Regenwetterabflüsse im Mischsystem Herausforderungen für den Gewässerschutz Arbeitsblatt DWA-A 102 (Gelbdruck)

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1 Regenwetterabflüsse im Mischsystem Herausforderungen für den Gewässerschutz Arbeitsblatt DWA-A 102 (Gelbdruck) Prof. Dr.-Ing. Theo G. Schmitt Technische Universität Kaiserslautern

2 2 Inhalt 1 Mischwasserbehandlung = Herausforderung!? 2 DWA-A 102: Regenwetterabflüsse 3 Vorgaben zur Mischwasserbehandlung 4 Frachtbilanzierung in Mischsystemen 5 Folgerungen / Ausblick

3 3 RW 1-9 Herausforderungen Mischsysteme? 20 bis 40 Mischwasserüberläufe pro Jahr = widerspricht ( scheinbar ) heutigem Verständnis von Gewässerschutz! EUGh 2014 zu GB: 70 bis 90 Überläufe pro Jahr Verstoß gegen EU-Richtlinie Kommunalabwasser:70-90 Überläufe = keine außergewöhnlichen (Regen-)Ereignisse! in Deutschland: auch nicht viel besser!? Vorgabe im Wasserhaushaltsgesetz (WHG 2009) 55 (2): Niederschlagswasser soll ortsnah versickert, verrieselt oder direkt oder über eine Kanalisation ohne Vermischung mit Schmutzwasser in ein Gewässer eingeleitet werden Gesetzgeber mit eindeutiger Präferenz für Trennverfahren!

4 4 DWA-Regelwerk A 102 DWA-A 102 Gelbdruck 10/2016 Grundsätze zur Bewirtschaftung und Behandlung von Regenwetterabflüssen zur Einleitung in Oberflächengewässer Teil A: Emissionsbezogene Bewertungen und Regelungen für Regenwetterabflüsse in Siedlungen Teil B: Immissionsbezogene Bewertungen und Regelungen zur Einleitung von Regenwetterabflüssen in Oberflächengewässer Verbandsübergreifende Kooperation DWA - BWK: Systembezogene Regelungen Misch- und Regenwasserbewirtschaftung Quellenangabe: DWA (2016): Grundsätze zur Bewirtschaftung und Behandlung von Regenwetterabflüssen zur Einleitung in Oberflächengewässer, DWA-Regelwerk, Arbeitsblatt DWA-A 102 / BWK-A 3, Hennef, Entwurf Oktober 2016

5 5 DWA-A 102, Teil A Emissionspapier Regenwetterabflüsse (niederschlagsbedingte Siedlungsabflüsse) Fortschreibung emissionsbezogener Regelungen aus ATV-A 105, ATV-A 128 / M 177 und DWA-M 153 einheitliche Bewertung Niederschlagsabflüsse für Misch- und Trennsysteme Zielgrößen zum lokalen Wasserhaushalt Bewertung der stofflichen Belastung der Abflüsse Kriterien zur Begrenzung stofflicher Emissionen Maßnahmen / Anlagen zur Regenwasserbehandlung, u.a. Mischwasserbehandlung

6 6 DWA-A 102, Teil A stoffbezogene Bewertungskriterien Abfiltrierbare Stoffe als Referenzparameter Feinanteil AFS63 (< 63 µm) Zielgröße zulässiger Frachtaustrag AFS63 Belastungskategorien I III: gering.. mäßig.. stark belastet Rechenwerte zum Stoffaufkommen AFS63 Kategorien I-III Vorgaben zum Stoffrückhalt in Behandlungsanlagen

7 7 7 Behandlungserfordernis Zielgewässer gering belastet mäßig belastet (Kategorie II) Behandlungserfordernis (Kategorie I) nach Belastungskategorien grundsätzlich ohne Oberflächengewässer Behandlung möglich. stark belastet (Kategorie III) grundsätzlich geeignete technische Behandlung erforderlich Grundwasser Versickerung und ggfs. Behandlung gemäß DWA-A 138 Behandlungsanlagen dezentrale Behandlung von Niederschlagsabflüssen zentrale Behandlung o Regenwasser: Regenklärbecken, Retentionsbodenfilter o Mischwasser: Regenüberlaufbecken, Retentionsbodenfilter, Kläranlage

8 8 8 Regelungen zur Mischwasserbehandlung Vorüberlegungen - Rahmenbedingungen: zukünftige Anwendungen / Fragestellungen Umsetzung Mischwasserbehandlung weit fortgeschritten wenige Anwendungsfälle Bemessung von Anlagen vorrangig: Schmutzfrachtnachweis für bestehende Systeme Orientierung: bisherige Konzepte und Anlagen Anlagen nach ATV-A 128 (1992) nicht ins Unrecht setzen vereinfachtes Bemessungsverfahren Neubemessung einfacher Systeme Gesamtspeichervolumen als Referenz Nachweisverfahren Nachweisverfahren als state of the art

9 9 9 Grundsätze Vorgaben zur Abflussverschmutzung Referenzparameter AFS63 Verschmutzung Q T, Q R Einfluss Starkverschmutzer: CSB im Trockenwetterabfluss Q T im Nachweisverfahren: Einbeziehung weiterer Stoffparameter (CSB/BSB 5, NH 4 -N, P, ) Einfluss dezentrale Regenwasserbewirtschaftung Flächenabkopplung Reduzierung Q R zum MW-Kanal dezentrale Behandlung C R im Niederschlagsabfluss Wirkung zentraler Behandlungsanlagen gezielter Stoffrückhalt ( klärtechnische Maßnahmen ) Retentionsbodenfilteranlage zur Mischwasserbehandlung Nachweisverfahren (Langzeit-Schmutzfrachtsimulation)

10 10 10 Vereinfachtes Bemessungsverfahren Eingangs- und Bemessungsgrößen: Einzugsgebiet (Teil-)Flächen, Flächentypen, Abflusswirksamkeit Trockenwetterabfluss (Q S, Q F ) Bemessungszufluss Kläranlage Q M = f S,QM * Q S + Q F Verschmutzung Niederschlagsabfluss C R Rechenwerte AFS63 für Kategorien I..II..III mittlere Verschmutzung C R,AFS63 = 85 mg/l ( %) zulässige Entlastungsrate Normierung rechnerische Entlastungskonzentration C e entsprechend Relation C T,CSB : C R,CSB : C KA,CSB in ATV-A 128 hier keine Berücksichtigung klärtechnische Wirkung

11 vereinfachtes Bemessungsverfahren Bemessungsgang Mustergebiet DWA-A 102 Symbol Wert Dimension AFS63-Konzentration Mittlere Jahresniederschlagshöhe im Regenwasserabfluss C R,AFS63 =Max(85;(p I *280+p II *530+p III *760)/(5600) hc N,a R,AFS mm mg/l Regenabfluss, angeschlossene 24-h-Mittel befestigte Gesamtfläche Q R =Q M -Q T,aM -Q R,Tr A E,b,a Q R 8064,60 ha l/s undurchlässige mittlerer Abflussbeiwert Gesamtfläche A u = A E,b,a * ψ m ψ m A u 0,7055,65 - ha Anpassungsfaktor längst Fließzeit "undurchlässige im GesamtgebietFläche Au" f Au = -0,8229*ψ m + 1,8333 t f f Au 37,01,26 min - Regenabflussspende mittlere Geländeneigungsgruppe q r =Q R /(A u *f Au ) NG m q r 1,260,92 - l/s längengewichtetes Produkt di nach Gl. (43b) di 0,0029 m TW-Abflussspende aus Gesamtgebiet q T,aM =Q T,aM /(A u *f Au ) q T,aM 0,44 l/s Drosselabfluss zur Kläranlage Q M 98,00 l/s Fließzeitabminderung a f =0,5+50/(t f +100); >= 0,885 a f 0,89 - TW-Abfluss 24-h-Mittel Q T,aM 31,10 l/s mittl. Regenabfluss bei Entlastung Q Eingabedaten TW-Abfluss Tagesspitze R,e =a f *(3,0+3,2*q r )*(A u *f Au ) Q Q T, R,e 368,7 l/s x 48,50 l/s mittleres Mischverhältnis m=(q mittlerer Fremdwasserabfluss R,e +Q R,Tr )/Q T,aM m 11,9 - Q F,aM 7,60 l/s Einflusswert Regenabfluss Jahresniederschlag aus Trenngebieten a h =h N,a /800; >=-0,25; <=0,25 Q R,Tr a h - 2,300,10 l/s - x a -Wert CSB-Konzentration für Kanalablagerungen im Trockenwetterabfluss x a =24*Q t24 /Q tx C T,CSB x a 47815,39 mg/l - di-wert AFS63-Konzentration für Kanalablagerungen im Trockenwetterabfluss di nach Gl. (43b) oder di=0,001*[1+2*(ng m -1)] C T,AFS63 di 150 0,0029 mg/l - tau-wert Flächenanteile für Kanalablagerungen Belastungskategorie I (280 kg/ha*a) τ=430*q 0,45 T,aM *di p I τ 300,87 % - Einflusswert Flächenanteile Kanalablagerungen Belastungskategorie II (530 kg/ha*a) a a =(24/x a ) 2 *(2-tau)/10; >=0 p II a a 600,28 % - Einflusswert Flächenanteile CSB-TW-Konzentration Belastungskategorie III (760 kg/ha*a) a c,csb =C T /600; >=1,0 p III a c,csb 10 1,00 % - maßgebliche Bemessungskonzentration C b,afs63,n = 600*(a c,csb +a h +a a ) C b,afs,n 707 mg/l normierte rechnerische Regenwasserkonzentration C R =MAX(C R,AFS63 *107/85;107) C R 107 mg/l normierte rechnerische AFS63-Entlastungskonzentration C e,afs,n =(c R *m+c b )/(m+1) C e,afs,n 154 mg/l zulässige Entlastungsrate e 0 =(C R -C k )/(C e -C k )*100=3700/(C e -70) e 0 44,1 % Hilfsgröße 1 H1=( *q r )/(0,551+q r ) H Hilfsgröße 2 H2=(36,8+13,5*q r )/(0,5+q r ) H2 34,61 - spezifisches Speichervolumen V s =MAX(H1/(e 0 +6)-H2;0) * f Au, A128 V s 24,91 m 3 /ha spezifisches Mindestspeichervolumen V s,min =3,60+3,84*q r V s,min 7,1 m 3 /ha erforderliches Speichervolumen V=MAX(V s,min *Au;V s *A u ) V m 3 Regenwetterabflüsse im Mischsystem / Theo G. Schmitt /

12 12 12 Nachweisverfahren als Regelanwendung empfohlen modelltechnische Grundlagen DWA-Themen (2012): Schmutzfrachtsimulation in der Siedlungsentwässerung Referenz erforderliches Gesamtspeichervolumen fiktives Zentralbecken modellspezifische Zielgröße zulässige Entlastungsfracht AFS63 [kg/ha a] Ansätze zur Berücksichtigung Abfluss- und frachtmindernder Maßnahmen in Abstimmung mit der Aufsichtsbehörde Fremdwasserabfluss als variable Belastungsgröße Anwendungsbezogen mit Jahresgang, z.b. über Monatswerte oder detaillierte Simulationsansätze Wirksamkeit von Behandlungsanlagen stoffspezifische Betrachtung ausweiten: AFS fein, CSB, NH 4 -N, und generell bei Anwendung von Nachweisverfahren und Gesamtbetrachtung Stoffaustrag Kanalnetz Kläranlage

13 13 13 Behandlungsanlagen Sedimentationsanlagen Wirksamkeit als Funktion von Sedimentation und Speichereffekt (Entleerung zur Kläranlage) Einflussparameter (maximale) Oberflächenbeschickung q A (m/h) z.b. für Regenklärbecken (nach DWA-A 102): Gesamtwirkungsgrad Retentionsbodenfilter Wirksamkeit Sedimentation und Filtration, z.b. nach DWA-A 102 Parameter η sed,rbf η F,RBF Stoffrückhalt AFS63 0,50 0,95

14 14 14 Zielgröße zulässiger Stoffeintrag Frachtbilanz System Mischwasserbehandlung Für Mischsysteme: niederschlagsbedingter Frachtaustrag AFS63 = - Mischwasserüberlauf + - Kläranlagenablauf (Anteil Regenwasser)

15 Frachtbilanzen Stoffparameter Kennwerte für fiktive Stadt: - Einwohner: E - SW-Anfall: 150 l/(e d) q F = 0,1 l/s*ha - Einzugsgebiet A E,k ha Befestigungsgrad γ = 50 % - Jahresniederschlagshöhe h N,a = 750 mm/a - Jahresentlastungsrate e 0 = 40 % Konzentrationswerte - Trockenwetterabfluss CSB = 500 mg/l; AFS = 200 mg/l; NH 4 -N = 40 mg/l; Diclofenac = 1,7 µg/l; PAK 0 µg/l - Niederschlagsabfluss CSB = 120 mg/l; AFS = 150 mg/l; NH 4 -N = 4 mg/l PAK = 1,5 µg/l; Diclofenac = 0 µg/l Weitere Annahmen Regenwetterabflüsse im Mischsystem / Theo G. Schmitt /

16 16 16 Frachtbilanzen Annahmen Vereinfachende Annahmen zur Frachtbilanz Kennwert Einheit Abminderungsfaktor A u / A E,b % 85 Jahresabflussbeiwert A u % 75 Entlastungsrate Volumen % 40 Anteil TW-Abfluss im Entlastungsabfluss % 12 CSB BSB5 AFS NH4-N Dic PAK Konzentration Trockenwetterabfluss C T mg/l , Konzentration Regenwasserabfluss C R mg/l ,0015 Konzentration im Kläranlagenablauf mg/l ,0015 0,0003 Konzentration Mischwasserüberlauf mg/l ,0002 0,0014 Quellen und weiterführende Literatur (u.a.): Launay M., Droste F., Dittmer U., Steinmetz H. (2015): Emittierte Spurenstoffströme von Kläranlage und Mischwasserentlastungen im Vergleich. In: 5. Aqua Urbanica und 90. Siedlungswasserwirtschaftliches Kolloquium, Universität Stuttgart Schmitt T.G., Knerr H., Gretzschel O., Kolisch G., Taudien Y. (2016): Relevanz, Möglichkeiten und Kosten einer Elimination von Mikroschadstoffen auf kommunalen Kläranlagen in Rheinland-Pfalz, aufgezeigt am Beispiel der Nahe Mikro_N. Studie im Auftrag des Ministeriums für Umwelt, Landwirtschaft, Ernährung, Weinbau und Forsten (MULEWF), Rheinland-Pfalz Schmitt T.G., Kaufmann Alves I. (2015; Hrsg.): Integrale Siedlungsentwässerung Grundlagen und Lösungsansätze in Planung und Betrieb, Weiterbildungsstudium Wasser und Umwelt, Bauhaus-Universität Weimar, ISBN Welker A. (2004): Schadstoffströme im urbanen Wasserkreislauf Aufkommen und Verteilung, insbesondere in den Abwasserentsorgungssystemen, Habilitationsschrift, Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft, TU Kaiserslautern, Band 20

17 17 Frachtbilanz Stoffparameter CSB

18 18 Frachtbilanz Stoffparameter AFS Nach DWA-A 102: Behandlung erforderlich!

19 19 Frachtbilanz Stoffparameter NH4

20 20 Frachtbilanz Diclofenac

21 21 Frachtbilanz Stoffparameter PAK Nach DWA-A 102: Behandlung erforderlich!

22 Emittierte Jahresfrachten Relevanz Mischwasserüberläufe: nach Untersuchungen ISWA, Universität Stuttgart Hinweise: - Abschätzung durch Hochrechnungen (Ereignisse auf Jahresfrachten, Einzelbauwerke auf Einzugsgebiet) - Tendenz: Je höher der Rückhalt in der Kläranlage, desto höher wird der Anteil der Mischwasserüberläufe! - Relativdarstellung keine Aussage zur Gewässerrelevanz der Frachteinträge. Quelle: Launay M., Droste F., Dittmer U., Steinmetz H. (2015): Emittierte Spurenstoffströme von Kläranlage und Mischwasserentlastungen im Vergleich. In: 5. Aqua Urbanica und 90. Siedlungswasserwirtschaftliches Kolloquium, Universität Stuttgart

23 23 23 Fazit aktuelle Regelwerksarbeit in Deutschland DWA-A 102 (2016) Differenzierung emissions- / immissionsbezogene Regelungen Referenzparameter AFS63 Rechengröße zulässiger Frachtaustrag im Fokus: bestehende (Misch-)Systeme Nachweisverfahren Herausforderung Mischwasserbehandlung Notwendigkeit weiterer Verbesserungen augenscheinlich Erkennbare Relevanz bzgl. Stoffaustrag Mikroschadstoffe Gegenüberstellung Misch-/Trennsystem: stoffspezifische Abwägung erkennbare Notwendigkeit Niederschlagswasserbehandlung Diskussionsanstoß Mischwasserbehandlung EuGh-Urteil 2012 unzureichende Regelung auf EU-Ebene Häufigkeit von Mischwasserüberläufen als zentrales Kriterium Typischer Betrieb mit Überläufen pro Jahr unzulässig?? (nicht durch außergewöhnliche Regenereignisse verursacht!)

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