Siedlungswasserwirtschaft im ländlichen Raum. Abwasserentsorgung

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1 Siedlungswasserwirtschaft im ländlichen Raum Abwasserentsorgung

2 Impressum: Siedlungswasserwirtschaft im ländlichen Raum - Abwasserentsorgung Herausgeber Weiterbildendes Studium Wasser und Umwelt Bauhaus-Universität Weimar Coudraystraße Weimar in fachlicher Kooperation mit der DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.v. Theodor-Heuss-Allee Hennef 3. Auflage März 2013 Bezugsmöglichkeiten: Universitätsverlag Weimar Fax: 03643/ marita.fein@uni-weimar.de DWA Tel: 02242/ Fax: 02242/ kundenzentrum@dwa.de Internet: Redaktion: Weiterbildendes Studium Wasser und Umwelt Satz und Layout: Dipl.-Ing. Roy Holzhey Druck: docupoint GmbH Magdeburg Bildquelle Buchdeckel: Modellvorhaben WRRL-Pilotanlage Kommunalabwasser Wüstheuterode des WAZ Obereichsfeld, Bj ISBN:

3 Vorwort Vorwort Die Arbeitsgruppe Weiterbildendes Studium Wasser und Umwelt bietet ein Fernstudium mit den Schwerpunkten Wasserbau und Hydraulik, Siedlungswasserwirtschaft und Abfallwirtschaft an. Das vorliegende Buch ist ein weiterer Band einer Serie, die den Stoff eines Kurses aus diesem Studium enthält. Die Kursteilnehmer des Fernstudiums erhalten über die Schriftform hinaus eine fortlaufende Betreuung in Form von Aufgaben, die zu einer abschließenden Prüfung führt. Das Weiterbildende Studium Wasser und Umwelt in Weimar entstand aus einer engen Zusammenarbeit mit der Leibniz-Universität Hannover und den Verbänden DWA und DVGW. Es bot zunächst nur Fernstudiengänge im Zertifikatstudium an, wurde aber dann zum Masterstudiengang weiterentwickelt. Die Studieninhalte werden in Kursform angeboten, wobei insgesamt mehr als 25 Kurse zur Auswahl stehen. Einer dieser Kurse umfasst die Siedlungswasserwirtschaft im ländlichen Raum, der in 2003 zum ersten Mal angeboten wurde. Das Skript ist inhaltlich zweigeteilt. Im ersten (vorliegenden) Teil dieser beiden Bände wird die Abwasserentsorgung im ländlichen Raum behandelt. Der zweite Teil behandelt den gesamten Bereich der Wasserversorgung. Dieses Buch wie auch das Studium richtet sich an Hochschulabsolventen/innen, die im Bereich Wasser und Umwelt als Fachkräfte bei Behörden, Unternehmen, Verbänden, Ingenieurbüros, Instituten und anderen Einrichtungen tätig sind oder zukünftig tätig werden. Hier sehen wir die Chance, die Lehrinhalte auch zur Diskussion in die Öffentlichkeit zu stellen und allen zugänglich zu machen. Wo es um wichtige Umweltfragen geht wie bei der Abwasserentsorgung, sollten stets die neuesten Erkenntnisse hinzugezogen und für die praktische Umsetzung verwendet werden können, so wie wir uns auch bemühen, die aktuellen Ergebnisse aus Forschung und Praxis mit einzubeziehen. Das vorliegende Buch basiert auf einer Lehrbriefsammlung des Kurses Siedlungswasserwirtschaft im ländlichen Raum WW59 des Weiterbildenden Studiums Wasser und Umwelt, die unter Leitung von Dr.-Ing. Günter Fehr im Jahre 2003 mit großem Engagement erstellt wurde. Für die Kapitel zu Grundlagen waren die Autoren: Dr. H.-J. Rapsch, W. Haun, Dipl.-Ing. Finke, Dr. U. Hagendorf, Dr. G. Neemann, Dr.-Ing. M. Oldenburg, für die Kapitel zur Ökonomie die Autoren: Prof. Dr.-Ing. Th. Schmitdtke, Dr.-Ing. Günter Fehr, Dr.-Ing. K. Ritter, Dr. rer. nat. L. Karsten, Dipl.-Ing. H. Robisch und für die Kapitel zur Abwasserableitung/Abwasserbehandlung die Autoren: Prof. Dr.-Ing. R. Feldhaus, H. Rustige, Dipl.-Ing. J. Müller, Dr. K. Flasche, Dipl.-Ing. S. Ahrens, Dipl.-Ing. S. Rehfus verantwortlich. Seit dem Jahr 2007 wurden die Skripte von Frau Dipl.-Ing. Sonja Sauer (inawa, Weimar) mehrfach vollständig überarbeitet und aktualisiert. Der Fokus dieser jüngsten Überarbeitung lag auf der Anpassung insbesondere der drei Themengebiete Recht, Neuartige Sanitärsysteme und Wirtschaftlichkeit an die fachlichen Entwicklungsprozesse. Darüber hinaus konnte für diese dritte Auflage Herr Dipl.-Ing. (FH) H.-J. Temann M.Sc. für die Abfassung eines neues Unterkapitels zu Teilortskanalisationen gewonnen werden. Wir danken allen, die an der Bearbeitung der vorliegenden Ausgabe mitgewirkt haben, recht herzlich. Dieser Dank gilt vor allem unserem Teamchef Dr.-Ing. H.-W. Frenzel für die Verwaltung und Organisation der Kurse, Frau Dipl.-Ing. S. Sauer und Herrn Dipl.-Ing. (FH) Dipl.-UWT S. Büttner für die Restrukturierung und Aktualisierung des Skriptes, Herrn Dipl.-Ing. R. Holzhey verantwortlich für den Satz und die Gestaltung aber auch den weiteren Mitarbeitern der Arbeitsgruppe Wasser und Umwelt der Bauhaus-Universität Weimar, die die Herausgabe des Kurses in Buchform erst ermöglicht haben, und den Kursteilnehmern für ihr Interesse und ihre Rückmeldung. Möge die Fortsetzung dieser Reihe im Wissensgebiet Wasser und Umwelt in der Fachwelt eine freundliche Aufnahme finden und der Aufgabe dienen, unsere Umwelt und die Ressource Wasser einer fachgerechten und nachhaltigen Nutzung zuzuführen. Weimar, im März 2013 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong Leiter der Professur Siedlungswasserwirtschaft der Bauhaus-Universität Weimar I

4 Vorwort II

5 Inhaltsverzeichnis Vorwort Einführung Geschichtlicher Rückblick Allgemeine Vorbemerkungen Die Wasserversorgung und Abwasserbeseitigung im antiken Rom Vom Mittelalter bis zur industriellen Revolution Die Wasserversorgung Die Abwasserbeseitigung Wasserversorgung und Abwasserbeseitigung seit der Industrialisierung Die Wasserversorgung Die Abwasserbeseitigung Stand der Entwicklung Konventionelle Entsorgungssysteme Definition zentrale/dezentrale Systeme Zentrale Systeme Dezentrale (Individuelle) Systeme Neuartige Entsorgungssysteme Rechtsgrundlagen und Regelwerke Vorbemerkung Europäisches Recht Bundesrecht Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Abwasserverordnung (AbwV) Abwasserabgabengesetz (AbwAG) Klärschlammverordnung (AbfKlärV) Bauproduktengesetz (BauPG) Die Landeswassergesetze (LWG) Abwasserbeseitigungspflicht Zuständigkeiten Kommunalrecht Technische Regelwerke Normen (DIN-EN) DWA-Regelwerk Regelungen für Kleinkläranlagen Einbau Betrieb und Wartung Überwachung Abwasserableitung im ländlichen Raum Besonderheiten des ländlichen Raumes aus Sicht der Abwasserentsorgung Abwasserarten Schmutzwasser Niederschlagswasser Fremdwasser Entwässerungssysteme Übersicht Zentrale Regenwasserbehandlung Maßnahmen der Regenwasserbewirtschaftung Verfahren Grundlagen der Versickerung Versickerung Flächenversickerung Muldenversickerung Rigolen- und Rohr-Rigolen-Element I III

6 Mulden-Rigolen-Element Mulden-Rigolen-System Schachtversickerung Beckenversickerung Speicherung Behandlung Abschätzung der erforderlichen Behandlungsmaßnahmen Nutzung Verfahren der Schmutzwasserableitung Freigefälleentwässerung Druckentwässerung Prinzip Hauptkomponenten Betrieb und Wartung Anwendung der Druckentwässerung Unterdruckentwässerung Prinzip Hauptkomponenten Betrieb und Wartung Anwendung der Unterdruckentwässerung Gefälledruckleitungen Absetzentwässerung Umgang mit Teilortskanalisationen Ein etabliertes Provisorium Besonderheiten bestehender Teilortskanalisationen Aufbau und Systemgrenzen Entwässerungsgebiete mit Teilortskanalisationen Mögliche Ausprägungen von Tok-Netzen Elemente der Teilortskanalisationen Potenziale und Defizite Zentrale Funktionen Gewässerschutz Kosten und Risiken Nutzung und Integration von Teilortskanalisationen Grad der Nutzung von Tok Traditionelle und neuartige Nutzungsmöglichkeiten Tok als Bestandteil vollständiger Entwässerungssysteme Auswahl sinnvoller Alternativen Abwasserbehandlung in technischen Kläranlagen Begriffsbestimmung Kleinkläranlagen und kleine Kläranlagen Bemessungsgrundlagen Abwasseranfall Schmutzfrachten Verfahren der Abwasserreinigung Mechanische Vorbehandlung Belebungsverfahren Belebungsanlagen mit gemeinsamer Schlammstabilisierung Verfahrenstechnische Weiterentwicklungen des Belebungsverfahrens Tropfkörper- und Rotationstauchkörperanlagen (Biofilmverfahren) Kleinkläranlagen Verfahren Vorbehandlung Ein- und Mehrkammerabsetzgruben Mehrkammer-Ausfaulgruben Biofilmverfahren Tropfkörperanlagen Rotationstauchkörper Belüftetes Festbett Wirbel-Schwebebett-Anlagen Belebungsverfahren Belebungsanlagen SBR-Anlagen IV

7 Belebungsanlage mit Membranfiltration Verfahren ohne Abwasserbelüftung Einleitung der gereinigten Abwässer Einleitung in Fließgewässer Einleitung ins Grundwasser Kalkulation der Versickerungsraten bei Grabenversickerung Kalkulation der Versickerungsraten bei Schachtversickerung Abwasserbehandlung in naturnahen Kläranlagen Definition, Anwendung und Bedeutung von naturnahen Kläranlagen Entwicklungsgeschichte verschiedener Verfahren der naturnahen Abwasserbehandlung Anwendungsmöglichkeiten Aquatische Verfahren, Funktionsweise, Aufbau und Reinigungsleistung Teichanlagen Funktionsweise Aufbau und Konstruktion Bemessung Reinigungsleistung Exkurs: Künstliche Feuchtgebiete Funktionsweise Aufbau und Konstruktion Bemessung Reinigungsleistung Terrestrische Verfahren, Funktionsweise, Aufbau und Reinigungsleistung Bepflanzte Bodenfilter Aufbau und Bemessung von bepflanzten Bodenfiltern Vorbehandlung Horizontalfilter Vertikalfilter Unbewachsene Bodenfilter Klärschlammbehandlung im ländlichen Raum Einleitung Grundlagen Schlammarten Beschaffenheit Schlammanfall Schlammbehandlung Stabilisierungsverfahren Fäkalschlämme Schlamm- und Schlammwasserspeicherung Entsorgungswege Entsorgungsoptionen Wasserabtrennung Technische Verfahren zur Wasserabtrennung Statische Eindickung Maschinelle Eindickung Schlammentwässerung Naturnahe Verfahren zur Wasserabtrennung Trockenbeete Solare Trocknung Klärschlammvererdung Klärschlammvererdung mit Gräsern Klärschlammvererdung mit Schilf Landwirtschaftliche Klärschlammverwertung Neuartige Sanitärsysteme Einleitung Betrachtung von Teilströmen Begriffbestimmung Qualität und Quantität der Teilströme V

8 7.2.3 Behandlung von Teilströmen Toilettensysteme als Element für eine neuartige Sanitärtechnik Toiletten ohne Urinseparation Konventionelle Spültoiletten Toiletten mit geringem Wasserverbrauch Vakuumtoiletten Toiletten mit Urinseparation Separations- oder No-Mix-Toiletten Urinale ohne Wasserspülung Komposttoiletten Spültoiletten mit Feststoffabscheidung und Kompostierung Komposttoiletten mit wassergespültem Urinalteil Komposttoiletten mit Urinseparation Trocknungstoiletten Teilstromverfahren, Projektbeispiele Verfahren mit Urinseparation Dezentrales System Lambertsmühle Urinseparation in Skandinavien Urinbewirtschaftung für zentrale Systeme Verfahren mit Vakuumtoiletten Kleines zentrales System Flintenbreite Zusammenstellung von bisher gesammelten Erfahrungen Überblick über Planungsinstrumente für Maßnahmen in der Abwasserentsorgung im ländlichen Raum Einführung Gewässerbewirtschaftung Bestandsaufnahme Abwasserbeseitigungsplan Planungsgrundsätze Wirtschaftlichkeitsrechnung Modelle für Wirtschaftlichkeitsrechnungen Systematik der Verfahren Investitionsrechnung Verfahren der Investitionsrechnung Dynamischer Kostenvergleich Kosten-Nutzen-Analyse Nichtmonetäre Bewertungsverfahren Fazit Dynamischer Kostenvergleich nach KVR-Leitlinien Grundlagen Eignung Grundbegriffe Barwert, Projektkostenbarwert Kalkulatorischer Zinssatz Untersuchungszeitraum Ablaufschritte der Kostenvergleichsrechnung Kostenermittlung Einzubeziehende Kostenarten Verfahren der Kostenermittlung Berücksichtigung von Preisentwicklungen Aufbereitung der Kosten Umrechnung von Einzelkosten in Kostenbarwerte Umrechnung von Einzelkosten in gleichförmige Kostenreihen Umrechnung gleichförmiger Kostenreihen in Kostenbarwerte Umrechnung progressiv steigender Kostenreihen in Kostenbarwerte Kostengegenüberstellung Einfacher Vergleich von Projektkostenbarwerten und Jahreskosten Vergleich äquivalenter Projektkostenbarwerte Vergleich der zeitlichen Entwicklung der Projektkostenbarwerte Empfindlichkeitsprüfungen und Ermittlung kritischer Werte Kalkulationsansätze Ermittlung dynamischer Gestehungskosten VI

9 9.2.5 Ergebnisinterpretation und Gesamtbeurteilung A Kalkulationsgrößen A.1 Durchschnittliche Nutzungsdauern abwasserwirtschaftlicher Anlagen [LAWA, 2005] A.2 Faktoren für die Kostenrechnung Einsparpotenziale bei der Abwasserableitung Regenwasserbewirtschaftung Einsparmöglichkeiten bei der Schmutzwasserableitung Übersicht Fräsverfahren Pflugverfahren Grabenaushub und automatisierte Verlegeverfahren im Kostenvergleich Sanierungsplanung von Entwässerungssystemen Einführung Spezielle Grundlagen für Wirtschaftlichkeitsrechnungen bei Sanierungsplanungen für Entwässerungssysteme Kanal-/Netzzustand Zustandsprognose Interventionszeitpunkte Alternativenbetrachtungen Nutzungsdauern Beispiel zur Kostenvergleichsrechnung bei Kanalsanierungen Berechnungsgrundlagen Durchführung des Wirtschaftlichkeitsvergleichs Empfindlichkeitsprüfung Individuelle Systeme: Bedarf und Potenzial Bedarf an individuellen Abwasserentsorgungssystemen Bedarf in Deutschland Bedarf in Mittel- und Osteuropa Bedarf bei veränderten Rahmenbedingungen Potenzial für individuelle Abwasserentsorgungssysteme Nutzung von vorhandener Infrastruktur im ländlichen Raum Ausflugsregionen mit starken Belastungsschwankungen Konzepte für Regionen mit Wasserknappheit Organisationsstrukturen Finanzierung von Maßnahmen zur Abwasserentsorgung Allgemeines Exkurs Betriebskostenrechnung Beispiele für monetäre und nichtmonetäre Bewertungen von Alternativen Vorbemerkung Ausgewählte Kostendaten Anforderungen an Kosteninformationen Kostenverteilung bei der Kanalisation Kostenverteilung bei Kläranlagen Kostenverteilung bei Kleinkläranlagen Beispiel für eine Kostenberechnung zur Beurteilung von Wirtschaftlichkeitsgrenzen Allgemeines Projektbeispiel Wirtschaflichkeitsgrenzen Projektbeispiel zur Wirtschaftlichkeitsrechnung nach KVR-Richtlinien Aufgabenstellung Beschreibung der Projektalternativen Eignung der Kostenvergleichsrechnung Kostenermittlung Finanzmathematische Aufbereitung Kalkulationsparameter Kostenumrechnung Kostengegenüberstellung Empfindlichkeitsprüfungen Gesamtbeurteilung VII

10 12.5 Projektbeispiel Kosten-Nutzwertanalyse Methodik Projektbeispiel Literaturverzeichnis Glossar Stichwortverzeichnis VIII