Erste Erkenntnisse zur Wirksamkeit von Sedimentationsanlagen zur Mischwasserbehandlung

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1 Erste Erkenntnisse zur Wirksamkeit von Sedimentationsanlagen zur Mischwasserbehandlung T. Nichler, Darmstadt; S. Fuchs, M. Kemper, Karlsruhe und M. Uhl, Münster 1 Einleitung Deutschlandweit wurden im Jahr 2007 nach Angaben des Statistischen Bundesamtes Regenüberlaufbecken (RÜB) und Stauraumkanäle (SK) für die Mischwasserbehandlung betrieben. Bemerkenswert ist, dass allein der Bestand in den Ländern Nordrhein-Westfalen und Baden-Württemberg bei mehr als Regenüberlaufbecken und Stauraumkanälen liegt. Mit Blick auf die neben der Rückhaltung vielfach erwünschte Mischwasserbehandlung, wurden zahlreiche dieser Bauwerke als Durchlaufbecken (DB) bzw. als Stauraumkanäle mit unten liegender Entlastung (SKU) geplant und ausgeführt; Anlagen, denen bei Einhaltung entsprechender Bemessungs- und Gestaltungsgrundsätze eine Sedimentationswirkung zugesprochen wird, die auch eine Reduzierung der gewässerbelastenden Schmutzfrachten (u.a. CSB) zur Folge hat. Nach den allgemein anerkannten Regeln der Technik sind hierzu für Durchlaufbecken eine Reihe von einzuhaltenden Entwurfskriterien (Klärbedingungen) definiert. So gilt es z.b. für Rechteckbecken eine maximal zulässige Oberflächenbeschickung bei kritischem Zufluss, eine maximale Längsdurchströmungsgeschwindigkeit und Wehrschwellenbelastung sowie bestimmte Verhältnisse von Länge, Breite und Höhe einzuhalten. Bislang werden diese Kriterien bei der Beurteilung von Beckenentwürfen als Regel der Technik betrachtet. Eine betriebliche Überwachung und Bewertung der Leistungsfähigkeit bestehender Anlagen erfolgt in NRW derzeit ausschließlich quantitativ durch Erfassung und Auswertung der an einem Regenbecken tatsächlich aufgetretenen Entlastungsereignisse. Vor diesem Hintergrund sind Regenbecken heute teilweise mit Durchfluss- und Wasserstandsmessgeräten ausgerüstet. Eine darüber hinaus gehende qualitative Überwachung von Mischwasserbehandlungsanlagen wird nach dem derzeitigen Diskussionsstand, u.a. auf Grund von fehlenden bzw. unzureichenden technischen Überwachungsmöglichkeiten, nicht durchgeführt (MERTSCH 2006). Entsprechend ist über die in den Anlagen tatsächlich ablaufenden Reinigungsprozesse und ggf. zielführende Möglichkeiten zur nachträglichen Verbesserung der Leistungsfähigkeit bestehender Anlagen nur wenig bekannt. Zusätzlich erschwert wird dies durch die in der Praxis sehr vielfältige konstruktive Gestaltung bestehender Anlagen. An diesem Punkt setzt ein vom Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen beauftragtes Forschungsvorhaben zur Analyse der Leistungsfähigkeit von Mischwasserbehandlungsanlagen an, welches von einer Arbeitsgruppe bestehend aus Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Dahlem Beratende Ingenieure, FH Münster Institut für Wasser Ressourcen Umwelt (IWARU), Umwelt- und Fluidtechnik Dr. H. Brombach GmbH, IKT Institut für Unterirdische Infrastruktur und dem Aggerverband bearbeitet wird.

2 - / 2 - Im vorliegenden Beitrag werden die in diesem Vorhaben durchgeführten bzw. angestrebten Arbeitsschritte beschrieben sowie erste Erkenntnisse aus den bereits vorliegenden Ergebnissen des Untersuchungs- und Messprogramms dargestellt und diskutiert. Abschließende Ergebnisse werden für Anfang 2013 erwartet. 2 Methodische Ansätze und erste Erkenntnisse Die wesentliche klärtechnische Wirkung von Mischwasserbehandlungsverfahren liegt in der Sedimentation. Mit vertretbarem Aufwand und hohem Potenzial lassen sich aus Sicht der Autoren insbesondere die Sedimentationsbedingungen in Durchlaufbecken analysieren und verbessern. Auf Grund der Vielzahl unterschiedlicher Anlagentypen und der hohen Anforderungen bei der Auswahl für die messtechnische Überwachung geeigneter und repräsentativer Untersuchungsobjekte wurde für die Bearbeitung der Aufgabenstellung eine abgestufte Vorgehensweise gewählt. Schrittweise werden vorhandene Kenntnisse im Rahmen einer Bestandsaufnahme erfasst, systematisiert und durch ein zusätzliches orientierendes Monitoring, halb- und großtechnische Versuche sowie numerische Modellierungen ergänzt und komplettiert. 2.1 Bestandsaufnahme und erste Bewertung betrieblicher Kenngrößen Im Vordergrund der vorbereitenden Arbeiten standen zunächst die Bestandsaufnahme und die Kategorisierung der in Nordrhein-Westfalen und Baden-Württemberg betriebenen Regenüberlaufbecken. Die in den Ländern gepflegten Umweltinformationssysteme REBEKA und WIBAS erwiesen sich dabei als ein hilfreiches Instrument zur Auswahl geeigneter und repräsentativer Anlagen für die weitere Untersuchung. In beiden Systemen wurden zum Zeitpunkt der Auswertung insgesamt Datensätze als Regenüberlaufbecken geführt. Fast 30% dieser Anlagen (2.227) sind in den Datenbanken als Durchlaufbecken eingetragen. Der länderspezifische Anteil der Durchlaufbecken unterscheidet sich dabei deutlich. In Baden-Württemberg liegt der Anteil der Durchlaufbecken bei 19% und in NRW bei 63%. Hinsichtlich der Behandlungsvolumina kann ein eindeutiger Schwerpunkt im Bereich von Durchlaufbecken bis m³ ausgemacht werden (vgl. Tabelle 1). NRW verzeichnet darüber hinaus einen nennenswerten Anteil von Durchlaufbecken in der Größenordnung von m³ bis m³. Sehr große Behandlungsvolumina von mehr als m³ sind in beiden Ländern die Ausnahme. Des Weiteren können für Baden-Württemberg Aussagen zur Beckenform gemacht werden. Die WIBAS Daten zeigen eine Verteilung von ca. 73% Rechteckbecken und ca. 27% Rundbecken, wenn man die Anlagen bei denen keine Angaben eingetragen sind im Verhältnis auf Rechteck und Rundbecken aufschlägt.

3 - / 3 - Tabelle 1: Durchlaufbecken in NRW und Baden-Württemberg, Ergebnis einer Auswertung der Datenbanken REBEKA und WIBAS Baden-Württemberg Nordrhein-Westfalen Fläche km² km² Einwohnerzahl WIBAS (Stand ) RÜB % % Durchlaufbecken % % Bauweise: Offen % % Geschlossen % % keine Angaben 62 6% 28 2% Bauformen: Rechteckbecken % Rundbecken % keine Angaben % Sonstige 35 4% REBEKA (Stand ) keine Angaben Auf Grundlage dieser Informationen wurde in den Ländern eine Vorauswahl von jeweils 20 Regenüberlaufbecken getroffen. An diesen wurden Begehungen durchgeführt mit dem Ziel, sechs geeignete Durchlaufbecken auszuwählen. Die ausgewählten Becken sollten die am häufigsten realisierten Bauweisen widerspiegeln und im Rahmen des orientierenden Monitoring näher bewertet werden. Geschlossene Becken wurden auf Grund der grundsätzlich schlechteren Zugänglichkeit und den damit verbundenen Anforderungen an die Arbeitssicherheit und den Explosionsschutz für die weitere Untersuchung ausgeschlossen. Einen Schwerpunkt für die Auswahl von geeigneten Regenbecken in NRW bildete das Verbandsgebiet des Aggerverbandes, der als Projektpartner in die Untersuchung eingebunden ist. Bei den Begehungen wurde ein Abgleich der Informationen aus REBEKA und WIBAS mit den realen Gegebenheiten vor Ort durchgeführt. Die Auswahl der Durchlaufbecken, die in das orientierende Monitoring aufgenommen werden sollten wurde im Anschluss an die umfangreichen Begehungen getroffen. Einige Beispiele der für die weitere Untersuchung in Baden-Württemberg und NRW ausgewählten Durchlaufbecken sind nachfolgend in Abb. 1 dargestellt.

4 - / 4 - Abb. 1: Beispiele ausgewählter Durchlaufbecken in Baden-Württemberg und NRW Für die Regenbecken des Aggerverbandes wurde zusätzlich eine erste Bewertung von betrieblichen Kenngrößen durchgeführt, die in die Beckenauswahl eingeflossen ist. Dabei konnte an vorausgegangene Untersuchungen angeknüpft werden, die in den Jahren 2005 und 2006 in einer vom MUNLV geförderten Gemeinschaftsarbeit von IKT und Aggerverband durchgeführt wurden (NICHLER et al. 2007). Unter Berücksichtigung der vorhandenen Messdaten und der grundsätzlichen Funktion der Regenbecken wurde dabei in erster Linie die Entlastungshäufigkeit und dauer von Fang- und Durchlaufbecken unterschieden, klassifiziert und bewertet. Abb. 2 zeigt das Ergebnis einer entsprechenden Auswertung für die Regenbecken des Aggerverbandes. Darin dargestellt sind die, mittels Entlastungsmessungen an Durchlaufbecken seit dem Jahr 2005 dokumentierten, jährlichen Entlastungsdauern. Die im Diagramm hervorgehobenen Balken markieren dabei die in der Vorauswahl für das angestrebte Messprogramm berücksichtigten Anlagen. So wurden einerseits Regenbecken ausgeschlossen, die eine zu geringe Entlastungsrate aufweisen und damit eine regelmäßige Probenahme nicht garantieren. Andererseits wurden Anlagen mit sehr langer Entlastungsdauer ausgeschlossen, weil sie eventuell nicht regelkonform bemessen wurden.

5 - / 5 - Abb. 2: Jährliche Entlastungsdauer von Durchlaufbecken beim Aggerverband, Auswertung von Wasserstandsmessungen der Jahre 2005 bis 2009 (GEHRKE 2011) In Baden-Württemberg wie auch in NRW werden die Entlastungsraten von den Betreibern überwiegend dann aufgezeichnet, wenn die zuständige Behörde diese Daten einfordert. Bei vielen Anlagen ist das technische Equipment vorhanden damit die Daten aufgezeichnet werden könnten. Im Sinne des Gewässerschutzes und zur Überwachung der Funktionsfähigkeit sind Betreiber zunehmend angehalten betriebliche Kennwerte, wie z.b. die Entlastungsdauer von Mischwasserbehandlungsanlagen zu ermitteln und zu bewerten. 2.2 Orientierendes Monitoring zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von Mischwasserbehandlungsanlagen Für das orientierende Monitoring wurden alle sechs ausgewählten Regenbecken mit Probenehmern im Zu- und Ablauf ausgerüstet. Die Beprobung soll insbesondere eine Einschätzung und Bewertung der Sedimentationswirkung der ausgewählten Durchlaufbecken ermöglichen. Um die Sedimentationsleistung untersuchen zu können wurde am KIT, Bereich Siedlungswasserwirtschaft und Wassergütewirtschaft eine Probenentnahmestrategie entwickelt. Die Beprobung der Zu- und Abflüsse erfolgt ereignisscharf und volumenproportional zu den realen Zu- und Abflüssen des RÜB. Um diese Ansprüche zu erfüllen, wurde ein Steuerungsmodul entwickelt. Auf Basis von Wasserstandsmessungen werden in der Steuerung zwei Probenahmemodi umgesetzt. Bis zur Vollfüllung

6 - / 6 - des Beckens wird ein Feststoffsammler Zulaufproportional gefüllt. Sobald der Wasserstand im Becken auf Höhe des Klärüberlaufes angestiegen ist, ändert sich der Probenahmemodus wie folgt. Während des Entlastungsereignisses werden im Zuund Ablauf volumenproportional Proben in zwei weitere Feststoffsammler gepumpt. Über diese Strategie der Zu- und Ablaufbeprobung können mittlere Speicher- und Sedimentationswirkungspfade der untersuchten Becken sicher abgeleitet werden. Die Installationsschritte, welche die beschriebene Probenentnahme ermöglichen werden in Abb. 3 dargestellt. Abb. 3: Installation und Probenentnahme im Orientierenden Monitoring In den Feststoffsammlern können bis zu Liter Mischwasser als Probe gesammelt werden. Nach einer Absetzzeit von ca. 3-4 Tagen in den Behältern wird eine Überstandwasserprobe entnommen und die Sedimente der Mischwasserprobe aus den Feststoffsammlern geborgen. Der Fokus der weiteren Analysen liegt auf der Charakterisierung der Feststoffe. Das Analyseverfahren umfasst dabei: Bestimmung des Pges-Gehaltes (Gesamtphosphor Gehalt), Fraktionierung der Sedimente durch Nasssiebung mit anschließender Trocknung und Wiegung der Fraktionen (vgl. Abb. 4), Bestimmung des Glühverlustes sowie Schwermetallanalytik für Kupfer, Zink, Blei und Cadmium in den Fraktionen <0,063 mm und 0,063-2,0 mm. Die Analytik der Überstandswasserproben beinhaltet die Parameter: Abfiltrierbare Stoffe, Glühverlust und Pges-Gehalt.

7 - / 7 - Abb. 4: Ergebnis einer fraktionierten Sedimentprobe, die mit dem Feststoffsammler gewonnen wurde An den ausgerüsteten Regenbecken wurden bis zur Erstellung des vorliegenden Manuskriptes jeweils 4-6 Ereignisse pro Anlage beprobt. Die Sedimente werden aktuell analysiert und ausgewertet. In die ersten Zwischenergebnisse fließen 12 Proben mehrerer Anlagen ein. Bislang wurden Mittelwerte und Mediane verschiedener Parametern berechnet, die hier teilweise andiskutiert werden sollen. Die Sedimentmenge in den Feststoffsammlern, die bis zur Vollfüllung der RÜB anfällt beträgt im Mittel ca. 50 g Trockensubstanz (Median). Je nachdem wie viel Mischwasser im Feststoffsammler enthalten ist, liegt die Konzentrationen näherungsweise zwischen 125 und 250 mgts/l. Die Feststoffmenge, die während des Entlastungsereignisses im Zulauf gemessen wurden liegt bei ca. 61,2 gts/l (Median) und weißt eine Konzentration von ca. 61 mgts/l auf. Bei Vergleich beider Konzentrationen wird der first flush Effekt recht gut deutlich, bei dem zu Ereignisbeginn durch eine hohe Transportkraft auch eine hohe Schmutzfracht aus der Kanalisation in Richtung Kläranlage bzw. RÜB transportiert wird. Vergleicht man die Verteilung der Fraktionen der first flush Proben mit den Zulaufproben die während der Entlastung genommen werden bestätigt sich außerdem, dass eine größere Kornfraktion mobilisiert wird. In den first flush Proben ist sowohl der Massenanteil in den Fraktionen (>0,063 mm - 2,0 mm) mit 23,4% gegenüber 19% als auch in der Grobfraktion (>2,0 mm) mit ca. 10,6 % gegenüber 6,6% höher. Das Trockengewicht in den Proben des Klärüberlaufes (KÜ) liegt durchschnittlich bei etwa. 29 mgts/l. Aus diesen vorläufigen Konzentrationen lässt sich noch keine Wirksamkeit für Regenbecken ableiten. Dies ist Gegenstand der laufenden Datenanalyse. Ergänzend zu den noch anstehenden Bilanzierungen, wo jedes Becken separat betrachtet wird, müssen vor allem auch die stofflichen Daten analysiert und ausgewertet werden. Bei Betrachtung der Feststoffe im Zu- und Ablauf zeigt sich, dass während der Durchströmung des Beckens eine Anreicherung der Feinfraktion (<0,063 mm) stattfindet. Während des Entlastungsereignisses reichert sich die Feinfraktion vom Zulauf bis zum Ablauf von ca. 74% auf 87% am Klärüberlauf an. Weiterhin wurde der Glühverlust untersucht, der Aussagen über den Anteil organischen Materials zulässt. Die Analysen haben ergeben, dass die Feinfraktion einen

8 - / 8 - Glühverlust von 30-40% aufweist, die Fraktion 0,063-2,0 mm einen Anteil von ca % und die Grobfraktion einen Glühverlust von bis zu ca. 80%. Der Anteil organischer Materie steigt also mit der Größe der Kornfraktion an. Die genannten Zahlen basieren noch auf wenigen Daten und können nicht als gesichert angenommen werden. Im Zuge des Projektes können zu allen genannten Analyseparametern detaillierte Ergebnisse erwartet werden. Insbesondere sollen dann ausreichend Daten zur Verfügung stehen, um jedes Durchlaufbecken individuell zu betrachten und Sedimentfrachten zu bilanzieren. Anschließend werden die Sedimentationsleistungen der Anlagen ausgewertet, um sich grundsätzlichen Aussagen zur Leistungsfähigkeit von Durchlaufbecken annähern zu können. 2.3 Online Messsysteme im Orientierenden Monitoring Mit Beginn des Monitorings kommen ergänzend zur Beprobung der Regenbecken UV/VIS-Spektrometersonden zum Einsatz. Ein wesentliches Bemessungskriterium für die Dimensionierung von Durchlaufbecken ist derzeit die Abschätzung der, bei Entlastung ins Gewässer eingeleiteten Schmutzfrachten, i.d.r. beschrieben durch den CSB-Wert. Nach den geläufigen Bemessungsansätzen werden diese Entlastungsfrachten zumeist im Rahmen einer Schmutzfrachtberechnung unter Berücksichtigung der Anforderungen nach ATV-A 128 (ATV 1992) ermittelt. Trotz der hohen Zahl realisierter Mischwasserbehandlungsanlagen sind die mit diesen Anlagen tatsächlich erreichten Wirkungsgrade (Zwischenspeicherung + Sedimentationswirkung) bis heute nur unzureichend präzise zu beschreiben. Die betriebliche Überwachung von Mischwassereinleitungen konzentriert sich derzeit ausschließlich auf die Erfassung hydraulischer Messgrößen wie Entlastungshäufigkeit, - dauer und menge. Stoffliche Parameter werden auf Grund besonderer messtechnischer Schwierigkeiten und des i.d.r. zu erwartenden hohen betrieblichen und finanziellen Aufwandes bisher nur vereinzelt und in temporären Messkampagnen erfasst. Erfahrungen mit Qualitätsmessungen durch Beprobungen an Regenbecken zeigen, dass die Ermittlung von Frachten auf Grund der mengenmäßig sehr stark variierenden Entlastungsabflüsse mit Unsicherheiten verbunden ist (DITTMER 2009). Für eine routinemäßige Überwachung von Mischwasserbehandlungsanlagen sind sie nicht zweckmäßig. Eine interessante Innovation stellen Online-Konzentrationsmessungen (z.b. UV- Spektrometersonden) dar, die im Rahmen des Vorhabens auf ihre Eignung und Potenziale zur gütemäßigen Überwachung von Regenbecken untersucht werden. Für das orientierende Monitoring an den im aktuellen Vorhaben ausgewählten Regenbecken wurde jeweils eine UV-Spektrometersonde an der Entlastungsschwelle des Klärüberlaufs installiert. Ziel dieser Online-Messung ist es, den in der Bemessung derzeit als Leitwert verwendeten Qualitätsparameter CSB unmittelbar an der Einleitungsstelle ins Gewässer zu erfassen, um damit Aussagen zur Wirksamkeit der Mischwasserbehandlungsanlagen bzw. zu den von der jeweiligen Anlage ausgehen-

9 - / 9 - den Gewässerbelastungen abzuleiten. Darüber hinaus soll die Untersuchung dazu dienen, die grundsätzlichen Einsatzmöglichkeiten solcher Systeme im Rahmen eines betrieblichen Überwachungskonzeptes zu eruieren. Im Vordergrund stehen vor allem die Bewertung der Datenqualität und die Einschätzung des betrieblichen Nutzens im Vergleich zu dem hierfür erforderlichen Aufwand für den Betrieb und die Wartung der jeweiligen Messstellen. Mit Beginn des Messprogramms wurden im Oktober 2011 zunächst drei Regenüberlaufbecken in NRW mit UV/VIS-Spektromersonden der Firma s::can ausgerüstet. Die Messstellen befinden sich im Regenbecken unmittelbar vor der Schwelle des Klärüberlaufs. Die Sonden wurden zwischen Tauchwand und Überfallschwelle montiert, um eine möglichst günstige Anströmung sicherzustellen und das Ergebnis der Messung nicht durch die vor der Tauchwand zurückgehaltenen Schwimmstoffe zu verfälschen, so dass im Ergebnis ausschließlich die im Entlastungsabfluss enthaltene CSB-Konzentration erfasst wird. Abb. 5 zeigt exemplarisch die gewählte Einbausituation. Abb. 5: Typische Einbausituation einer UV/VIS-Spektrometersonde am Klärüberlauf Parallel zu den für das Monitoring installierten Konzentrationsmessungen werden an allen ausgewählten Regenbecken vom Betreiber bereits seit mehreren Jahren Wasserstandsmesssonden vorgehalten und regelmäßig überprüft, mit denen Beckenfüllstände und Entlastungshöhen aufgezeichnet werden. Darüber hinaus sind alle Klärüberläufe mit scharfkantigen Wehrschwellen oder im Einzelfall mit Zahnschwellen ausgerüstet, so dass über die Auswertung der aufgezeichneten Entlastungswasserstände unter Berücksichtigung einer definierten Geometrie der Überlaufschwellen auch eine zuverlässige Abschätzung der jeweils auftretenden Entlastungsabflüsse möglich ist. Entsprechend lassen sich bei Bedarf aus den zunächst aufgezeichneten Ergebnissen der Konzentrationsmessung und den registrierten Entlastungsabflüssen, die am Klärüberlauf entlasteten Schmutzfrachten bestimmen.

10 - / 10 - Zur Überprüfung der online gemessenen Konzentrationen wurden im Laufe der Messphase in unregelmäßigen Abständen Vergleichsproben aus dem Entlastungsabfluss entnommen und im Rahmen einer Vergleichsanalytik bewertet. Aus den Ergebnissen der Vergleichsanalytik und den gleichzeitig gemessenen Konzentrationen der Spektrometersonde wurde daraufhin mit Hilfe der linearen Regression für jede der drei Messstellen eine lokale Kalibriergerade abgeleitet, um die online gemessenen Konzentrationen angemessen zu korrigieren. Für die Kalibrierung wurden grundsätzlich die Proben verschiedener Entlastungsereignisse herangezogen. Der systematische Fehler konnte dadurch analog zu vergleichbaren Untersuchungen (vgl. GAMERITH 2011) im Idealfall auf bis zu 10% reduziert werden (vgl. Abb. 6). Abb. 6: Vergleichsanalytik und UV/VIS Spektrometermessung, Korrektur von systematischen Fehlern durch lineare Regression (System B & C) und nicht kalibierbare, zufällige, Messfehler (System A) Bedingt durch die insgesamt überwiegend niederschlagsarmen Monate seit Inbetriebnahme der Messstellen verzeichneten die für das Monitoring ausgerüsteten Regenbecken bis zur Erstellung des vorliegenden Manuskriptes nur wenige Entlastungsereignisse. Insgesamt wurden an den mit Online-Messtechnik ausgerüsteten Regenüberlaufbecken jeweils etwa drei bis vier Entlastungsereignisse aufgezeichnet. Jedoch traten in den ersten Monaten nach der Inbetriebnahme trotz intensiver Wartung auch bereits erste Fehlfunktionen auf, die einem Totalausfall der Messtechnik entsprechen. So zeigten zwei der drei eingesetzten UV/VIS-Spektrometersonden schon kurze Zeit nach der Inbetriebnahme scheinbar willkürliche Nullpunktabweichungen, die eine Kalibrierung der Messergebnisse trotz regelmäßiger Vergleichsanalytik unmöglich machten (vgl. System A in Abb. 6). Die Fehler konnten erst durch den Austausch der betroffenen Messgeräte behoben werden (s. System C).

11 - / 11 - Die an dem zuverlässig funktionierenden System B gemessenen, bereits kalibrierten Werte der Konzentrationsganglinie sowie die gleichzeitig aufgezeichneten Entlastungsmengen sind exemplarisch für ein Ereignis am 12./13. Oktober 2011 in Abb. 7 dargestellt. Abb. 7: Entlastungsereignis vom 12./ , Entlastungsabfluss-, Beckenfüllstand und Konzentrationsganglinie (korrigiert nach Vergleichsanalytik, System B) Während des beobachteten Ereignisses wurden an der Überlaufschwelle maximale Entlastungsabflüsse von rd. 170 l/s erfasst. Die gleichzeitig im Entlastungsabfluss gemessenen Äquivalenzkonzentrationen (CSBeq) bewegten sich zwischen etwa 30 mg/l und maximal 50 mg/l. Zu Beginn des Ereignisses tritt eine erkennbare Konzentrationsspitze auf, die auf die Entlastung des noch höher konzentrierten Beckeninhaltes aus der Füllphase des Beckens hinweist. Die ebenfalls im Diagramm dargestellte, später auftretende, deutlich kleinere Entlastungsphase weist bereits weniger ausgeprägte Konzentrationsschwankungen auf. Insgesamt deuten die wenigen, bisher aufgezeichneten Ereignisse auf außergewöhnlich geringe Entlastungskonzentrationen am Überlauf des Beckens hin. Inwieweit dies auf die ursprünglich für das Becken angenommenen Bemessungsgrundlagen oder auf betriebliche Gründe zurückzuführen ist, wird u.a. mit Blick auf das angeschlossene Einzugsgebiet und unter Berücksichtigung von betrieblichen Kennwerten zu bewerten sein. Denkbar ist, dass sowohl das vergleichsweise große spezifische Volumen von 59 m³/ha 1 als auch die 1 Quelle: Umweltinformationssystem REBEKA, Stand: Januar 2011

12 - / 12 - nachweislich lange Entlastungsdauer des RÜB Einfluss auf die Qualität des Entlastungsabflusses haben. Darüber hinaus repräsentative Entlastungsereignisse und die dabei aufgezeichneten Messwerte werden derzeit ausgewertet. Eine Bewertung der Entlastungsmessungen mit Blick auf die Gestaltung und die ursprünglich für die Dimensionierung der Regenbecken angenommenen Bemessungsansätze steht noch aus. 2.4 Erste Ansätze zur Verbesserung der Sedimentationsleistung Auf Grund von veränderten wasserwirtschaftlichen Anforderungen kommt es regelmäßig vor, dass vorhandene Mischwasserbehandlungsanlagen überplant und hinsichtlich ihrer Dimensionierung neu bewertet werden. Je nach Auslastungsgrad der Anlagen sowie der angestrebten Reinigungs- und Rückhaltewirkung kann es entsprechend dem rechnerischen Nachweis erforderlich sein, neues Behandlungsvolumen zu schaffen bzw. vorhandene Bauwerke zu erweitern. Bisher wird dies zumeist durch vergleichsweise aufwändige und kostenintensive Baumaßnahmen umgesetzt. Eine Alternative dazu könnte der nachträgliche Einbau von Lamellenschrägklärern sein, auch als Lamellenabscheider bezeichnet. Mit entsprechenden Einbauten soll insbesondere die Sedimentationsleistung verbessert werden, ohne das Beckenvolumen z.b. von bestehenden Regenbecken durch bauliche Eingriffe zu vergrößern. Das Grundprinzip basiert auf einer Vergrößerung der Beckenoberfläche durch die schräg in das Becken eingebrachten Lamellen, die von unten nach oben durchströmt werden. Da die Sedimentationsleistung nachweislich unmittelbar von der Oberflächenbeschickung abhängt, bietet die Nachrüstung vor allem ein erhebliches Potenzial zur Optimierung oder Ertüchtigung vorhandener Regenbecken. In den letzten Jahren wurden bereits vereinzelt Regenbecken sowohl im Trenn- als auch im Mischsystem mit Nachrüstsätzen von verschiedenen Herstellern und in unterschiedlicher Bauart eingesetzt (vgl. FUCHS et al. 2010). Über die bei der Nachrüstung in Abhängigkeit von der Gestaltung des Lamellenabscheiders grundsätzlich erreichbare Leistungssteigerung ist bisher nur wenig bekannt. Parallel zur Untersuchung der Leistungsfähigkeit von bestehenden Mischwasserbehandlungsanlagen werden deshalb zurzeit auch theoretische Untersuchungen (CFD- Modellierung), halbtechnische Modellversuche und auch großtechnische Versuche durchgeführt, in denen entsprechende Möglichkeiten zur Verbesserung der Sedimentationsleistung durch nachträgliche Einbauten untersucht werden. Ziel ist es, die erreichbare Leistungssteigerung zu bewerten und Vorschläge für die künftige Bemessung und die betriebssichere Gestaltung zu erarbeiten. Die Ergebnisse einer ersten modelltechnischen Strömungsberechnung für einen einfachen Lamellenschrägklärer sind nachfolgend in Abb. 8 dargestellt.

13 - / 13 - Abb. 8: Berechnungsmodell und erste Ergebnisse der CFD-Berechnung für einen Lamellenschrägklärer [VOßWINKEL et al. 2011] Die Darstellung zeigt für die dargestellte Konstruktionsvariante deutlich die im Zulaufbereich auftretenden erhöhten Fließgeschwindigkeiten und die infolgedessen festzustellende ungleichmäßige Durchströmung der einzelnen Lamellenpakete. Bedingt durch die ungleichmäßige Belastung der Lamellen werden einzelne Lamellenpakete - überwiegend im Bereich der für den Abzug des gereinigten Wassers vorgesehenen Tauchrohre - mit vergleichsweise hohen Strömungsgeschwindigkeiten durchflossen, wodurch die Absetzwirkung in diesen Lamellen grundsätzlich herabgesetzt wird. Aktuell durchgeführte Modellrechnungen konzentrieren sich derzeit darauf, die für die klärtechnische Wirkung wesentlichen Parameter und konstruktiven Gestaltungsmerkmale des untersuchten Lamellenklärers zu identifizieren, um diese gezielt anzupassen und zu optimieren. Als besonders sensible Merkmale haben sich in nachfolgenden Berechnungen bereits u.a. die Neigung der Lamellen, die Form und Gestaltung des Zuströmbereichs sowie die Anordnung und konstruktive Ausführung der Abflüsse oberhalb des Abscheiders erwiesen. Weitere Untersuchungen und eine ers-

14 - / 14 - te Verifizierung der Ergebnisse u.a. unter Berücksichtigung von Partikeln unterschiedlicher Dichte und Größe stehen noch aus. 3 Zwischenfazit und Ausblick In dem laufenden Vorhaben soll die Leistungsfähigkeit bestehender Mischwasserbehandlungsanlagen sowohl praktisch in einem orientierenden Monitoring als auch modelltechnisch in numerischen Berechnungen analysiert und bewertet werden, um unter Berücksichtigung zusätzlicher halb- und großtechnischer Versuche das Ertüchtigungspotenzial für Mischwasserbehandlungsanlagen zu erarbeiten. Aus den gewonnenen Erkenntnissen sollen ferner Möglichkeiten und Grenzen für die zukünftige betriebliche Überwachung und Bewertung von Mischwasserbehandlungsanlagen abgeleitet werden. Im Vordergrund steht dabei die Frage, welche Kenngrößen zur einheitlichen Bewertung der Leistungsfähigkeit von Mischwasserbehandlungsanlagen erforderlich sind und inwieweit die vorhandene Messtechnik, i.d.r. Wasserstandsmesseinrichtungen, an den Anlagen ausreicht, um diese Kenngrößen sicher zu bestimmen. Als Zwischenfazit aus dem laufenden Messprogramm zeichnet sich diesbezüglich bereits ab, dass das im orientierenden Monitoring umgesetzte Messkonzept aus UV/VIS- Spektrometersonden und der gleichzeitigen Beprobung durch Feststoffsammler eine geeignete Kombination darstellt, um ein erstes Bild von den Reinigungsvorgängen in Mischwasserbehandlungsanlagen zu gewinnen. So wurden in der ersten Messphase verschiedene Entlastungsereignisse beprobt und analysiert, deren Auswertung erste Erkenntnisse über die Sedimentationsleistung der betrachteten Regenbecken sowie eine erste Abschätzung der bei unterschiedlichen Ereignissen ins Gewässer entlasteten Schmutzfrachten verspricht. Die Unterhaltung der hierfür eingesetzten Messstellen und die Ergebnisauswertung erfordern jedoch einen hohen Aufwand. Dies gilt nicht nur für die regelmäßige Entleerung der Feststoffsammler sondern auch für die Wartung und den Betrieb der installierten Spektrometersonden. So erscheint es nach den ersten Erkenntnissen des laufenden Messprogramms unerlässlich, die Ergebnisse der Online-Messungen im Rahmen einer fortlaufenden Vergleichsanalytik regelmäßig zu überprüfen und durch Kalibrierung anzupassen. Bisherigen Erfahrungen zufolge, scheint sowohl eine regelmäßige Nullwert-Messung als auch eine Beprobung von Entlastungsereignissen notwendig zu sein, um zuverlässige Messergebnisse zu erzielen und die Ergebnisse der Messungen richtig auszuwerten. Der hierfür erforderliche Personalaufwand übersteigt damit deutlich den Aufwand, für den Betrieb und die Auswertung der für die Beckenüberwachung in den letzten Jahren zunehmend eingesetzten Wasserstandsmesseinrichtungen. Eine noch durchzuführende Bewertung von betrieblichem Mehraufwand und Nutzen der zusätzlichen Erfassung qualitativer Kennwerte soll zeigen, inwieweit dies eine Perspektive für die zukünftige stichprobenhafte betriebliche Überwachung von Regenbecken sein kann.

15 - / 15 - Im Vorhaben ist es vorgesehen, die Messungen des laufenden Untersuchungsprogramms bis voraussichtlich Herbst 2012 fortzusetzen, um in diesem Zuge weitere Regenbecken sowie zusätzliche Einstau- und Entlastungsereignisse in die Bewertung einzubeziehen. Die zunächst getrennt ausgewerteten Ergebnisse aus Sedimentanalyse und Online-Konzentrationsmessungen sowie eine darüber hinaus vorgesehene Bewertung der Sedimentationswirkung anhand von Untersuchungen zu Partikelsinkgeschwindigkeiten werden abschließend zusammengeführt, um eine möglichst ganzheitliche Bewertung der Leistungsfähigkeit der jeweils betrachteten Mischwasserbehandlungsanlagen vorzunehmen. Einbezogen werden dabei auch die in den ersten Auswertungen zunächst wenig berücksichtigten Aspekte der Beckengestaltung, ursprüngliche Bemessungsansätze und Betriebserfahrungen (z.b. Fremdwasserbelastung). Aus Simulationsrechnungen für Lamellenschrägklärer und weitergehenden großmaßstäblichen Versuchen sollen abschließend Hinweise zu den Möglichkeiten für eine nachträgliche Optimierung bestehender Mischwasserbehandlungsanlagen abgeleitet werden. 4 Literatur ATV (1992): ATV-A 128, Richtlinien für die Bemessung und Gestaltung von Regenentlastungsanlagen in Mischwasserkanälen. Dittmer, U. (2009): Erfassung von Qualitätsparametern im Regenwetterabfluss Unsicherheiten und Aufwand, 42. Essener Tagung für Wasser- und Abfallwirtschaft vom bis , in Gewässerschutz Wasser Abwasser (Bd. 217), S. 28/1 bis 28/15, Aachen, Fuchs, S.; Mayer, I.; Haller, B.; Roth, H. (2010): Einsatz von Schrägklärern in der Regenwasserbehandlung, KA Abwasser, Abfall, 57. Jahrgang, Nr. 11, S , November Gamerith, V. (2011): Hoch aufgelöste Messdaten in der Schmutzfrachtmodellierung von Kanalsystemen, Dissertation Technische Universität Graz, Institut für Siedlungswasserwirtschaft und Landschaftswasserbau, Graz, Juni Gehrke, K.: Auswertung und Darstellung der Entlastungsdauer von Durchlaufbecken des Aggerverbandes ( ), Zwischenergebnis im Forschungsvorhaben zur Analyse der Leistungsfähigkeit von Mischwasserbehandlungsanlagen, Folien zur Projektbesprechung (unveröffentlicht), Darmstadt, März Mertsch, V. (2006) : Definition des Standes der Technik nach 7a WHG für die Niederschlagswasserbehandlung, 39. Essener Tagung für Wasser- und Abfallwirtschaft vom bis , in Gewässerschutz Wasser Abwasser (Bd. 202), S. 33/1 bis 33/9, Aachen, Nichler, T.; Bosseler, B.; Scholemann, H. (2007): Wasserstandsmessungen an Regenbecken und Stauraumkanälen, Auswertung von Einstau- und Entlastungsereignissen zur Fremdwasseranalyse, KA Abwasser, Abfall, 54. Jahrgang, Nr. 5, S , Mai Statistisches Bundesamt (2009): Umwelt, Öffentliche Wasserversorgung und Abwasserbeseitigung 2007, Fachserie 19, Reihe 2.1 Voßwinkel, N.; Maus, C.; Uhl, M. (2011): Modellierung von Lamellenklärern, Zwischenergebnis im Forschungsvorhaben zur Analyse der Leistungsfähigkeit von Mischwasserbehandlungsanlagen, Folien zur Projektbesprechung (unveröffentlicht), Darmstadt, Juni 2011.

16 - / 16 - Anschriften der Verfasser: Dipl.-Ing. Thomas Nichler DAHLEM Beratende Ingenieure GmbH & Co. Wasserwirtschaft KG Poststraße Darmstadt t.nichler@dahlem-ingenieure.de Dr.-Ing. Stephan Fuchs Dipl.-Geoökol. Mike Kemper Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Institut für Wasser und Gewässerentwicklung (IWG) Bereich Siedlungswasserwirtschaft und Wassergütewirtschaft Gotthard-Franz-Str Karlsruhe stephan.fuchs@kit.edu Prof. Dr.-Ing. Mathias Uhl Fachhochschule Münster Institut für Wasser Ressourcen Umwelt (IWARU) Corrensstr Münster uhl@fh-muenster.de