Projekt 35081/01

Verifikation eines Planungswerkzeugs zur Simulation und Visualisierung von Stoffströmen in neuartigen Abwassersanitärsystemen

Projektträger

Björnsen Beratende Ingenieure GmbH Niederlassung Leonberg
Distelfeldstr. 15
71229 Leonberg
Telefon: +49 7152 3311092

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Neuartige Sanitärsysteme (NASS) bzw. Ressourcenorientierte Sanitärsysteme (ROSS) sind vor dem Hintergrund der Ressourcenverknappung, des sinkenden Wasserverbrauchs und damit einhergehender hydraulischer Probleme in unseren Abwasserkanälen sowie sich stetig ändernder Randbedingungen durch demografischen und klimatischen Wandel in den letzten Jahren immer stärker in den Fokus siedlungswasserwirtschaftlicher Betrachtungen gerückt. Wesentliche Ziele von ROSS sind die Wiedernutzung von Ressourcen (z. B. Nährstoffe, Wasser, Energie) sowie ein insgesamt nachhaltigeres Abwassermanagement. Das Projekt SAmpSONS hat sich zum Ziel gesetzt, durch die Entwicklung eines Simulationstools zu einer Versachlichung der Diskussionen beizutragen, die zu den ROSS-Technologien oft engagiert geführt werden. Dabei bestehen vielfach Vorbehalte, die häufig auf mangelnden Kenntnissen beruhen. Trotz erfolgreicher Erprobung der ROSS-Technologien ist deren gleichberechtigter Einsatz neben konventionellen Verfahren bislang nicht gegeben. Innerhalb des Projektes wurde das Simulationstool SAmpSONS entwickelt, mit dessen Hilfe sowohl ROSS als auch konventionelle Abwassermanagementtechnologien hinsichtlich ihrer Stoff- und Ressourcenströme simuliert und auf Basis von diversen Indikatoren bewertet und verglichen werden können. Dabei werden folgende Kriterien berücksichtigt: Nährstoffbilanzen (v. a. Stickstoff und Phosphor), energetische Bilanzierung, Kostenbilanzen (fixe und variable Kosten sowie die gesamten Lebenszykluskosten), verschiedene Umweltindikatoren (z. B. Treibhausgasemissionen und Eutrophierungspotenzial) sowie soziale Indikatoren (z. B. Akzeptanz). Ein besonderes Augenmerk wird auf das Verhalten und die Bilanzierung von Mikroschadstoffen (organischer Spurenstoffe) in den Behandlungsszenarien gelegt. In der zweiten Projektphase von SAmpSONS wurden neben der bereits integrierten Substanz Diclofenac zu weiteren Spurenstoffen, i. e. Benzotriazol, Iomeprol, Metoprolol und Sulfamethoxazol Informationen zu Reinigungsleistungen und Abbauraten integriert, der Betrachtungsraum erweitert, Rückkopplungen und zahlreiche weitere Technologien hinzugefügt sowie der Simulator erweitert.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenJahr 1 - 2:
Arbeitspaket 1: Recherche Stand der Forschung von Simulation und Visualisierung von ROSS; Datenerhebung von konventionellen und ROSS-Verfahrenstechniken (Erstellung von „Daten-Steckbriefen“); Konzepterstellung für den ROSS-Simulator.
Arbeitspaket 2: Integration der Daten-Steckbriefe in SAmpSONS (Simulationstool) als Verfahrensblöcke; Tests, Verfeinerung und Optimierung der Verfahrensblöcke.
Arbeitspaket 3: Anwendung anhand von Fallbeispielen; Evaluierung der Simulationsergebnisse; Optimierung des Simulationstools.

Jahr 3:
Arbeitspaket 1: Integration weiterer Verfahrensblöcke in SAmpSONS und Disaggregation von Steckbriefen;
Arbeitspaket 2: Untersuchung zur Integration weiterer anthropogener Spurenstoffe und eines Indikators Resilienz; Schließen von Datenlücken und Identifizierung von Forschungsbedarfen;
Arbeitspaket 3: Erweiterung des Bilanzraumes und Integration von Gutschriften für die Substitution von konventionellen Düngemitteln;
Arbeitspaket 4: Zusätzliche Validierung und Verfeinerung des SAmpSONS-Tools sowie Erhöhung des Nutzerkomforts;
Arbeitspaket 5: Öffentlichkeitsarbeit und Verstetigung


Ergebnisse und Diskussion

Der Vergleich von verschiedenen Verfahren bzw. Verfahrenskombinationen für die Sanitärversorgung von kleineren und mittleren Siedlungsgebieten erfordert die Berücksichtigung mannigfaltiger Aspekte. Heutzutage sind diese nicht nur auf die Kosten zu beschränken. Immer stärker ist der Wunsch, die Nachhaltigkeitswirkungen ganzheitlich in den Untersuchungen darzustellen. Dazu wurde in SAmpSONS ein geeigneter Kriterienkatalog erstellt und in einem computergestützten Tool umgesetzt. SAmpSONS ermöglicht Nutzer*innen wie zum Beispiel Planer*innen, kommunalen Entscheidungsträger*innen, Mitarbeiter*innen von Zweckverbänden etc., verschiedene Szenarien bei der Vorplanung von Sanitärsystemen hinsichtlich unterschiedlicher Teilziele wie Ökologie, Ökonomie und sozialer Faktoren miteinander zu vergleichen. Die Ergebnisse der Nachhaltigkeitsbewertung ermöglichen gleichzeitig eine vertiefte Bewusstseinsbildung bei den Nutzern*innen sowie bei Multiplikator*innen. Für die diversen Verfahrensschritte von Abwasseranfall bis zur finalen Behandlung wurden eine Vielzahl von Daten-Steckbriefen entwickelt, die als Verfahrensblöcke in ein auf SIMBA#-basierendes Simulationstool integriert wurden. Nach weitgehender Fertigstellung von SAmpSONS und ersten Tests der Verfahrensblöcke wurde eine Validierung anhand von Fallbeispielen durchgeführt. In der zweiten Phase wurde zahlreiche weitere Technologien hinzugefügt. Dabei zeigte sich, dass SAmpSONS für viele Anwendungsgebiete plausible und mit detaillierten Untersuchungen vergleichbare Ergebnisse liefert. Aufgrund der komplexen Wirklichkeit und den für SAmpSONS notwendigen Vereinfachungen, kann das ausschließliche Nutzen der in SAmpSONS hinterlegten Standard-Werte (im Folgenden: Default-Werte) aber zu Verzerrungen und Ungenauigkeiten führen. Dies ist besonders bei Kostenauswertungen zu beachten. In diesen Fällen können sich eingearbeitete Nutzer*innen aber der Möglichkeit bedienen, die in SAmpSONS hinterlegten Defaultwerte auf spezifische Anwendungsfälle flexibel anzupassen. Ein großer Vorteil von SAmpSONS zeigt sich dann in der unmittelbaren Analyse und Ergebnisauswertung auf Basis der angepassten Werte. Die erstellten Steckbriefe mit allen Original- bzw. Default-Werten sind entsprechend aufbereitet und für SAmpSONS-Nutzer*innen dokumentiert.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

• 2. SAmpSONS Online Seminar am 21.04.2021
• 1. SAmpSONS Online Seminar am 17.11.2020. Verfügbar auf YouTube unter: https://www.youtube.com/watch?v=6O2E7aiSMpw&t=52s
• Präsentation von SAmpSONS bei der DWA Arbeitsgruppensitzung (DWA-Arbeitsgruppe KA-1.1, „Technik und Bemessung“) am 28.06.2019 in Koblenz bzw. am 18.09.2020 (online).
• Zinati, T., Wriege-Bechtold, A., Barjenbruch, M., Schütze, M., Schulz, M., Kraus, M., Wißmann, I., Veser, S., Söbke, H., Londong, J. (eingereicht): SAmpSONS: Softwarewerkzeug zur vergleichenden Vorplanung von Abwasserinfrastrukturen. Eingereicht an Korrespondenz Abwasser Abfall im Dez. 2020.
• Schulz, M., Schütze, M., Zinati, T., Söbke, H., Wißmann, I., Kraus, M., Veser, S., Wriege-Bechtold, A., Barjenbruch, M., Londong, J. (eingereicht): SAmpSONS: A software tool for comparative preliminary sustainability assessment of wastewater infrastructure systems. Abstract submitted to IWA Conference 2021 in Poznan, Poland 14.12.2020.
• Zinati, T., Barjenbruch, M., Schütze, M., & Wriege-Bechtold,A., (2020): Assessment of urban sanitation concepts for sustainable wastewater management, first International Conference on Urban Water Interfaces, 22.-24. Sep. 2020, abstract and online oral presentation
• Zinati, T., Barjenbruch, M. & Wriege-Bechtold, A., (2019a): Nutrient recovery efficiency of urban sanitation systems, the 7th International Water Association (IWA) specialist conference on natural organic matter (NOM7), 7.-10. Oct.2019, Tokyo, Japan, abstract and poster presentation
• Zinati, T., Barjenbruch, M. & Wriege-Bechtold, A., (2019b): Integrated nexus model for sustainable urban sanitation system. Proceedings of 11th World Congress of EWRA on Water Resources and Environment, 25.-29. 06. 2019, Madrid, Spain, oral presentation and reviewed paper: Garrote, L.; Tsakiris, G.; Tsihrintzis, V. A.; Vangelis, H.; Tigkas, D (Eds.) (2019): Managing Water Resources for a Sustainable Future. Proceedings of the 11th World Congress of EWRA on Water Resources and Environment. 11th WORLD CONGRESS on Water Resources and Environment. Madrid, Spain, 25-29 June, ISBN: 978-618-84419-0-3
• Schütze, M., Wriege-Bechtold, A., Zinati, T., Söbke, H., Wißmann, I., Schulz, M., Veser, S., Londong, J., Barjenbruch, M., Alex, J. (2019): Simulation and Visualization of Material Flows in Sanitation Systems for Streamlined Sustainability Assessment. Water Science and Technology, 79(10), 1966–1976. doi.org/10.2166/wst.2019.199
• Zinati, T., Wriege-Bechtold, A., Zinati, B., Barjenbruch, M. & Lenzen, M., (2019): Assessment of source separated sanitation technologies for sustainable wastewater management, 12th IWA International Conference on Water Reclamation and Reuse, 16.-20. June.2019, Berlin, Germany, abstract and oral presentation
• Schulz, M., Wißmann, I., Schütze M., Zinati, T., Wriege-Bechtold, A, Söbke, H., Veser, S., Londong, J., Barjenbruch, M., Alex, J. (2019): SAmpSONS: Simulation und Visualisierung von Stoffströmen in Sanitärsystemen zur Nachhaltigkeitsbewertung. Veröffentlichung im Tagungsband der DWA-Landesverbandstagung am 19.06.2019 in Leipzig.
• Wissmann, I., Schulz, M., Veser, S., Wriege-Bechthold, A., Zinati, T., Söbke, M., Schütze, M. (2019): Projekt SAmpSONS – Simulation und Visualisierung von Stoffströmen in neuartigen Sanitärsystemen – Unterstützung der Analyse ihrer Funktion, Kosten und Ressourcenhaushalts. 26. Simba-Anwendertreffen, Merseburg, 14./15.05.2019
• Zinati Shoa, T. and Barjenbruch, M.: Nutrient recovery by source separated sanitation technologies, IWA Nutrient Removal & Recovery Conference 2018, Brisbane, Australia, 18-21 November 2018.
• Schütze, M., Wriege-Bechtold, A., Söbke, H., Wißmann, I., Schulz, M., Veser, S., Londong, J., Barjenbruch, M., Alex, J.: Simulation and Visualization of Material Flows in Sanitation Systems for Streamlined Sustainability Assessment; IWA Conference on Small Water & Wastewater Systems and Resources Oriented Sanitation; SWWS2018; Haifa, Israel, 14-18 October 2018
• Vorstellung einer Entwurfsversion von SAmpSONS auf der IFAT München, 14.-18.05.2018
• Zinati, T. & Barjenbruch, M., (2018): Evaluation of different treatment technologies of source-separated urine. Proceedings of 10th Eastern European Young Water Professionals Conference, 7.-12. May. 2018, Zagreb, Croatia, reviewed paper and oral presentation, ISBN: 978-953-8168-23-9
• Zinati, T. & Barjenbruch, M., (2017): Simulation of sanitation concepts for source separated wastewater. Proceedings of 8.th International Young Water Professionals Conference, 10.-13. Dec. 2017, Cape Town, South Africa, abstract and oral presentation
• Zinati, T., Barjenbruch,M. & Wriege-Bechtold,A., (2017): Source separation technologies, opportunities for sustainable wastewater management. European Water Resources Association, 58: 111-117, 2017., ISSN: 1105-7580
• Zinati, T., Barjenbruch,M. & Wriege-Bechtold,A., (2017a): Assessment of material and energy flow efficiency in different source separated sanitation technologies. Proceedings of the 9th Eastern European Young Water Professionals Conference, 24.-27. May. 2017, Budapest, Hungary, reviewed paper and oral presentation, ISBN: 978-963-313-256-2
• Zinati, T., Barjenbruch, M. & Wriege-Bechtold, A., (2017b): Source separation technologies, opportunities for sustainable wastewater management. Proceedings of 10th World Congress of EWRA on Water Resources and Environment, 05.-09. Jul. 2017, Athens, Greece, reviewed paper and oral presentation

• Zinati Shoa, T. and Barjenbruch, M.: Nutrient recovery by source separated sanitation technologies, IWA Nutrient Removal & Recovery Conference 2018, Brisbane, Australia, 18-21 November 2018.
• Schütze, M., Wriege-Bechtold, A., Söbke, H., Wißmann, I., Schulz, M., Veser, S., Londong, J., Barjenbruch, M., Alex, J.: Simulation and Visualization of Material Flows in Sanitation Systems for Streamlined Sustainability Assessment; IWA Conference on Small Water & Wastewater Systems and Resources Oriented Sanitation; SWWS2018; Haifa, Israel, 14-18 October 2018
• Vorstellung einer Entwurfsversion von SAmpSONS auf der IFAT München, 14.-18.05.2018
• Zinati, T. & Barjenbruch, M., (2018): Evaluation of different treatment technologies of source-separated urine. Proceedings of 10th Eastern European Young Water Professionals Conference, 7.-12. May. 2018, Zagreb, Croatia, reviewed paper and oral presentation, ISBN: 978-953-8168-23-9
• Zinati, T. & Barjenbruch, M., (2017): Simulation of sanitation concepts for source separated wastewater. Proceedings of 8.th International Young Water Professionals Conference, 10.-13. Dec. 2017, Cape Town, South Africa, abstract and oral presentation
• Zinati, T., Barjenbruch,M. & Wriege-Bechtold,A., (2017): Source separation technologies, opportunities for sustainable wastewater management. European Water Resources Association, 58: 111-117, 2017., ISSN: 1105-7580
• Zinati, T., Barjenbruch,M. & Wriege-Bechtold,A., (2017a): Assessment of material and energy flow efficiency in different source separated sanitation technologies. Proceedings of the 9th Eastern European Young Water Professionals Conference, 24.-27. May. 2017, Budapest, Hungary, reviewed paper and oral presentation, ISBN: 978-963-313-256-2
• Zinati, T., Barjenbruch, M. & Wriege-Bechtold, A., (2017b): Source separation technologies, opportunities for sustainable wastewater management. Proceedings of 10th World Congress of EWRA on Water Resources and Environment, 05.-09. Jul. 2017, Athens, Greece, reviewed paper and oral presentation



Fazit

Es zeigte sich, dass mit SAmpSONS den Anwender*innen eine geeignete Möglichkeit gegeben wird, konventionelle und ressourcenorientierte Sanitärsysteme vergleichend darzustellen und dabei über die gängigen Auswertungskriterien (ökonomische Parameter) hinauszugehen und ökologische und soziale Aspekte (Emissionen, Verhalten organischer Spurenstoffe, Akzeptanz etc.) in die Bewertungen miteinzubeziehen. Über die Nutzung des Simulationstools und die darin integrierten Verfahrensblöcke wird die Nachhaltigkeitsbewertung unterschiedlicher Alternativen stark vereinfacht und der Zeitaufwand reduziert.
In der Projektphase 2 wurden weitere Ergänzungen und Anpassungen an der bestehenden Version von SAmpSONS herbeigeführt. Dies umfasst die Integration zahlreicher zusätzlicher Technologien des Abwassermanagements, insbesondere der Schlammbehandlung, P-Rückgewinnung und von Technologien der 4. Reinigungsstufe, die Möglichkeit zur Auswertung weiterer Spurenstoffe sowie des Indikators Resilienz und die Berücksichtigung von Gutschriften für die Substitution von konventionellen Düngemitteln. Ferner wurde SAmpSONS auf Basis weiterer Fallbeispiele validiert, die Nutzer*innenfreundlichkeit von SAmpSONS z. B. durch zusätzliche Auswerteoptionen erhöht, das Tool einer erweiterten potentiellen Nutzer*innenschaft vorgestellt und dessen zukünftige Anwendung und Verstetigung vorangetrieben. Mit der vorliegenden Version von SAmpSONS2 steht ein statisches Simulationstool zur Verfügung, das flexibel auf unterschiedlichste Abwasserinfrastrukturszenarien anwendbar ist.

Übersicht

Fördersumme

147.950,00 €

Förderzeitraum

01.03.2020 - 31.03.2021

Bundesland

Baden-Württemberg

Schlagwörter

Ressourcenschonung
Umwelttechnik