Herausforderungen in der Wasserwirtschaft Aufgaben für die Wasserforschung am Beispiel Berlin

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1 Herausforderungen in der Wasserwirtschaft Aufgaben für die Wasserforschung am Beispiel Berlin 7. BMBF-Forum für Nachhaltigkeit Session C2 Nachhaltiges Wassermanagement 2. November 2010 Andreas Hartmann Kompetenzzentrum Wasser Berlin gemeinnützige GmbH 1

2 Wasser in der Hauptstadtregion gewässerreich km Flüsse und Seen größer als 1 ha... aber wasserarm Niederschlag = Verdunstung 550 mm/a Qm [ m³/s] Rhein Oder Spree Havel Abwassereinleitungen Mittlere jährliche Abflüsse

3 Vielfältige Nutzungen Trinkwassergewinnung Erholung, Baden, Schwimmen Schifffahrt und Bootsverkehr Binnenfischerei Quelle für Grundwasseranreicherung Vorfluter für Kläranlagen Regenwasser 3

4 Wassermanagement in Berlin Einwohner: Fläche: Gewässerfläche: Niederschlag: Verdunstung: 3,4 Mio. 890 km² 53 km² (6% Stadtfläche) 550 mm/a mm/a Frankfurt Stuttgart München Abwasserbehandlung 231 Mio. m³/a km Rohrnetz 6 Klärwerke 148 Pumpwerke Trinkwasser 209,3 Mio. m³/a km Rohrnetz 9 Wasserwerke 700 Brunnen Mischwasser 7 Mio. m³/a 170 Einleitungsstellen 0.16 Mio. m³ Stauraum Regenwasser 37 Mio. m³/a 92 km² Fläche 4 Bodenfilteranlagen 3264 km Rohrnetz 4

5 Herausforderungen für Berlin Management eines teilweise geschlossenen Wasserkreislaufs 5

6 Herausforderungen für Berlin Management eines teilweise geschlossenen Wasserkreislaufs 6

7 Herausforderungen für Berlin Prognosen für 2040 Rückgang der Niederschläge Zunahme Verdunstung Geringere Abflüsse, insbesondere im Sommer Erhöhung der Anteile abwasserbürtigen Wassers in Fließgewässern Herausforderungen für die Zukunft Gewährleistung einer hohen Versorgungssicherheit Sicherstellung der Nutzung regionaler Wasserressourcen Behutsamer Umgang mit der Natur in Wasserver- und Entsorgung Effizienteres Energiemanagement Umsetzung Wasserrahmenrichtlinie Germany: average annual precipitation (source: DWD) Integriertes Wasser- management 7

8 Forschungsschwerpunkte in Berlin Grundwasser Spurenstoffe Nährstoffbelastung Infrastrukturanpassung Energieeffizienz 8

9 Herausforderung Grundwasser - Die Untergrundpassage von Oberflächenwasser ist in Berlin ein essentieller Baustein der Trinkwasseraufbereitung DOC und organische Spurenstoffe werden teilweise nur begrenzt zurückgehalten A B Ox Ox Verbesserung der Prozesse Grundwasseranreicherung und Uferfiltration Kombination von Ozonierung und Untergrundpassage monitoring wells O 3 5 d 10 d 20 d production well (travel time 50 d) 2-5 m (max. 10 m) max. 20 m ambient groundwater flow (k f = m/s) 9

10 Herausforderung Spurenstoffe - Anwendung des Vorsorgeprinzips in der Wasserwirtschaft - Weiterentwicklung des Wissens zur ökologischen und humantoxikologischen Wirkungen von Spurenstoffen - Risikobewertung, Vermeidung und technische Entfernung Ökotoxizität von Spurenstoffen in Gewässern Pilot ox O 3 Sulfamethoxazol Antibiotika in DE: 53 T/a Diclophenac Schmerzmittel in DE: 80 T/a Carbamazepin Antiepileptikum in DE: 87 T/a Quellen: LANUV 2007, Reddersen 2004, Schittko et al. 2004, Zühlke

11 Herausforderungen Nährstoffbelastung, Energieeffizienz - Optimierung von Prozessen der weitergehenden Abwasserbehandlung - Bewertung mit Lebenszyclusanalysen (LCA) Kombinationsverfahren Ozonung, Fällung/Flockung, Membranverfahren, Mikrosiebung Investment (M ) Yearly Energy requirement (MWh) Coag. / Floc. / Membrane (TP < 50 µgp/l) Coag. / Floc. / Sandfilter / UV (TP < 80 µp/l) Coag. / Floc. / Microsieve / UV (TP < 80 µgp/l) 11

12 Herausforderung Nährstoffbelastung - Relevanz von Stickstoffeinträgen für die Gewässerökologie Ökosystemare Modellierung Bewertung von technischen Maßnahmen zur Stickstoffreduktion Projekt Nitrolimit Bewertung von Stickstoffeinträgen in Binnengewässer 12

13 Herausforderung Nährstoffbelastung - Prognose der Zunahme von Starkregen Hydraulischer Stress, Toxizität (NH 3 ) Sauerstoffdefizit durch Nährstoffabbau Eutrophierung Entscheidungshilfe zur Bewertung der ökologischen Relevanz von Rückhaltemaßnahmen Rainfall Runoff and Sewer System CSO Infoworks CS Number of critical situation Q COD NH 4 Hydrax River Hydraulics Q H Qsim River Quality DO NH 3 Statistics analysis 13

14 Herausforderung Infrastrukturanpassung - Rückgang des Wasserverbrauchs bei gleichbleibenden Schadstofffrachten - Vermeidung Geruch und Korrosion im Kanalnetz Entwicklung von Vorhersage- und Vermeidungsstrategien für Abwasserkanäle: Einsatz von Geruchssensoren Altrasense (2008) 14

15 Herausforderung Energieeffizienz GWh pro Jahr von deutschen Kläranlagen = Energiebedarf von 900,000 4-Personen-Haushalten - 3 Millionen Tonnen CO 2 pro Jahr - Größter Energieverbraucher in Kommunen (~ 30%) vor Schulen, Krankenhäusern und Beleuchtung Entwicklung von Effizienzmaßnahmen bis hin zur Nutzung von Abwasser als regenerative Energiequelle 400% Forecasted Energy Usage Water Industry in UK 300% 200% Oxeram CoDiGreen Carismo 100% Sources: UK Council for Science and Technology (adapted) Improving innovation in the water industry,

16 Herausforderung Energieeffizienz Theoretischer Energiegehalt im Abwasser: 120 g CSB/EW*d (n. ATV A131) KWh/EW*a CSB zu Strom CSB Verbrennungswärme Abwärme Gefälleenergie Quelle: Rosenwinkel, Berlin, 2006 heute: Energie aus Faulgas brutto kwh/ew*a morgen: Potenzial bis zu 300 kwh/ew*a aus Abwasser Vision: Anteil von mehr als 10 % an allen regenerativen Energiequellen in Deutschland??? 16

17 Herausforderung Energieeffizienz Ziel: nachhaltiges Klärwerk Konzept «Biofabrik» Energieproduktion Düngerproduktion (N, P, Mg etc) CO 2 Einsparung (carbon credits) Biopolymer / Bioplastik etc. mit (erweiterter) Abwasserbehandlung! Life Cycle Assessment (LCA): die Methode für die gesamtökologische Bewertung «From Cradle to Grave» Alle Umweltwirkungen (Luft, Wasser, Boden) Direkter UND indirekter Energieverbrauch Chemikalien- und Ressourcenverbrauch 17

18 Zusammenfassung Forschung für Nachhaltiges Wassermanagement in Berlin Integrierte Konzepte mit Ausgleich unterschiedlicher Nutzungsinteressen Natur und Artenvielfalt Kosten/Nutzen Gesundheit/Soziales Achtung: Vorsorge- bzw. Vermeidungsprinzip! 18