfluss von 6QS + Qf (= 100 %). Es ist zu erkennen, dass das wiederum das Entlastungsvolumen am deutlichsten verringert wird. Beim Ereignis R1, bei dem die Kläranlage unter für die Nitrifikation ungünsti-gen Temperaturbedingungen simuliert wurde, ergibt sich trotzdem noch eine leichte Redukti-on der NH4-N- Fracht im Gesamtsystem.

Gesamtemissionen RA Zweibrücken 8Qs + Qf

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

110%

R1 R2 R3

QE CSB NH4-N

Abbildung 5-4: Gesamtemissionen aus Kanalnetz und Kläranlage der Referenzanlage Zweibrücken für einen Drosselabfluss von 8QS + Qf


Für die Ereignisse R2 und R3 ergeben sich leichte Erhöhungen der Ammonium- Emissionen des Gesamtsystems. Dies ist auf eine deutlich erhöhte Fracht im Kläranlagenablauf zurück-zuführen. Zwar werden die NH4-N- Konzentrationen bei einem erhöhten Drosselabfluss von 8QS + Qf leicht verringert, jedoch ist diese Reduktion der Ablaufkonzentration nicht deutlich genug, um bei diesen Ereignissen eine Verringerung der Fracht zu erreichen.

Die simulierten CSB- Emissionen des Gesamtsystems werden trotz der im Vergleich zur sta-tischen Berechnung deutlich höheren partikulären CSB- Fracht im Ablauf der Anlage, in Ab-hängigkeit vom Verlauf des Regenereignisses, mehr oder weniger deutlich reduziert.

5.3 Folgerungen

Aus den durchgeführten Untersuchungen konnten zahlreiche Hinweise für den Inhalt des Leitfadens abgleitet werden. Es konnte gezeigt werden, dass es bei freien Kapazitäten auf der Kläranlage sinnvoll ist, eine größere Mischwassermenge in der Kläranlage zu behandeln.

5.3.1 Erkenntnisse zum integrierten Betrieb aus Sich t des Kanalnetzes

Zusammenfassend kann gefolgert werden, dass sich erhöhte Drosselabflüsse aus Kanal-netz-Sicht in allen betrachteten Belastungsparametern positiv auf das Gewässer auswirken. Vor allem die Einflüsse der Entlastungsdauer, der maximalen zeitbezogenen Entlastungs-frachten des zur Beurteilung der Fischtoxizität herangezogenen Ammoniums sowie die er-eignisspezifischen Frachtausträge des BSB5 werden entscheidend reduziert. Dies ist insbe-sondere bei Becken und Überläufen, die in empfindliche kleine Gewässer entlasten, relevant. Ein integrierter Betrieb weist also ein erhebliches Potenzial zur Verbesserung der Entlas-tungssituation, d.h. der Belastung der Gewässer, auf.

Eine Anpassung der Drosselabflüsse nicht nur am netzabschließenden Becken vor der Klär-anlage, sondern die (statische) angepasste Änderung von Drosselabflüssen an weiteren Becken, die Entlastungsschwerpunkte darstellen, ist sinnvoll. Auch eine Verringerung von Abflüssen an einzelnen Becken, die im IST-Zustand wenig ausgelastet sind und eine stärke-re Erhöhung an Becken, die z.B. hohe Entlastungskonzentrationen aufweisen, ist Erfolg ver-sprechend. Eine Verbesserung der Entlastungstätigkeiten ist bereits durch wenige Umbau-arbeiten (Einbau neuer Drosselorgane) möglich. Auch wenn die Kläranlage keine freien Ka-pazitäten aufweist, kann unter Beibehaltung des Drosselabflusses am netzabschließenden Bauwerk eine statische bzw. dynamische (Kanalnetzsteuerung) Anpassung der Drosselab-flüsse einzelner Becken zur Emissionsreduzierung und ggf. Einsparung von erforderlichem Mischwasserbehandlungsvolumen sinnvoll sein.

Durch eine integrierte Betrachtung von Kanalnetz und Kläranlage können im Bereich des Kanalnetz nicht nur Investitionskosten für z.B. ansonsten erforderliches Speichervolumen in der Mischwasserbehandlung eingespart werden. Zusätzlich können durch eine Verringerung der Beschickungshäufigkeit von Becken Betriebskosten, z.B. für Wartung oder Beckenreini-gung, eingespart werden.


5.3.2 Erkenntnisse zum integrierten Betrieb aus Sich t der Kläranlage

Mit steigendem Drosselabfluss zur Kläranlage erhöht sich der Anteil des mitbehandelten Regenwassers. Die erhöhten hydraulischen Belastungen nehmen dabei kürzere Zeiträume in Anspruch als bei geringeren Drosselabflüssen.

Eine Beurteilung aus stofflicher Sicht ergibt, dass die Einhaltung der Ablaufwerte bei erhöh-ten Drosselzuflüssen gefährdet sein kann. Dies gilt insbesondere für Anlagen mit niedrigem Schlammalter, Anlagen mit Vorklärung und für solche Anlagen, die durch interne Stoffkreis-läufe oder durch das Einzugsgebietes bedingt sehr ausgeprägte Stoßbelastungen im Zulauf der biologischen Stufe aufweisen, die sich auch im Ablauf der Nachklärung nachvollziehen lassen. Bei solchen Anlagen ist es u. U. notwendig die Annahme einer erhöhten Beschi-ckung zu den Zeiten der Stoßbelastung auszuschließen, bzw. durch geeignete Maßnahmen die Ausprägung der Stoßbelastung zu verringern bzw. diese zu vergleichmäßigen.

Bei Kläranlagen mit hohem Schlammalter bzw. aerob stabilisierenden Anlagen ist die Gefahr einer Grenzwertüberschreitung aufgrund der großen Volumina der Belebungsbecken deut-lich geringer. Bei solchen Anlagen müssen sehr außergewöhnliche Belastungszustände der biologischen Stufe vorliegen um eine Überschreitung z.B. der Stickstoffparameter im Ablauf der Anlagen zu provozieren.

Inwieweit erhöhte Drosselabflüsse zu Problemen im Ablauf der Nachklärung (Feststoffab-trieb) führen können, muss im Einzelfall beantwortet werden. Generell wirken sich hier tiefe Nachklärbecken und ein im Vergleich zur Bemessung verringerter Schlammindex günstig aus, jedoch sollten im Einzelfall Versuche oder evtl. eine Strömungssimulation zur Klärung der Details herangezogen werden. Bei Realisierung einer erhöhten Beschickung sollte die Funktion der Schlamm- Wassertrennung mithilfe geeigneter Messeinrichtungen (online Mes-sungen wie, z.B. Feststoffe, Schlammspiegel und evtl. Schlammvolumen) überwacht wer-den.

5.3.3 Erkenntnisse integrierte Betrachtung Kanalnet z - Kläranlage

Zieht man zur Abschätzung des Verbesserungspotenzials bei einem integrierten Betrieb den derzeit gültigen Leitparameter Gesamt- CSB heran, zeigen sich v.a. bei dem Referenzgebiet Wallhalben nur geringe Einsparpotenziale bei den Gesamtfrachten des CSB aus Mischwas-serentlastungen und Kläranlagenabläufen. Eine erste Einschätzung anhand der CSB-Frachten kann zu der Beurteilung führen, dass sich der Aufwand eines integrierten Betriebes nicht lohnt. Die Betrachtung der Einzelereignisse zeigt jedoch deutlich positive Auswirkungen einer erhöhten Beschickung der Kläranlage. Trotzdem die simulierten Ablaufwerte der Klär-anlagen bei allen Simulationsläufen deutlich höherer partikuläre CSB- Konzentrationen auf-wiesen als die statischen Vergleichsrechnungen ergeben sich für die Gesamtemissionen in Abhängigkeit vom Verlauf der Ereignisse mehr oder weniger deutliche Reduktionen.

Für die Ammonium- Emissionen zeigt sich bei der Betrachtung der Einzelereignisse ein deut-liches Potenzial zur Emissionsminderung bei geringeren Niederschlagshöhen. Aus Gewäs-sersicht ist dies besonders in den Sommermonaten bedeutsam, da temperaturbedingt die Sauerstofflöslichkeit schlecht, die Umsatzraten der Organismen und somit die Sauerstoffzeh-rung jedoch hoch sind.

Insgesamt ist deshalb die ausschließliche Betrachtung der Gesamtfrachten des CSB als Be-urteilungsparameter als wenig geeignet einzustufen, da das Emissionsminderungspotenzial


durch die Betrachtung dieses Parameters nicht hinreichend wiedergegeben wird. Die Wirk-samkeit von Maßnahmen muss daher anhand der ereignisbezogenen Entlastung des Ge-wässers beurteilt werden. Dabei sind die insbesondere die Reduktion von Entlastungshäu-figkeit, Entlastungsspitzen und die Vermeidung kritischer Zustände im Gewässer zu beach-ten. Auch gilt es beim Vergleich der aus Kanalnetz und Kläranlage emittierten CSB- Frachten zu beachten, dass die Anteile des leicht abbaubaren CSB im Ablauf der Kläranlage deutlich geringer sind als im Entlastungsabfluss.

Kap. 6. Vorläufiger Leitfaden 94

6 Vorläufiger Leitfaden

In diesem Kapitel werden die wichtigsten Eckpunkte des zu erarbeitenden Leitfadens vorge-stellt. In Abschnitt 6.2.1 werden die allgemeinen Ziele des Leitfadens kurz umrissen und im folgenden Abschnitt 6.2.2 der Leitfaden anhand eines Ablaufschemas vorgestellt.

6.1 Kostenaspekte des integrierten Betriebes

Abbildung 6-1 gibt eine Übersicht über die Verteilung der Kosten der Abwasserbeseitigung getrennt nach Kapital- und Betriebskosten wieder. Dabei machen die Kapitalkosten mit ei-nem Anteil von fast 60 % den deutlich größeren Anteil aus.

Betriebskosten Abwasserableitung

16% Kapitalkosten Abwasserableitung

38%

Kapitalkosten Abwasserbehandlung

21%

Betriebskosten Abwasserbehandlung

25%

Abbildung 6-1: Verteilung der Kosten auf Abwasserableitung und Abwasserbehandlung nach Bellefontaine et al. /1999/

Die Kosten des Kläranlagenbetriebs sind ebenfalls ein wesentlicher Bestandteil der Gesamt-kosten. Diese müssen sich jedoch durch die Implementierung eines integrierten Betriebes mit erhöhter Beschickung der Kläranlage nicht notwendigerweise verteuern. Mess- und Stell-organe sind zwar zur Steuerung und Überwachung der Kläranlage eine entscheidende Grundlage und müssen im Rahmen einer Betriebesumstellung oft neu beschafft werden. Sie können jedoch nicht nur zur Überwachung der Prozesse, sondern auch für andere Zwecke kostenmindernd genutzt werden, etwa durch die Implementierung effizienterer MSR- Strate-gien zum Sauerstoffeintrag oder zur Gewährleistung dauerhaft niedrigerer Ablaufwerte. Da-durch können beispielsweise Energiekosten und Abwasserabgabe gesenkt werden.

Zudem kann bei Nachweis einer 20%igen Reduktion der Ablauffracht eine Verrechnung der notwendigen Investitionen mit der Abwasserabgabe der 3 vorhergehenden Jahre nach §10 (3) AbwAG erfolgen. Dazu muss allerdings ein gewisses Optimierungspotenzial der be-trachteten Anlage vorhanden sein. Für Betreiber von Anlagen, die den Stand der Technik in allen Bereichen erfüllen und die somit eine Halbierung der Abgaben für die Emissionen der Kläranlage erreicht haben und deren Kanalnetz abgabefrei ist, beinhaltet die Implementie-rung eines integrierten Betriebs keine Möglichkeiten Kosten zu optimieren. Wie das Beispiel Wallhalben allerdings zeigt, sind die Emissionen aus solchen Einzugsgebieten durchaus durch integrierte Ansätze zu reduzieren. Deshalb erscheint es sinnvoll einen Anreiz zu schaf-fen, den in diesen Fällen aus ökologischer Sicht wünschenswerten Schritt der Mehrbeschi-ckung der Kläranlage für Betreiber attraktiv zu machen.


Oft wird im Zusammenhang mit einem erhöhten Drosselabfluss fälschlicherweise die Erhö-hung der Jahresschmutzwassermenge und somit der Abwasserabgabe diskutiert. Da die genehmigte Jahresschmutzwassermenge sich auf den Trockenwetterzufluss zur Kläranlage bezieht, eine Erhöhung des Drosselabflusses sich jedoch lediglich auf die zufließende Mischwassermenge auswirkt, ist eine Erhöhung der Abwasserabgabe durch eine Erhöhung des Drosselabflusses durch die derzeit gültige Rechtslage nicht zu begründen.

6.2 Vorläufiger Leitfaden

6.2.1 Ziele des Leitfadens

Als Planungshilfe für Kommunen, Planer und Behörden soll der Leitfaden im Ergebnis Hin-weise liefern, ob und in welcher Form ein integrierter Betrieb für ein Einzugsgebiet sinnvoll ist. Dazu soll er eine Handlungsanleitung beinhalten, die den Benutzer zu einer Empfehlung von Maßnahmen führt. Im Falle der Eignung eines Einzugsgebietes für integrierten Betrieb von Kanalnetz und Kläranlage wird eine Abschätzung des günstigsten Drosselzuflusses vor-genommen.

Die Simulation von Kanalnetz und Kläranlage, wie sie im Rahmen der vorliegenden Studie durchgeführt wurde, ist ein zeitaufwändiger Prozess. Deshalb ist es ein wesentliches Ziel des Leitfadens darzustellen, unter welchen Bedingungen es sinnvoll bzw. erforderlich ist, auf das Werkzeug der Simulation zurückzugreifen. Dennoch ist es gerade bei Fragestellungen, de-ren Beantwortung unter Umständen die Grenzen gültiger Regelwerke berührt, wichtig, sich auf eine umfassende und plausible Datengrundlage zu stützen, um fundierte Aussagen tref-fen zu können. Die Erhebung der Daten dient dabei in erster Linie der Identifikation der Leis-tungsreserven bzw. der Defizite der Teilsysteme getrennt nach verschiedenen Aspekten, die unter die Oberbegriffe stoffliche und hydraulische Eignung einzuordnen sind.

6.2.2 Ablaufschema

Abbildung 6-2 gibt eine Übersicht über das Erfragen/Erheben von Daten und die Findung von Entscheidungen im Rahmen des Leitfadens zum integrierten Betrieb von Kanalnetz und Kläranlage. Anhand des Ablaufschemas werden Schritte bis hin zu einer Empfehlung für zukünftige Maßnahmen vorgegeben. Dabei müssen die einzelnen Schritte nicht unbedingt für alle Teilsysteme durchlaufen werden. Dies ist im Einzelfall von der Fragestellung, von verfügbaren Daten und der Sachlage, d. h. dem Zustand der Systeme, abhängig.

Kosten und Nutzen der Untersuchungen sind dabei bei jedem Schritt abzuwägen. Speziell wenn es notwendig wird, zusätzliche Untersuchungen wie z.B. Messprogramme und evtl. Simulationsstudien durchzuführen, gilt es zu überprüfen, ob der sich ergebende (finanzielle) Aufwand für die Untersuchungen noch in gutem Verhältnis zum potenziellen Nutzen der Un-tersuchungen steht. Eine Abwägung dieses Verhältnisses ist nicht immer einfach, da der Erkenntnisgewinn aus detaillierten Untersuchungen die Erwartungen oft übersteigt. Dieser zusätzliche Erkenntnisgewinn ist im Vorfeld der Untersuchungen jedoch schwer abzuschät-zen und somit praktisch kaum in die Überlegungen einzubeziehen.

Der Darstellung des Ablaufschemas folgen weitere Details zu den einzelnen Punkten, ge-gliedert nach der Nummerierung in Abbildung 6-2. Die aufgelisteten Punkte stellen dabei einen ersten Überblick dar und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit.


Abfrage von Grundlagendaten

Kanalnetz Kläranlage

Fragestellung Veranlassung

Gewässer

Abschätzung der Möglichkeit eines integrierten Betriebes

1

2

3

Empfehlung von Maßnahmen


geeignet nicht geeignet unklar

Empfehlung von Maßnahmen


Überprüfung im Betrieb

Weitere Unterlagen, Daten sichten


QM = ?

ja

nein

8 5


Messpr ogramm

Simulationsst udie

integrierte Simulation

Auswahl weiterer Untersuchungen

ausreichende Erkenntnisse?

ja

9 7

6

10

ausreichende Erkenntnis se?

nein

Identifikation Defizite / Reserven in den Teilsystemen

4

Messpr ogramm

Simulationsst udie

Abbildung 6-2: Ablaufschema integrierte Betrachtung Kanalnetz Kläranlage


zu 1.) Mögliche Fragestellungen / Veranlassungen zur Nutzung des Leitfadens

Die Motivation zur Nutzung des Leitfadens im Hinblick auf einen integrierten Betrieb einer Abwasseranlage kann grob in ökologische und ökonomische Zielsetzungen unterteilt wer-den. Es steht nicht zu erwarten, dass in der Praxis ausschließlich ökologische Fragestellun-gen (sofern sie nicht von außen z.B. behördlicherseits) eine Rolle spielen. Im Wesentlichen werden Fragestellungen relevant sein, bei denen die wirtschaftliche Überlegungen mit einbe-zogen werden.

� Nachweise im Bereich der Mischwasserbehandlung nicht erfüllt (Erweiterung des Systems, An-schluss neuer Gebiete, Gemeinden

� Weitergehende Anforderungen an den Gewässerschutz

� Netzüberlastung

� Neue Vorgaben durch die Aufsichtsbehörde

� Probleme der Grenzwerteinhaltung der KA bei Mischwasserzufluss: Kanalnetzbewirtschaftung zur Vergleichmäßigung des Zuflusses möglich? evtl. Reduktion Drosselabfluss?

� Sind weitergehende Maßnahmen zur Reduzierung von Emissionen möglich?

� Identifikation möglicher Synergieeffekte bei Sanierungs-, Um- oder Ausbaumaßnahmen


zu 2.) Abfrage Grundlagendaten

Da die Erfassung der Grundlagendaten das Fundament aller weiteren Untersuchungen bil-den, ist hierbei mit besonderer Sorgfalt vorzugehen. Es ist daher erforderlich, besonders wichtige Eckdaten in verschiedener Form abzufragen, um eine Plausibilitätsprüfung zu er-möglichen. Die Folge davon ist, dass die Bereitstellung der Daten für die Betreiber von Anla-gen mit einem gewissen Aufwand verbunden sein wird. Die Erfahrungen im Rahmen des Projektes zeigen, dass gerade bei „älteren“ Anlagen (beispielsweise bei der GKA Edenko-ben, Inbetriebnahme im August 1985) einige vermeintlich leicht zu erfassende Kennzahlen nur mit erheblichem Aufwand beschafft werden können. Für die Ermittlung der Grundlagen-daten ist eine Verfügbarkeit der Daten in Form handelsüblicher Dateiformate, wie z.B. gängi-ger Tabellenkalkulationsprogramme von Vorteil.

Kanalnetz angeschlossene Flächen (befestigte Anteile...)

Topografie Gelände und Kanalisation

Charakterisierung Sonderbauwerke (Regenüberläufe, Becken (RÜB, RRB), Pumpwerke, Trennbauwerke..) mit Volumen, Drosselabfluss, Funktion

Netzstruktur, Fließzeiten

mittlere jährliche Niederschlagshöhe

liegt eine Schmutzfrachtberechung vor? � Aussage?

liegt eine Kanalnetzberechnung vor? � Aussage?

Einwohnerstatistiken

Wasserverbrauchszahlen

Betriebstagebücher der Kläranlage bzw. ausgewertet Zusammenstellungen

des Trockenwetterzuflusses zur Kläranlage

des Anteils Schmutzwasser und Fremdwasser

der Konzentrationen bzw. Schmutzfrachten im Kläranlagenzufluss

Kläranlage Anlagentyp / Art der Schlammstabilisierung

Bauwerksdetails / Details maschinentechnische Ausrüstung

stoffliche Auslastung

hydraulische Auslastung

Eigenschaften der Schlamm- Wassertrennung

vorhandene Messtechnik

Art / Alter Prozessleitsystem

(Art der ) Implementierten Steuerungs- und Regelungsstrategien, insbesondere

Strategie zur Prozesswasserbewirtschaftung

Bemessungsunterlagen der Anlage (Verfahrenstechnik und Hydraulik)

Eingesetzte Betriebshilfsstoffe (z.B. Fällmittel, C-Quelle, FHM)

Gewässer Größe, Topografie AE

MNQ/Qs

steil (Mittelgebirge) / flach (Tiefland) / gestaut?

empfindliches Gewässer? / Belastbarkeit?

Temporärgewässer / -abschnitte


zu 3.) Identifikation von Reserven und Defiziten

Die Identifikation von Leistungsreserven bzw. Defiziten der Teilsysteme stützt sich im We-sentlichen auf die im Rahmen der Erfragung der Grundlagendaten erhobenen Kennwerte. Art und Umfang der Kennwerte sollen mindestens die erforderlichen Eingangsdaten entspre-chend der einschlägigen Bemessungsregelwerke umfassen.

Kanalnetz Vergleich erf. Volumen A 128 Formblatt – vorh. Volumen � zusätzliche Volumina erforderlich?

spezifisches Speichervolumen bezogen auf Gesamtgebiet?

viele oder wenige Entlastungsbauwerke?

Bauwerksauslastung homogen? Entlastungsschwerpunkte?

Drosselabflüsse homogen?

komplexe oder einfache Systemstruktur?

Überlastungen im Kanalnetz?

Erfahrungen Kanalbetrieb?

Vergleich Drosselabflüsse Soll – IST?

auf welchen Betriebszustand (Planungshorizont, TW-Anfall, FW-Anfall) sind die Betriebsparameter des Entwässerungssystems (Drosselabflüsse von Sonderbau-werken, Förderleistung an Pumpwerken) ausgelegt?

wie ist das derzeitige Belastungspotential/Auslastungsgrad des Kanalnetzes im Vergleich zu diesem Planungszustand?

Kläranlage Beurteilung der Belastungssituation: Auswertung von 24h- und 2h- Mischproben für verfügbare Parameter gem. Ab-schnitt 4.3 A198 inklusive Ermittlung von Stoßfaktoren sind Probenehmer Durchfluss- oder Zeitproportional angesteuert?

Vergleich der daraus ermittelten Belastung mit Bemessungswerten

Vorhandene Kapazität zum Sauerstoffeintrag?

Ermittlung der Zuflussmengen über mind. 3, besser 5 Jahre

Vergleich der bestehenden hydraulischen Belastung mit Bemessungswerten

Einhaltung der Ablaufwerte

Gewässer besonders empfindliche / schützenswerte Bereiche, in die derzeit entlastet oder eingeleitet wird?


zu 4.) Abschätzung der Möglichkeit eines integrierten Betrieb

In diesem Schritt werden die gesammelten Daten auf die Möglichkeit der Umsetzung einer neuen Abstimmung des Betriebes von Kanalnetz und Kläranlage aufeinander geprüft. Kön-nen aus den bereits gesammelten Daten zufriedenstellende Aussagen gewonnen werden, so werden entsprechende Maßnahmen empfohlen. Bei einer Eignung der Teilsysteme zum in-tegrierten Betrieb wird auch die Größenordnung der möglichen Modifikation des bestehen-den Drosselabflusses abgeschätzt.

Kanalnetz Welche Drosseleinrichtungen befinden sich an den Becken?

Ist eine Änderung des Abflusses möglich? ist ein hoher Umbaubedarf erforder-lich?

Wie ist die Kapazität der weiterführenden Sammler?

Werden unterhalb liegende Bauwerke negativ beeinflusst?

Kläranlage Kann die Kläranlage Grenzwerte bei höherer hydraulischer Belastung einhalten?

Ist eine höhere Zulauffracht zur Kläranlage möglich?

Sind ausgeprägtere Stoßbelastungen der Kläranlage möglich?

Welche Durchflussmenge ist potenziell möglich? (Kapazität der Pumpwerke. Zulauf, Zwischenpumpwerke, Rücklaufschlamm; Kapazität der Gerinne und Rohr-leitungen, vorhandener Mengenmessungen )

Bestehen an hydraulischen Engpässen (z.B. Rücklaufschlammleitung bei runden Nachklärbecken) Erweiterungsmöglichkeiten?

Behebt eine Verringerung der Belastung evtl. betriebliche Probleme?

Ist die bestehende Situation anhand der Datenlage nicht hinreichend eindeutig zu beurteilen, so müssen weitere Daten erhoben bzw. Untersuchungen vorgenommen werden (s. Schritt 5 und 6).

zu 5.) Weitere Unterlagen, Daten sichten

Sind anhand der unter Punkt 2.) erhobenen Daten keine Aussagen zu treffen, bzw. die nach-gefragten Daten nicht vorhanden, so ist die Datengrundlage zu vervollständigen / zu ergän-zen. Eventuell werden bereits unter diesem Punkt Messprogramme notwendig um fehlende Daten zu ergänzen. Es ist damit zu rechnen, dass bis zu diesem Punkt die notwendigen Un-tersuchungen durch den Betreiber durchgeführt werden können.


zu 6.) weitere Untersuchungen

Kanalnetz mögliche Messprogramme

Wasserstandsmessungen an relevanten Becken

Abflussmessungen an markanten Punkten

Qualitätsmessungen an markanten punkten im Kanalnetz

Qualitätsmessungen in Überläufen

zusätzliche Daten bei Schmutzfrachtsimulation (Mindestanforderung)

bei Ziel: Vergleichende Variantenbetrachtung

Genereller Entwässerungsplan bzw. allgemeiner Kanalisationsplan mit IST und PLAN-Zustand (genaue Flächenzuordnungen)

Planzeichnungen der Sonderbauwerke, Angaben zu Pumpwerken, Drosselorga-nen und evtl. vorhandenen Steuerungseinrichtungen

Niederschlagsdaten

zusätzliche Daten bei Schmutzfrachtsimulation zur Kalibrierung der Modelle (Min-destanforderung)

Messungen s.o.

Kläranlage Messreihen zur Simulation der KA, wie in diesem Projekt durchgeführt, dabei

Bestimmung der leicht abbaubaren CSB-Fraktionen im Zulauf der KA

Bestimmung der inerten (gelösten) Anteile im KA Ablauf

Bestimmung der Säurekapazität im KA Zu- bzw. Ablauf

evtl. Tracerversuche zur Klärung hydraulischer Fragestellungen bzw.

Herbeiführen von Stoßbelastungen (z.B. mithilfe NH4-N) und Beobachtung (Be-probung) der Reinigungsleistung der verschiedenen KA- Stufen

zu 7.) Empfehlung von Maßnahmen bei keiner Eignung zum integrierten Betrieb

Unter diesem Punkt werden, soweit aus den erhobenen Daten möglich, Hinweise zu einer Betriebsoptimierung der Teilsysteme, die ohne eine Implementierung eines integrierten An-satzes sinnvoll erschienen, gegeben. Mögliche Maßnahmen sind, soweit sie getrennt auf eines der Teilsysteme anzuwenden sind, der Liste unter Schritt 8 und 9 zu entnehmen.

zu 8. und 9.) Empfehlung von Maßnahmen bei Möglichkeit zum integrierten Betrieb

Sind die vorhandenen Anlagen zum integrierten Betrieb geeignet wird neben Empfehlungen zum Betrieb der Teilsysteme auch eine Abschätzung des potenziell möglichen Drosselab-flusses vorgenommen. Wichtig ist dabei ist nicht nur eine die Betrachtung der Schnittstelle, sondern, wie das Beispiel der Referenzanlage Zweibrücken zeigt, auch die Möglichkeit zur Optimierungen der Teilsysteme zu bewerten. Nach diesen Empfehlungen kann dann im Ein-zelfall eine abschließende Bewertung der Kosten nach konventioneller Planung (sofern vor-handen) und den Kosten der empfohlenen Maßnahmen erfolgen.


Kanalnetz Beispiele mögliche Maßnahmen in Abhängigkeit von Analyse und Systemkenntnis

Maßnahmen zur Anpassung von Drosselabflüssen an Becken

statische Drosselabflussanpassung am netzabschließenden Becken

dynamische Anpassung Drosselabfluss netzabschließendes Becken an momentane Kläranlagenkapazität (MSR-Technik Becken notwendig)

statische /dynamische Anpassung Drosselabflüsse an mehreren Becken

weitere zusätzliche Maßnahmen s. Punkt 7

v.a. Maßnahmen zur Regenwasserbewirtschaftung sind sinnvoll

Beispiele mögliche Maßnahmen in Abhängigkeit von Analyse und Systemkenntnis

Maßnahmen zur Anpassung von Drosselabflüssen an Becken (nicht am netzab-schließenden Becken)

Ziel: gleichmäßige Auslastung, Verlagerung von Entlastungsschwerpunkten, ...

statische Drosselabflussanpassung an einzelnen Becken

dynamische Anpassung Drosselabflüsse einzelner Becken (Ver bundsteuerung)

Maßnahmen bei nicht ausreichender Kapazität Kanalisation (Überlastung)

Anordnung zusätzlicher Retentionsvolumina

Ausbau von Kanälen

Netzumschlüsse zur Kapazitätsverlagerung

Maßnahmen bei nicht ausreichender Mischwasserbehandlung

Anordnung von zusätzlichen Speicher und Behandlungvolumen (durch andere Maßnahmen zu vermeiden s.u.)

Maßnahmen zur weitergehenden Mischwasserbehandlung

Retentionsbodenfilter

Rechen /Siebe

Maßnahmen zur Regenwasserbewirtschaftung

Abkopplungsmaßnahmen

Regenwassernutzung

Regenwasserversickerung

getrennte Ableitung von Regenwasser

gezielter Rückhalt / Retention im System

Kläranlage Betriebsoptimierung im Hinblick auf

Prozesswasserbewirtschaftung

Belüftung

Rückführverhältnis unter den Gesichtspunkten Rezirkulation und Rücklaufschlammmenge

Empfehlung geeigneter Geräte zur Prozessüberwachung / -steuerung im Hinblick auf geänderte hydraulische Belastung


zu 10.) Überprüfung im Betrieb

Die empfohlenen Maßnahmen bedürfen, insbesondere bei der Implementierung modifizierter Drosselabflüsse einer Überprüfung in der Praxis. Gerade bei erhöhten Drosselabflüssen müssen geeignete Messprogramme den Nachweis erbringen, dass die getroffenen Maß-nahmen die Funktion der Anlagen nicht gefährden, sondern eine Verbesserung der beste-hende Verhältnisse herbeiführen. Allgemein ist zu berücksichtigen, dass die Genehmigungen von Anlagen und Betriebszuständen beachtet werden müssen und bei Änderungen i.d.R. die zuständigen Behörden hinzugezogen werden müssen.


7 Ausblick

Die Ergebnisse und Erfahrungen während der Messprogramme im Rahmen des Projekts EPIKUR bilden eine gute Grundlage für weitergehende Untersuchungen, die aus Gründen der Akzeptanz bei den Betreibern zwingend erforderlich scheinen. Im einem Demonstrati-onsvorhaben ist eine exemplarische Umsetzung der entwickelten Strategien in die Groß-technik geplant. Hinsichtlich der Machbarkeit ganzheitlicher Ansätze im realen Kläranlagen-betrieb muss noch erhebliche Überzeugungsarbeit geleistet werden. Insbesondere wird häu-fig darauf verwiesen, dass Untersuchungen im Rahmen von Simulationsstudien die Proble-me im großtechnischen Betrieb nur näherungsweise abzubilden vermögen.

Aus diesem Grund ist es erforderlich, die Machbarkeit anhand großtechnischer Untersu-chungen an ausgewählten Referenzanlagen aufzuzeigen und den Verantwortlichen detaillier-te Hinweise zur Umsetzung entsprechender Ansätze zu geben.

Weiterhin ist es notwendig – insbesondere vor dem Hintergrund der Umsetzung der EU-WRRL in Rheinland-Pfalz (Entwicklung von Maßnahmenplänen im Rahmen eines Bewirt-schaftungsplans; Kosten-Nutzen-Effekte) - anhand des vorläufigen Leitfadens eine Rangfol-ge (Prioritätenliste) von Objekten zur Umsetzung integrierter Ansätze in Rheinland-Pfalz zu entwickeln. Hierbei ist abzuschätzen werden, bei welchen Einzugsgebieten und Anlagen integrierte Ansätze möglich und sinnvoll sind und welches Kosten- sowie Emissionsminde-rungspotenzial hierbei aktiviert werden kann.

Das MuF Rheinland-Pfalz hat zwischenzeitlich ein Projekt initiiert, mit dem Ziel, die aufge-zeigten Lücken zu schließen und Untersuchen in der Großtechnik zu realisieren. Die Ergeb-nisse dieser Untersuchungen werden dann in einem Leitfaden zur integrierten Planung sowie zum integrierten Betrieb einfließen, der Behörden, Kommunen und Planungsbüros eine sys-tematische Vorgehensweise bei der Umsetzung ganzheitlicher Ansätze aufzeigt.

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105

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Anlagen

109

9 Anlagen

9 Anlagen.......................................................................................................................109

9.1 Checkliste zur Auswahl der Referenzanlagen ......................................................110

9.2 Übersichten über die Referenzeinzugsgebiete.....................................................111

9.3 Activated Sludge Model No. 3 – ASM 3................................................................114

9.4 Ganglinien ZKA ZW .............................................................................................117

9.5 GKA Edenkoben: Schlammvolumen während Weinbaukampagne 2003..............118

9.6 Ermittlung der CSB Kläranlagenablaufkonzentrationen........................................119

9.7 Messprogramme: Vergleich der SAK – CSB Messungen.....................................123

9.8 Kalibrierungsergebnisse und Fließschemata der Modellanlagen..........................124

9.9 Kalibrierungsergebnisse ZKA Zweibrücken..........................................................128

9.10 Zuflussmengen der Modellkläranlagen für die Simulation der Einzelereignisse 131

9.11 Ablaufkonzentrationen der Simulation der Einzelereignisse Modell GKA Wallhalben......................................................................................................................133

9.12 Ablaufkonzentrationen der Simulation der Einzelereignisse Modell ZKA Zweibrücken ...................................................................................................................136

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Projekt EPIKUR - tectraa.bauing.uni-kl.detectraa.bauing.uni-kl.de/downloads/projekte/Schlussbericht_Epikur_kurz.pdf · Abschlussbericht Projekt EPIKUR Erprobung und Entwicklung eines