Neue Wege in der Fremdwasserbestimmung.

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Berndt Sauer
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1 61. Hauptmitgliederversammlung, 8. April 25 Neue Wege in der Fremdwasserbestimmung. Verbesserte Quantifizierung mit Tracermethoden? Oliver Kracht und Willi Gujer Die einwandfreie Funktionsweise und der gute strukturelle Zustand eines Kanalnetzes sind Schlüsselparameter, um den ordnungsgemässen Abwassertransport zu gewährleisten. Dem Problem der Fremdwasserzuflüsse ist für die Betriebsoptimierung der Abwasserreinigungsanlagen (ARA) und den Schutz der Vorfluter eine grosse Bedeutung beizumessen. Das Fremdwasser vermindert durch eine zusätzliche hydraulische Belastung der ARA deren klärtechnische Leistung und bewirkt so durch die Erhöhung der Ablauffracht eine unnötige Belastung der natürlichen Gewässer. Ebenfalls wird die für Regenereignisse verfügbare Kapazitätsreserve der ARA reduziert, die Entleerungszeit der Regenüberlaufbecken verlängert und deshalb häufiger Mischwasser in die Vorflut entlastet. Darüber hinaus werden der Energieverbrauch und damit die Betriebeskosten von Pumpwerken und ARA durch die vergrösserte Abwassermengen unnötig erhöht. Derzeitige Annahmen über den Fremdwasseranteil der den Kläranlagen zufliessenden Abwassermengen betragen im europäischen Überblick bis zu mehrere Zehnerprozente. Die heute gebräuchlichen Methoden zur Bestimmung des Fremdwasseranteiles (z.b. über die Bilanzierung von Trinkwasserverbrauch und Abwasseranfall oder die Bestimmung des Nachtminimums des Trockenwetter-Zuflusses) sind in der Regel noch mit grossen Unsicherheiten behaftet. Zudem werden wir bereits in der nahen Zukunft verstärkt mit deutlich veränderten Abflussbildern zu rechnen haben: Einerseits werden Wasser verbrauchende Geräte auch von Privathaushalten verstärkt in den Nachtstunden betrieben (Energiekosten). Anderseits dehnen sich die Kanalnetze in den wachsenden Ballungsräumen immer weiter aus. In einigen Abschnitten solcher Kanalisationen fliesst so gegebenenfalls zu jeder Tages- und Nachtzeit Schmutzwasser, weil Abwasserwellen aus unterschiedlich weit entlegenen Stadtteilen zeitlich versetzt eintreffen. Ein Bedarf an neuen, praktikableren Werkzeugen zur Fremdwasserbestimmung ist somit nicht von der Hand zu weisen. An der EAWAG wurden im Rahmen des europäischen Forschungsvorhabens APUSS («Assessment of the Performance of Urban Sewer Systems») innovative Tracermethoden zur 17

2 Quantifizierung von Fremdwasserzutritten entwickelt. Die untersuchten Messmethoden beruhen auf der Verwendung natürlicher Tracer. Im Vergleich zu bisherigen Verfahren wird mit dieser zusätzlichen Information eine zuverlässigere Bestimmung der auftretenden Infiltrationsmengen erzielt. Damit können die Tracermethoden vor allem im Hinblick auf eine objektivierte Planung der stets mit erheblichem wirtschaftlichem und technischem Aufwand verbundenen Kanalisationssanierungen wertvolle Informationen liefern. Zur Infiltrationsbestimmung werden zwei verschiedene Ansätze verfolgt: Methode 1 nutzt die Isotopenzusammensetzung des Wassers als natürlichen Tracer und ist anwendbar, wenn lokales Trinkwasser und Infiltration unterschiedliche Sauerstoff- bzw. Wasserstoffisotopenverhältnisse aufweisen. Wasser (H 2 O) setzt sich in der Natur vorwiegend aus den stabilen Isotopen Wasserstoff ( 1 H), Deuterium ( 2 H), Sauerstoff-16 ( 16 O) und Sauerstoff-18 ( 18 O) zusammen. Die Isotopenverhältnisse verschiedener Wässer lassen sich massenspektrometrisch sehr genau bestimmen und werden in der Hydrologie und Klimatologie bereits seit mehreren Jahrzehnten zur Untersuchung von Prozessen in der Umwelt genutzt. Ein mögliches Anwendungsbeispiel für die Fremdwasserbestimmung mit der Isotopenmethode sind Schweizer Gemeinden der Ebenen, welche Ihr Trinkwasser aus Seen oder Uferfiltrat von Flüssen beziehen, die aus ihren hydrologischen Einzugsgebieten grosse Anteile von Wasser aus alpinen Niederschlagsregionen beinhalten. Dieses Wasser ist isotopisch leichter als das lokale Grundwasser, das aus örtlichen Niederschlägen gebildet wird. Entsprechend lässt sich potentiell auch das kommunale Abwasser als isotopisch leichter gegenüber dem als Fremdwasser in den Kanal zutretenden Grundwasser unterscheiden. Die Genauigkeit der Bestimmungen hängt allerdings wesentlich von der natürlichen Variabilität der Isotopenzusammensetzung der möglichen Infiltrationsquellen (z.b. Grundwasser, Bacheinleitungen etc.) ab. Methode 2 bestimmt den Fremdwasseranteil indirekt durch eine kombinierte Analyse des zeitlichen Verlaufes der Schmutzstoffkonzentration ( Pollutograph ) und der Abflussganglinie. Die Fremdwasserbestimmung durch chemische Abwasseruntersuchungen findet in der Schweiz bereits seit längerer Zeit ihre praktische Anwendung. Allgemein bekannt sind sicherlich die in den 198-er Jahren veröffentlichen Arbeiten von Hager, Bretscher & Raymann ( Methoden zur indirekten Fremdwasserermittlung in Abwassersystemen in Gas- Wasser-Abwasser (1984), Berichte des damaligen Bundesamt für Umweltschutz). Eine detaillierte Untersuchung der Tagesvariationen der Abwasserzusammensetzung war in der Vergangenheit allerdings insbesondere durch die verfügbare Messtechnik (Laboranalysen an diskreten Abwasserproben) limitiert. Moderne In-line-Sonden erlauben nun seit einigen Jahren eine direkte Bestimmung von Verschmutzungsparametern im Abwasserstrom. Die so ermöglichte Aufzeichnung der Messwerte mit hoher zeitlicher Auflösung und über längere Zeiträume liefert die Grundlage für eine differenzierte Daten- und Fehleranalyse. Die Datenauswertung erfolgt mit Hilfe eines Mischungsmodells zu Beschreibung der Schmutzstoffkonzentrationen in Abhängigkeit von der Abwassermenge und der Zeit. Die Variation der Verschmutzung im untersuchten Abwasser ergibt sich hierbei aus dem Tagesgang des Schmutzwasseranfalls und der Schmutzwasserkonzentration (24h-Rhytmus) und dem sich nur langsam ändernden Fremdwasserzufluss (konstanter Basisabfluss, zusätzlicher exponentiell abnehmender Zwischenabfluss nach niederschlagsreichen Perioden). Durch eine Kalibrierung des Modells anhand der im Untersuchungszeitraum gemessenen Zeitreihen wird indirekt der Fremdwasseranfall bestimmt. Ausgewählte Folien der Präsentation (siehe nächste Seite): 18

3 Neue Wege in der Fremdwasserbestimmung Szenario: 1 % des Wasserverbrauches werden in die Nachtzeit verlagert. Abwasseranfall [l/s] Fremdwasser Zeit [Tage] Isotopenzusammensetzung im Wasserkreislauf δ 18 O [ ] Regen Wasserdampf % 2% 4% 6% 8% 1% Ausgeregneter Anteil Schnee Temperatur [ C ] Modellbeispiel für die Entwicklung der isotopischen Zusammenensetzung im Niederschlag 19

Isotopenzusammensetzung im Wasserkreislauf δ 18 O [ ] Geographische Verteilung der Isotopenzusammenensetzung im Niederschlag IAEA (21): GNIP Maps and Animations, International Atomic Energy Agency,

4 Isotopenzusammensetzung im Wasserkreislauf δ 18 O [ ] Geographische Verteilung der Isotopenzusammenensetzung im Niederschlag IAEA (21): GNIP Maps and Animations, International Atomic Energy Agency, Vienna. Accessible at Isotopenzusammensetzung im Wasserkreislauf δ 18 O-Mittelwerte für Grundwässer und Flüsse in der Schweiz -8 δ 18 O [ ] Jura Alpen und Mittelland mittlere Höhe des Einzugsgebietes [ Meter ü. Meer ] umgezeichnet anhand Daten aus Siegenthaler, Schotterer & Oeschger (GWA, 1983) 2

5 Fremdwasserbestimmung mit der Isotopenmethode Rümlang (CH), Hauptsammler zweifache Standardabweichung -9. δ 18 O [ vs VSMOW ] Trinkwasser Grundwasser Abwasser Mittelwert : 2: 6: 1: 14: 18: 22: 2: Messung der Isotopenzusammensetzung Fremdwasserbestimmung mit der Isotopenmethode 4 Rümlang (CH), Hauptsammler σ(δ 18 O Grundwasser ) =.17 σ(δ 18 O Trinkwasser ) =.2 σ(δ 18 O Abwasser ) =.8 σ(q Wastewater ) Offset = 1.2/ 3 [l/s] σ(q Wastewater ) relativ =.15/ 3 3 Q [l/s] 2 Q Abwasser 1 Q Infiltration 22: 2: 6: 1: 14: 18: 22: 2: Komponentenzerlegung des Abwasserhydrographen 21

1 8 Rümlang (CH), Hauptsammler CSB Messung CSB Modell CSB CSB Abwasser Schmutzwasser ( Q Q ) CSB = Q Abwasser Infiltration Schmutzwasser

6 Auswertung von Pollutograph und Abflussganglinie 8 Abwasser Pollutograph CSB eq. [mg/l] : 6: 12: 18: : 6: 12: 18: : 6: In-line Messungen mit hoher zeitlicher Auflösung Auswertung von Pollutograph und Abflussganglinie 1 8 Rümlang (CH), Hauptsammler CSB Messung CSB Modell CSB CSB Abwasser Schmutzwasser ( Q Q ) CSB = Q Abwasser Infiltration Schmutzwasser Abwasser = f (, t Q ) Schmutzwasser CSB-eq. [mg/l] 6 4 QInfiltration = QBasisabfluss + QZwischenabfluss Anpassung einer modellierten Zeitreihe an die CSB-Messwerte 22

7 Auswertung von Pollutograph und Abflussganglinie 4 3 Q [l/s] Schmutzwasser Infiltration: Zwischenabfluss Infiltration: Basisabfluss Komponentenzerlegung des Abwasserhydrographen Einfluss von Messunsicherheiten relative Häufigkeitsdichte Q Infiltration, 24h-total [m 3 ] Isotopen Methode Pollutographen Methode X Infiltration, 24h-Mittelwert [] Geschätzte Infiltration: 38 (32-47) % Geschätzte Infiltration: 37 (32-42) % Resultate aus n = 1 Monte Carlo Simulationen mit Variation der Eingangsgrössen (Summenwerte für einen 24-h Bezugszeitraum) 23

oliver.kracht@eawag.ch 61. Hauptmitgliederversammlung, 8. April 25 Projektpartner: Dokumentation: Software: Forschung: Berlin, Dresden, Rom, London, Lyon, Lissabon, Prag... wiss.

8 61. Hauptmitgliederversammlung, 8. April 25 Projektpartner: Dokumentation: Software: Forschung: Berlin, Dresden, Rom, London, Lyon, Lissabon, Prag... wiss. Artikel, Anleitungen (SOP), und Beispieldatensätze freeware, kein GUI, scripts zur Datenanalyse allfällige Limitierungen 24

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