Projekt 06120/01

Immissionsorientierte Sanierung niederschlagsbedingter Gewässerbelastungen am Beispiel der Stadt Limburg

Projektträger

Abwasserverband Limburg an der Lahn
Adolfstr. 3
65549 LimburgZielsetzung und Anlass des Vorhabens Am Beispiel der Stadt Limburg und der Lahn wird auf der Basis vorhandener Daten sowie zielgerichteter Erhebungen ein konkretes Konzept zur immissions-orientierten und umweltvertr√§glichen Sanierung der niederschlagsbedingten Gew√§sserbelastung erarbeitet und umgesetzt. Hierbei wird die Gesamtheit aus Kanalnetz, Kl√§ranlage und Gew√§sser systematisch betrachtet. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Beurteilung der √∂kologischen und √∂konomischen Effizienz von abwassertechnischen Ma√ünahmen zur Niederschlagswasserbehandlung. Hierbei werden Grundlagen erarbeitet, mit denen die √∂kologische und √∂konomische Wirksamkeit von abwassertechnischen Ma√ünahmen quantitativ abgesch√§tzt werden k√∂nnen. Die Bearbeitung erfolgt beispielhaft, so dass die erarbeiteten Instrumentarien und Methoden an anderer Stelle genutzt und √§hnlich gelagerte Problemstellungen zuk√ľnftig mit deutlich reduziertem Aufwand gel√∂st werden k√∂nnen. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Untersuchungen zur Bestandsaufnahme und zur Schaffung einer ausreichenden Datengrundlage wurden w√§hrend drei Schwerpunktmessphasen im Jahr 1996 und 1998 durchgef√ľhrt. Emissionsseitig wurde das Kanalnetz durch Messungen an ausgew√§hlten Mischwasserentlastungen erfasst. Die Wahl der Entlastungsanlagen erfolgte auf Grundlage vorliegender Ergebnisse von Schmutzfrachtberechnungen. Die Erfassung des Betriebszustandes der Verbandskl√§ranlage Limburg erfolgte neben der Auswertung der Betriebstageb√ľcher √ľber einen langfristigen Zeitraum durch umfassende Messprogramme w√§hrend der Schwerpunktmessphasen. Parallel zu den Messungen in Kanalnetz und Kl√§ranlage wurden die immissionsseitig notwendigen Erhebungen in der Lahn durchgef√ľhrt. Neben den Schwerpunktmessphasen erfolgte eine kontinuierliche Erfassung relevanter gew√§sserg√ľtewirtschaftlicher sowie meteorologischer Daten √ľber einen Zeitraum der Sommermonate 1996. Die Untersuchungen erfolgten flussabw√§rts von Limburg bei Diez (ca. 4 km Flie√üstrecke ab Einleitung der Verbandskl√§ranlage) und an der Lahn vor Limburg (3. Schwerpunktmessphase). Die Messungen im Jahre 1996 und 1998 wurden durch die Abflussdaten der Lahn bei Leun und Kalkofen sowie von vier wesentlichen Nebengew√§sser erg√§nzt. Weiterhin dienen Niederschlagsdaten des Deutschen Wetterdienstes zur Erg√§nzung der eigenen gemessenen Datenbasis. Zur Erfassung der Vorbelastung der Lahn wurden Messungen der Hessischen Landesanstalt f√ľr Umwelt an den Messstellen Oberbiel und Limburg herangezogen. Parallel zur Erfassung der vorgenannten Daten wurde das Kanalisationsnetz des Abwasserverbandes in seinem aktuellen Stand erfasst. Der gewonnene Datenbestand wurde mit Hilfe einfacher Bilanzen √ľberpr√ľft. Die Bilanzierungen dienten dazu, Belastungsschwerpunkte zu erkennen und Sanierungsszenarien zu definieren. Mit Hilfe der Messungen auf der Kl√§ranlage und im Kanalnetz sowie erg√§nzender Daten aus der Eigen√ľberwachung konnten diese beiden siedlungswasserwirtschaftlichen Elemente mit einem dynamischen Kl√§ranlagensimulationsmodell sowie einer Schmutzfrachtsimulation nachgebildet und kalibriert werden. Zur Anwendung kam die Simulationssoftware SIMBA auf der Basis des IAWQ-Modell ASM-1 (Kl√§ranlage) sowie das Schmutzfrachtmodell MOMENT (Kanalnetz). Zur Berechnung der Wasserqualit√§t wurde das Gew√§sserg√ľtemodell der ATV verwendet. Die Kalibrierung des Modells erfolgte auf der Basis der ersten Schwerpunktmessphase f√ľr die Lastf√§lle Trockenwetter- und Regenwetterabfluss (inkl. Mischwasserentlastung). Zur √úberpr√ľfung von Ma√ünahmen der Mischwasserbehandlung (Kanalnetz und Kl√§ranlage) wurden vier Ausbaustufen (Szenarien) definiert. Als weitere Eingangsgr√∂√üen f√ľr das untersuchte System dienten eine ver√§nderliche Niederschlagsbelastung sowie eine unterschiedliche Vorbelastung des Gew√§ssers. Mit Hilfe der Verkn√ľpfung von Kanalnetz, Kl√§ranlagen- und Gew√§sserg√ľtesimulation konnten die Ma√ünahmen-Szenarien immissionsseitig hinsichtlich ihrer √∂kologischen Wirksamkeit bewertet werden. Ergebnisse und Diskussion Die wesentlichen Ergebnisse aus dem Projekt lassen sich wie folgt zusammenfassen: Ausbau der Mischwasserbehandlung Die Mischwasserbehandlung entspricht in ihrem derzeitigen Ausbauzustand (Szenario 0 "Ist-Zustand 1998") nicht den g√ľltigen Regeln der Technik. Erst ein weitergehender Ausbau, wie in Szenario 1 "Stand der Technik" dargestellt, erf√ľllt die Anforderungen. Langfristige Entlastungsmessungen (Dauer: 1 Jahr) an einer ausgew√§hlten Entlastungsanlage (Regen√ľberlauf R20 "R√ú Elz - Am Reitplatz") haben gezeigt, dass die tats√§chliche Entlastungst√§tigkeit nicht der rechnerischen (verwendete Regenreihe: rr05 f√ľr das Land Hessen) entspricht. Die Aufzeichnung der Entlastungst√§tigkeit an Mischwasserentlastungsanlagen zur Eigen√ľberwachung und als Planungshilfe wird daher empfohlen, bevor ressourcenintensive Investitionen realisiert werden. Erg√§nzend hierzu k√∂nnen Niederschlagsmessstellen als Planungshilfe dienen, um neben Modellregenreihen auch Echtregen bei der Beurteilung des Kanalnetzes verwenden zu k√∂nnen. Mischwasserbehandlung und Gew√§sserg√ľte W√§hrend der drei Schwerpunktmessphasen konnten Mischwasserlastf√§lle beobachtet werden, die Belastungen in der N√§he kritischer Schwellenwerte verursachten. Dies betraf die Parameter Sauerstoff und Ammonium. Ein Zusammentreffen von Ammonium- und pH-Spitzenwerten konnte f√ľr den Untersuchungszeitraum nicht festgestellt werden. Mit Hilfe von pH-Wert- und Temperaturmessungen konnte deshalb rechnerisch nachgewiesen werden, dass im Gew√§sser keine kritischen Ammoniakkonzentrationen auftreten. Mit Hilfe der Messungen wurde die Lahn nach geltenden G√ľtekriterien f√ľr den chemischen Zustand als ein Gew√§sser mit "m√§√üiger" bis "deutlicher" Belastung klassifiziert. F√ľr den Parameter Pges und PO4-P wurden "erh√∂hte" Belastungen festgestellt. In Untersuchungen, die im Rahmen des BMBF-NIEDERSCHLAG-Projektes durchgef√ľhrt wurden, konnten als wesentliche Phosphor-Quellen punktf√∂rmige Einleitungen aus Kl√§ranlagen festgestellt werden. Diese Einleitungen befinden sich im Oberlauf des Untersuchungsgebietes. Untersuchungen zu N√§hrstoffeintr√§gen aus diffusen Quellen wurden im Rahmen des Projektes nicht durchgef√ľhrt. In vier Szenarien wurden Ausbaustufen der Mischwasserbehandlung definiert. Modellrechnungen f√ľr den Gew√§sserabschnitt der Lahn bei Limburg haben f√ľr die Szenarien gezeigt, dass bei den gegebenen Randbedingungen keine signifikanten Unterschiede bez√ľglich der Gew√§sserbelastung zu erwarten sind. Untersucht wurden dabei die f√ľr den Gew√§sserabschnitt relevanten Parameter Sauerstoff und Ammonium/Ammoniak. Aus gew√§sserg√ľtewirtschaftlicher Sicht sind deshalb keine versch√§rften Anforderungen an die Mischwasserbehandlung zu stellen. Jedoch erscheint es aus st√§dtebaulichen und √∂kologischen Gr√ľnden sinnvoll, eine Niederschlagswasserbehandlung am Entstehungsort durchzuf√ľhren. Gerade f√ľr k√ľnftige Erweiterungsfl√§chen bietet sich diese Vorgehensweise an. Hierdurch kann eine Verminderung der hydraulischen und stofflichen Belastung der nachfolgenden Systeme erreicht werden. Nicht in die Detailuntersuchungen einbezogen wurde der Elbbach, in den ein Anteil der Mischwasserentlastungsbauwerke im Verbandsgebiet entlasten. Eine erg√§nzende Gew√§sserg√ľteuntersuchung zeigte jedoch keine Sch√§digungen bez√ľglich der Gew√§sserg√ľte. Die Einstufung des Gew√§ssers erfolgte in die G√ľtestufe II. Ausbauzustand der Kl√§ranlage Im Untersuchungszeitraum wurde die Betriebsweise der Kl√§ranlage auf den Betrieb zur gezielten Stickstoffelimination (Nitrifikation/Denitrifikation) umgestellt. Hierdurch wurden Ablaufwerte erreicht, die die gesetzlichen Anforderungen unterschreiten. Kalibrierte und verifizierte Modellrechnungen unter Einbezie-hung von geplanten Erweiterungsfl√§chen zeigen, dass eine √úberlastung der Kl√§ranlage durch den Anschluss der Erweiterungsfl√§chen nach dem derzeitigen Kenntnisstand nicht zu erwarten ist. Selbst bei einer Mehrbelastung der Kl√§ranlage bis zu einem Mischwasserzufluss von Qm = 3*Qsx+Qf w√ľrden rechnerisch die Ablaufwerte eingehalten. In der Mehrbelastung der Kl√§ranlage w√ľrde deshalb ein kosteng√ľnstiges Potential f√ľr F√§lle liegen, bei denen bei niedrigen Regenabflussspenden kritische Ammonium-/Ammoniakbelastungen im Gew√§sser auftreten k√∂nnen. Ein besonderes Augenmerk sollte dabei immer der Nachkl√§rung geschenkt werden. Die Schlammbehandlung war nicht Gegenstand der Untersuchungen. Einfluss der Kl√§ranlage auf die Gew√§sserg√ľte Auf der Basis der durchgef√ľhrten Messungen und Modellrechnungen konnte nachgewiesen werden, dass der Einfluss der Kl√§ranlagenemissionen auf den Stoffhaushalt der Lahn im Vergleich zur Vorbelastung gering ist. Dies betrifft die untersuchten Parameter Sauerstoff und Ammonium/Ammoniak. Einen wesentlicheren Einfluss auf die Gew√§sserg√ľte besitzen die Mischwassereinleitungen im Verbandsgebiet. Die Immissionsanalyse hat gezeigt, dass √ľber den derzeitigen Ausbauzustand der Kl√§ranlage hinausgehende Ma√ünahmen zur Verbesserung der Ablaufqualit√§t nicht erforderlich sind. Vereinfachte Nachweise zur Erkennung kritischer Belastungssituationen Ein vereinfachter Nachweis zur Erkennung kritischer Belastungssituationen wurde mit Hilfe des Gelbdruckes des BWK-Merkblattes 3 durchgef√ľhrt. Obwohl im vorliegenden Fall die Anwendungsgrenzen des Leitfadens √ľberschritten wurden, konnten qualitativ gesicherte Aussagen gegeben werden. Das BWK-Merkblatt 3 kann somit als geeignetes Werkzeug angesehen werden, eine Absch√§tzung der Gew√§sserbelastung unter Ber√ľcksichtigung √∂rtlicher Verh√§ltnisse und hinsichtlich der Wahl des Nachweisverfah-rens (detailliert oder vereinfacht) f√ľr das Einhalten von Anforderungen zu treffen. Auf Grund der Gr√∂√üe des Untersuchungsgebietes ist die Anwendung von einfachen Bilanzans√§tzen unter Einbezug der Elemente Kanalisation, Kl√§ranlage und Gew√§sser zur Betrachtung von einzelnen Mischwasserlastf√§llen nur bedingt m√∂glich. Um gesicherte Aussagen zu erhalten, sind dazu umfassendere Datengrundlagen sowie genauere Kenntnisse der Belastungspfade notwendig. F√ľr diesen detaillierten Nachweis einschlie√ülich der Ma√ünahmenwahl k√∂nnen die im Vorhaben erarbeiteten Methoden angewendet werden. Modellgrundlagen Bei der Modellanwendung m√ľssen dem Anwender die theoretischen Grundlagen des verwendeten Modells bekannt sein. Hierbei eingeschlossen sind grundlegende Kenntnisse √ľber die theoretischen Hintergr√ľnde der Simulation und der Prozessabl√§ufe im zu simulierenden System. F√ľr das verwendete Gew√§sserg√ľtemodell sind zwar die theoretischen Hintergr√ľnde publiziert, die Prozessgleichungen sind jedoch noch nicht offengelegt. Eine Interpretation und Verifizierung der Ergebnisse ist somit nur eingeschr√§nkt und auf indirektem Weg m√∂glich. Modellrechnungen zur Gew√§sserg√ľte F√ľr unterschiedliche Lastf√§lle wurden Modellrechnungen zur Beurteilung der Gew√§sserg√ľte durchgef√ľhrt. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass sich auf Grund der Verh√§ltnisse im Vorflutgew√§sser die untersuchten Varianten zur Mischwasserbehandlung in ihrer Wirkung auf den Gew√§sserzustand nur relativ geringf√ľgig unterscheiden. Als wesentlicher Parameter, der die Mischwasserentlastung bestimmt, stellt sich die Niederschlagsbelastung dar. Weitergehende Ma√ünahmen zur Mischwasserbehandlung oder eine hydraulische Mehrbeschickung der Kl√§ranlage bedeuten im vorliegenden Fall keine wesentliche Verbesserung des Gew√§sserzustandes f√ľr den betrachteten Gew√§sserabschnitt. Die Simulationsrechnungen zeigten, dass die vorgeschlagenen Grenzwerte nach der ATV-Arbeitsgruppe "Beeinflussung der Gew√§sserg√ľte durch Mischwassereinleitungen" (AG 2.1.1) unter bestimmten Belastungsannahmen zwar ann√§hernd erreicht werden k√∂nnen, √ľberschritten werden diese jedoch nicht. Messprogramme zur Eigen√ľberwachung Die Auswertung des vorhandenen Datenmaterials zeigte, dass im Vergleich zum erforderlichen Umfang der hier durchgef√ľhrten Untersuchungen Defizite bestanden. Ein im Vergleich zur geltenden Eigenkontrollverordnung (EKVO) ver√§ndertes Messprogramm zur Eigen√ľberwachung w√§re f√ľr √§hnlich gelagerte Problemstellungen erforderlich. Eine Anpassung der EKVO an die Erfordernisse der Datengrundlagen von Simulationsmodellen wird daher empfohlen. Neben der Abwasserreinigung bestehen vor allem im Bereich der Mischwasserbehandlung erhebliche Defizite hinsichtlich ihrer Erfolgskontrolle. Eine √úberwachung des Vorflutgew√§ssers erscheint bei kritischen Situationen sinnvoll. Als Mindestparameter sollten kontinuierliche Sauerstoff-, Tr√ľbungs- und UV-Sonden (Messung des spektralen Absorptionskoeffizienten) eingesetzt werden. Es sind Sekund√§rdaten (insb. Abfluss, Wetterdaten, Einleitungen aus dem Siedlungsgebiet) so zu erheben, dass Bilanzierungen und ggf. Modellkalibrierungen f√ľr die relevanten stofflichen Parameter f√ľr ein Niederschlagskontinuum m√∂glich sind. Die genannten Parameter lassen sich mit geringem personellen Aufwand √ľber einen l√§ngeren Zeitraum kontinuierlich erfassen und k√∂nnen zum Erkennen kritischer Belastungssituationen beitragen. Erforderlich sind Probestellen im Ober- und Unterlauf des Entw√§sserungssystems. Schwerpunktmessprogramme Schwerpunktmessprogramme dienen zur Datenverdichtung und k√∂nnen √ľber einen zeitlich begrenzten Zeitraum durchgef√ľhrt werden. Sie dienen im wesentlichen zur Kalibrierung von Modellen. Eine Kalibrierung von Modellen ist nicht nur bei deren Erstellung, sondern auch bei sich ver√§ndernden Randbedingungen notwendig. Beispielhafte Schwerpunktmessprogramme wurden konzipiert und durchgef√ľhrt. Der Umfang der Erhebungen h√§ngt im wesentlichen von der Fragestellung und dem verwendeten Modell ab. √Ėffentlichkeitsarbeit und Pr√§sentation Mang, J. (1996): √Ėkologische und technische Hinweise zur Abwasser- und Kl√§rschlammbehandlung bei knappen Kassen. In: Schriftenreihe Wasser, Abwasser, Abfall des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft, Universit√§t Kassel, Band 16, Seite 85, Kassel. Borchardt, D., Fischer, J. und E. Mauch (1998): Auswirkungen von Mischwassereinleitungen auf den Stoffhaushalt und die Bioz√∂nose von Flie√ügew√§ssern: √Ėkologische und wasserwirtschaftliche Folgerungen. Gwf Wasser Abwasser 139 (7), 418 - 423. Mang, J.; Geffers, K.; Borchardt, D (1998): Auswirkungen von Mischwassereinleitungen auf den Stoffhaushalt und die Bioz√∂nose von Flie√ügew√§ssern, Fallbeispiel Lahn bei Limburg (Hessen) - ein staureguliertes Flie√ügew√§sser 2. Ordnung. gwf - Wasser, Abwasser, 139 (6), 408 - 417. Borchardt, D. (1999): Praxisorientierte Ermittlung der flie√ügew√§sserbezogenen Anforderungen an die Niederschlagswasserbehandlung. Schriftenreihe Siedlungswasserwirtschaft Bochum 36, 43 - 60. Borchardt, D (1999): Niederschlagsbedingte Gew√§sserbelastungen: Wie k√∂nnen Probleme identifiziert und Ma√ünahmen beurteilt werden? In: Fuchs, St. und H. H. Hahn: Schadstoffe im Regenabfluss IV. Schriftenreihe des ISWW Karlsruhe 96, 173-192. Fazit Die durchgef√ľhrten Untersuchungen (Messungen und Modellrechnungen) zeigten f√ľr den Abwasserverband Limburg, dass ein Ausbau der Mischwasserbehandlung - √ľber die Normalanforderungen hinaus - zun√§chst keine entscheidende Verbesserung der Gew√§sserg√ľte erwarten l√§sst. Auf der Basis der vorliegenden Ergebnisse wird daher der Ausbau nach dem Stand der Technik empfohlen (Szenario 1). Bedingt durch die Stauregulierung stellte sich der Sauerstoffgehalt als empfindliche Gr√∂√üe im Gew√§sser dar. Da kurzzeitig kritische Situationen bei ung√ľnstigen Randbedingungen theoretisch m√∂glich sind, wird eine erg√§nzende Eigen√ľberwachung an den wichtigsten Mischwasserentlastungsbauwerken empfohlen. Die Kl√§ranlage Limburg erf√ľllt in Ihrem derzeitigen Zustand die Anforderungen hinsichtlich der Emissionsgrenzwerte. Eine Erweiterung ist nicht notwendig. Am Untersuchungsgebiet wurde beispielhaft die Grundlagenermittlung sowie eine weitergehende Erhebung von Daten dargestellt. Die Methodik der Erhebung, Datenauswertung sowie der Datenverwendung kann auf √§hnlich gelagerte Problemstellungen √ľbertragen werden. Es wird aufgezeigt, welche Daten sinnvollerweise zu erheben sind und wie diese f√ľr Bilanzierungen oder Modellrechnungen aufbereitet werden k√∂nnen. Der Begriff Effizienz ist im vorliegenden Fall in erster Linie im Zusammenhang mit der Grundlagenermittlung zu sehen. Der erh√∂hte Aufwand f√ľr die Problemidentifikation (Messungen und Modellierung) im Gesamtsystem unter Ber√ľcksichtigung der √∂rtlichen Verh√§ltnisse und die damit verbundene gew√§sserbezogene Ma√ünahmenwahl kann demnach erhebliche Einsparpotentiale bei der Umsetzung von Ma√ünahmen bei gleichzeitiger Einhaltung der Umweltstandards begr√ľnden.

√úbersicht

Telefon

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Bundesland

Hessen

Fördersumme

153.387,56 ‚ā¨

Förderzeitraum

01.07.1995 - 08.02.2000