Fachrichtung Wasserwesen Institut fr Siedlungs und Industriewasserwirtschaft Grundlagen

Fachrichtung Wasserwesen, Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Grundlagen der Abwassersysteme 1 Einführung in die Abwasserentsorgung 2 Siedlungsentwässerung 3 Abwasserreinigung 4 Schlammbehandlung Peter Krebs Dresden, Oktober 2009

Peter Krebs Fachrichtung Wasserwesen, Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Grundlagen der Abwassersysteme 1 Einführung in die Abwasserentsorgung 1. 1 Überblick über das Abwassersystem 1. 2 Zielstellung 1. 3 Kennwerte und Kosten 1. 4 Schnittstelle Kanalisation – Kläranlage 1. 5 Der Vorfluter als Optimierungsziel Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 2

Peter Krebs Fachrichtung Wasserwesen, Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Grundlagen der Abwassersysteme 1 Einführung in die Abwasserentsorgung 1. 1 Überblick über das Abwassersystem 1. 2 Zielstellung 1. 3 Kennwerte und Kosten 1. 4 Schnittstelle Kanalisation – Kläranlage 1. 5 Der Vorfluter als Optimierungsziel Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 3

Grundstück-, Platz-, Straßenentwässerung Retention Schmutzwasserspeicher Reservoir Niederschlag. Abfluss-Prozess Kanalisation Trinkwasserverteilung Siedlung Systemüberblick serkanal Mischwas Retention Regenbecken Sedimentation Überlauf Grundlagen der Abwassersysteme In-/Exfiltration Kläranlage Fremdwasser. Infiltration Reinigung Entlastung Entsorgung Vorfluter Grundwasser Trinkwasseraufbereitung Versickerung Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 4

Das System Abwasserentsorgung Schmutzwasserspeicher Überlauf Entlastung Mischwasserspeicherung Grundlagen der Abwassersysteme Kläranlage Gereinigtes Abwasser Fließgewässer Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 5

Das System Abwasserentsorgung Mischwasserspeicherung Überlauf Kläranlage Entlastung Gereinigtes Abwasser Fließgewässer Bildnachweis: www. psidirekt. de; www. stadtentwaesserung-dresden. de Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 6

So sieht es an Regenüberläufen aus… Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 7

Peter Krebs Fachrichtung Wasserwesen, Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Grundlagen der Abwassersysteme 1 Einführung in die Abwasserentsorgung 1. 1 Überblick über das Abwassersystem 1. 2 Zielstellung 1. 3 Kennwerte und Kosten 1. 4 Schnittstelle Kanalisation – Kläranlage 1. 5 Der Vorfluter als Optimierungsziel Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 8

Ziele der Abwasserentsorgung Hygiene hygienische Entsorgung Überschwemmungsschutz Kein Rückstau von Abwasser Gewässerschutz Minimierung der Schadstoffeinträge Minimierung der Sauerstoffzehrung Erhaltung der Badewasserqualität (Hygiene) Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 9

„Klassische“ Entwässerungsstrategie „Aufgabe der Ortsentwässerung ist es, sämtliche Abwässer so vollkommen und so schnell als möglich zu sammeln und aus dem Bereich menschlicher Siedlungen zu entfernen, (. . . ) ohne Schädigung der ober- und unterirdischen Gewässer. “ „Die Abwässer umfassen die (. . . ) Abgänge aus dem Haushalt, Gewerbe und Industrie (. . . ) sowie Regenwasser, Schneeschmelz- und Sickerwasser, Abflüsse von Laufbrunnen, zusitzende Grund- und Bachwässer, gleichgültig, ob diese verschmutzt oder unverschmutzt sind. “ Hörler (1966) Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 10

Folgen der „klassischen“ Strategie Urbanisierung Zunahme Bebauungsdichte Zunahme Bevölkerung Zunahme Abwasseranfall Zunahme Trinkwasserverbrauch Verschlechterung Qualität Regen- und Mischwasser Reduktion Grundwasserneubildung Erhöhung Schadstofffrachten Reduktion Basisabfluss im VF Verunreinigung Gewässer Grundlagen der Abwassersysteme Zunahme versiegelte Fläche Zunahme Oberflächenabfluss Kanalisierung Beschleunigung Abflussvorgang Zunahme Abflussspitze Überflutung, Geschiebetrieb Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 11

Differenzierte Entwässerungsstrategie „Bei der differenzierten Entwässerung sollen nur diejenigen Abwässer abgeleitet werden, die im Einzugsgebiet selbst nicht schadlos versickert werden können. Daneben sollen die Retentionsmöglichkeiten genutzt werden, um die Abflussspitzen zu verringern. “ „Statt der bisherigen, oft einseitigen technischen Betrachtung der Belange der Kanalisation wird eine ganzheitliche Betrachtung des Wasserkreislaufes im Bereiche der Siedlungen angestrebt. “ VSA (1989) Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 12

Peter Krebs Fachrichtung Wasserwesen, Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Grundlagen der Abwassersysteme 1 Einführung in die Abwasserentsorgung 1. 1 Überblick über das Abwassersystem 1. 2 Zielstellung 1. 3 Kennwerte und Kosten 1. 4 Schnittstelle Kanalisation – Kläranlage 1. 5 Der Vorfluter als Optimierungsziel Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 13

Anschlussgrad an Kanalisation DWA (2004) Bundesdurchschnitt 95% Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 14

Alterverteilung Kanalisationsrohre DWA (2004) Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 15

Anschlussgrad an Kläranlagen DWA (2004) Bundesdurchschnitt 93% Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 16

Spezifische Kanallänge statist. BA (2001) Einwohner mit Anschluss an öffentliche KN Kilometer KN Baden-Württemberg 10. 475. 562 64. 933 6 Bayern 11. 643. 444 80. 564 7 Berlin 3. 337. 534 9. 100 3 Brandenburg 1. 989. 691 14. 645 7 656. 384 2. 868 4 Hamburg 1. 726. 363 5. 371 3 Hessen 6. 039. 644 35. 547 6 Mecklenburg-Vorpommern 1. 438. 615 10. 770 7 Niedersachsen 7. 421. 881 39. 767 5 17. 461. 974 87. 307 5 Rheinland-Pfalz 3. 988. 760 28. 432 7 Saarland 1. 056. 837 7. 352 7 Sachsen 3. 745. 154 21. 771 6 Sachsen-Anhalt 2. 175. 135 15. 118 7 Schleswig-Holstein 2. 620. 688 22. 282 9 Thüringen 2. 184. 130 12. 398 6 Bundesland Bremen Nordrhein-Westfalen Deutschland Grundlagen der Abwassersysteme 77. 961. 898 486. 159 Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung Meter je angeschlossenen Einwohner 6 © PK, 2009 – Seite 17

Kanallänge pro Einwohner öffentliche Kanalmeter pro Einwohner Maximalwert 19, 69 95%-Quantil 11, 92 75%-Quantil 8, 47 Median 6, 68 Mittelwert 5, 86 25%-Quantil 4, 22 Minimalwert 1, 93 DWA (2004) Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 18

Laufende Kosten Feste Kosten • Abschreibung resp. Werterhaltung • Verzinsung der Darlehen Betriebskosten • Personalkosten • Energiekosten • Betriebsstoffe und –mittel • Reparaturen, Ersatzteile und –materialien • Schlammentsorgung (Kläranlage) • Verwaltung Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 19

Kostenverteilung Reicherter (2003) Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 20

Grundkosten des Kanalbaus (Erdarbeiten, Rohr, Schacht, Straße) Reicherter (2003) Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 21

Kosten für Erdarbeiten Reicherter (2003) Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 22

Kosten für Rohr inkl. Verlegung Reicherter (2003) Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 23

Zeitanteil der Arbeitsschritte Erdarbeiten (Rohrgrabenaushub) 27% Straße 29% Hauptverfüllung + Verdichtung 16% Pause 10% Bettung, Seitenraumverdichtung, Abdeckung 9% Rohr in Graben heben + Verbindung herstellen 4% Rohr verlegen (Summe) Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung Standzeiten 5% Reicherter (2003) © PK, 2009 – Seite 24

Zeitaufwand beim Bau von Kanalisationen von E. Reicherter Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 25

Peter Krebs Fachrichtung Wasserwesen, Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Grundlagen der Abwassersysteme 1 Einführung in die Abwasserentsorgung 1. 1 Überblick über das Abwassersystem 1. 2 Zielstellung 1. 3 Kennwerte und Kosten 1. 4 Schnittstelle Kanalisation – Kläranlage 1. 5 Der Vorfluter als Optimierungsziel Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 26

Kapazität der Kläranlage nach A 131 400 Kapazität der Kläranlage Q m = 2 Q S, max (85%) + Q f Abfluss (l/s) 300 Reservekapazität der Kläranlage bei Trockenwetter 200 Trockenwetteranfall Q t Mittelwert 100 Q s, m Qs Qf 0 0 4 8 12 16 20 24 Uhrzeit (h) Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 27

Kapazität der Kläranlage nach A 131 Mischwasserzufluss gemäß DWA A 131 (2000) A 131: A 198: mehr Flexibilität maßgebend für die Auslegung 2 -Stunden-Spitzenwert, der an 15% der Tage überschritten wird Reserven • Stundenwert meist unter dem 85%-Wert • Meist nicht Spitzenstunde • Dimensionierung auf zunehmenden Abwasseranfall Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 28

Flexibilität nach A 198 QS, a. M Schmutzwasserabfluss, Jahresmittel QM = f. Sp, S QS, a. M + QF, p. M Fremdwasserabfluss, Mittel einer Periode f Sp, S [ -] Spitzenfaktor für Schmutzwasserabfluss 9 6 3 ländlicher Bereich < 5. 000 E Grundlagen der Abwassersysteme Mittelstädte 5. 000 20. 000 E Großstädte 20. 000 100. 000 E > 100. 000 E Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 29

Beispiele A 131 – A 198 Hildesheim Köln-Langel „Stadt mit 75. 000 E“ Anhang A 198 Erhöhung QM um über 60% ca. QM = 3, 5*Qs+Qf Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 30

Fremdwasser Qf • Grundwasserinfiltration • Drainage und Sickerwasser • Quell- und Bachwasser • Brunnenwasser • Kühlwasser und Wasser aus Wärmepumpen • Überlaufwasser aus Reservoirs Das Fremdwasseraufkommen ist variabel Grobe Abschätzung Eigentlich Grundlagen der Abwassersysteme Qf = f (Kanallänge) Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 31

Dynamik der Kläranlagenbelastung Tagesgang von Frachten Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 32

Peter Krebs Fachrichtung Wasserwesen, Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Grundlagen der Abwassersysteme 1 Einführung in die Abwasserentsorgung 1. 1 Überblick über das Abwassersystem 1. 2 Zielstellung 1. 3 Kennwerte und Kosten 1. 4 Schnittstelle Kanalisation – Kläranlage 1. 5 Der Vorfluter als Optimierungsziel Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 33

Ansatz der Wasserrahmenrichtlinie Immission Emission Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 34

Hydrologie des Fließgewässers Abfluss • wichtig wegen der Verdünnung • Volumenstrom, Mittelwert • Schwankungen, Minima – Maxima Niederschlag-Abfluss-Prozess • Reaktionszeiten von Entlastung und Fließgewässer Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 35

Reaktionszeiten von Entlastung und Gewässer 0, 8 3 Abfluss (m /s) 0, 7 Fließgewässer 0, 6 0, 5 0, 4 0, 3 Entlastung 0, 2 0, 1 0, 0 0 1 2 3 4 5 6 Zeit (h) Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 36

Fließgewässerbelastung: hydraulische Effekte Veränderte Hydrologie • Hochwasserhäufigkeit • Gradienten Geschiebetrieb • u. U. häufiger • lokale Erosion • Wirkung auf die Biozönose Intensive Ereignisse sind maßgebend Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 37

Fließgewässerbelastung: stoffliche Effekte Partikuläre Stoffe • Stoffakkumulation auf Oberfläche und in der Kanalisation • Schmutzstoß = f (Trockenperiode, Abfluss) Gelöste Stoffe aus dem Schmutzwasser Ereignis Konzentration Fracht schwach hoch gering mittel hoch intensiv niedrig hoch Intensive Ereignisse sind maßgebend Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 38

Ökologische Fließgewässerqualität Morphologie • Linienführung • Beschattung • Sohlumlagerung • Fluchträume Hydrologie • Abflussregime • N-A-Charakteristik Physik • Temperatur und Temperaturschwankungen • Leitfähigkeit Chemie • NH 4+, NH 3 • Schwermetalle • Mikroschadstoffe Biologie • Artenvielfalt • Artenhäufigkeit Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 39

Effekte im Fließgewässer (Schilling et al. , 1997) Zeithorizon takut hydraulisch Abfluss, Scherkraft, Erosion (Stunden) chemisch toxische Substanzen (NH 3) im Wasser physikalisch suspendierte Stoffe, Trübung bio-chemisch Sauerstoffzehrung im Wasser hygienisch Bakterien, Viren ästhetisch Geruch, Treibgut verzögert chemisch toxische Subs. (NH 3, NO 2), Sohle (Tage) bio-chemisch Sauerstoffzehrung im Sediment hygienisch Bakterien, Viren im Sediment ästhetisch Treibgut, Öl akkumulativ hydrologisch Abflussregime, Morphologie (Wochen, chemisch Schwermetalle, org. Subs. , Sediment (Jahre) bio-chemisch Sauerstoffzehrung (Eutrophierung) Effekt Grundlagen der Abwassersysteme Indikator Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 40

Gewässergüte des sächsischen Flüsse (Quelle: Lf. UG (1998)) Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 1 Einführung in die Abwasserentsorgung © PK, 2009 – Seite 41