Themen/Wasser und Abwasser/Abwasserentsorgung

Teilprojekt 3.2.4 - Abwasserentsorgung

Klimawandelbedingte Gefährdungen aus unseren Kanalnetzen

Im Betrieb von Kanalisation und Kläranlagen sind sowohl das häufigere Auftreten von Starkniederschlägen als auch die Tendenz zu längeren Trockenperioden von großer Bedeutung. Für das Überstauverhalten von Kanalnetzen und die integrale Entwicklung der urbanen Entwässerungssysteme ist insbesondere die künftige Entwicklung von kurzen und intensiven Regenereignissen relevant. Bei langen Trockenperioden ist grundsätzlich von einer höheren Stoffakkumulation an der Oberfläche und verstärkter Bildung von Kanalsedimenten auszugehen. Dieser konzeptionelle Zusammenhang ist bisher jedoch kaum quantitativ untersetzt.  In dieser Zeit sinkt gewöhnlich auch der Abfluss in Flüssen, Bächen. Nachfolgende Niederschläge können damit höhere Schmutzfrachten mobilisieren und in die dann abflussschwachen Fließgewässer einleiten. Weiterhin werden in diesem Fall auch Kläranlagen verstärkt stofflich belastet wodurch die Reinigungskraft zeitweise sinkt.

Nachfolgend erhalten Sie Informationen über Ziele, Forschung, Ergebnisse, Produkte und Partner des Teilprojektes. 


Ziele

Das Teilprojekt 3.2.4 untersucht die hydraulischen und stofflichen Auswirkungen des Klimawandels im Bereich der Abwasserableitung und deren Behandlung mit folgenden Schwerpunkten:

  • Zusammenhang zwischen dem regionalen Klimawandel und Überstau- und Überflutungsereignissen im Dresdner Kanalsystem. Daraus werden Strategien zur Verminderung der Überstauhäufigkeit abgeleitet.
  • Auswirkung langer Trockenperioden auf die Ablagerungsbildung im Kanalnetz. Im Ergebnis werden Empfehlungen zur Anpassung der Reinigungsstrategie und ggf. der einzusetzenden Reinigungstechnologie gegeben.
  • Auswirkung langer Trockenperioden auf die Akkumulation und Mobilisierung von Schmutzstoffen und auf die Belastung von Fließgewässern. Sollten sich hier signifikante Verschiebungen ergeben, sind immissionsorientierte Anpassungsmaßnahmen erforderlich.
  • Sensibilität der Abwasserbehandlung hinsichtlich der Veränderung klimatischer Randbedingungen. Aus dieser Analyse werden Maßnahmen zur Minimierung der Mischwasserentlastung und zur Anpassung an vermehrt kalte Mischwasserereignisse im Winter abgeleitet.

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Untersuchungsgebiet

Abb. 1: Kanalnetz der Stadt Dresden (Quelle: Netzinformationssystem der Stadtentwässerung Dresden GmbH) Klicken um zu vergrößern.

Strategien zur Verminderung von Überflutungen aus Kanalnetzen


Die zu erwartenden Änderungen der in Dauer und Häufigkeit relevanten statistischen Starkniederschläge wurden mit Hilfe eines wetterlagenbasierten, multiplen Regressionsmodells berechnet. Die Methode verwendet objektivierte, klassifizierte Wetterlagen, welche aus dem regionalen Klimamodell WEREX abgeleitet werden. Die Parameter des Regressionsmodells wurden anhand historischer Niederschlagsaufzeichnungen der Stadtentwässerung Dresden kalibriert.
Mit den ermittelten Niederschlagsprojektionen und dem vorhandenen hydrodynamischen Kanalnetzmodell wurden Simulationsstudien durchgeführt. Die Auswertung umfasst die Bilanzierung des Einstau- und Überstauverhaltens und eine daraus abgeleitete Gefährdungsanalyse. Für kritische Bereiche wurden unterschiedliche Maßnahmen zur Gefährdungsminimierung untersucht und bewertet. Die Risiken besonders überflutungsgefährdeter Lagen wurden durch 2D-Überflutungsrechnungen mit anschließender monetärer Bewertung potentieller Schäden ermittelt. Basierend auf den entwickelten Werkzeugen und gewonnenen Ergebnissen wurde ein Leitfaden für eine strukturierte Überflutungsprüfung und Maßnahmenplanung entwickelt.

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Optimierung des Kanalspülplans für die Stadt Dresden

Die Bearbeitung dieses Schwerpunkts gliedert sich in

  • die Identifizierung von Zusammenhängen zwischen Niederschlägen, Infrastrukturellen Randbedingungen und Sedimentanfall in der Kanalisation
  • Ableitung möglicher Veränderungen im Ablagerungsverhalten
  • Anpassung von Reinigungsstrategie und Reinigungstechnologie

Für die Identifizierung von Zusammenhängen zwischen Niederschlagsgeschehen und Sedimentanfall wurde der monatlich erfasste Anfall von Sandfang- und Kanalräumgut den monatlichen bzw. jährlichen Niederschlagssummen gegenübergestellt. Der Einfluss infrastruktureller Randbedingungen wurde durch Ablagerungsmessungen im Dresdner Kanalnetz und Korrelation mit potentiell relevanten Einflussgrößen, wie Gefälle, Durchmesser, angeschlossene Haushalte etc. bestimmt. Ergänzend wurde in einem sedimentanfälligen Sammler die Ablagerungsbildung und Mobilisierung als Funktion des Abflusses untersucht und ergänzend Modellrechnungen zum Sedimenttransport als Funktion von Abfluss und Ablagerungshöhe durchgeführt. Im Ergebnis wurden Kennzahlen zur Abschätzung der Ablagerungsanfälligkeit abgeleitet und mittels hydrodynamischer Situation die ablagerungsanfälligen Netzbereiche identifiziert. Parallel wurden in einem Spülbezirk die bei der Reinigung anfallenden Sedimentmengen haltungsscharf bestimmt und Empfehlungen zur weiteren Optimierung des Reinigungsplans abgeleitet.

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Anpassung Technik: Neuentwicklung Überstauwagen

Für die besonders ablagerungsanfälligen großen Bezirks- und Abfangsammler wurden mit Hilfe von CFD-Modellierung und halbtechnischen Versuchen konkrete Vorschläge zur Verbesserung der Stauwagentechnologie entwickelt. Dieses Projekt wurde in Zusammenarbeit der Institute für Wasserbau und Hydromechanik sowie Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft mit finanzieller Unterstützung der Stadtentwässerung Dresden bearbeitet. In einem ersten Schritt wurde unter Nutzung des CFD-Modells Flow3D das wirksamste Reinigungsprinzip ermittelt und die hydraulische Gestaltung des Spülschilds optimiert. In nachfolgenden Versuchen im halbtechnischen Maßstab wurden die Ergebnisse umgesetzt und weiterhin die Arbeitsgeschwindigkeit sowie weitere Betriebsparameter optimiert. Auf Basis der gewonnen Erkenntnisse wurde ein interessierter Anlagenbauer (HST-WKS) gewonnen und ein Forschungsprojekt zur Entwicklung eines marktreifen Produkts bei der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) beantragt. Dieses Projekt ist gegenwärtig in der Phase des Prototyping.

Maßnahmen in Kläranlagen zur Minimierung der Mischwasserentlastung und zur Anpassung an vermehrte, kalte Mischwasserereignisse

Auf Basis der Klimaprojektionen für die Modellregion Dresden erfolgte zunächst die qualitative Bewertung von Gefährdungspotentialen für die Abwasserbehandlung. Hierbei wurden Einflussmöglichkeiten auf die Parameter Volumenstrom, Konzentrationsniveau, Vorabbau im Kanalnetz und Abwassertemperatur identifiziert. Im qualitativen Vergleich mit Einflüssen, welche sich durch wirtschaftliche, technische und soziale Entwicklungen ergeben, sind die meisten dieser Einflussmöglichkeiten von untergeordneter Bedeutung. Markante Ausnahmen sind Mischwasserereignisse und Abwassertemperaturen. Auswirkungen und Anpassungsmaßnahmen hinsichtlich dieser Parameter wurden im Rahmen von Literaturrecherchen zusammengestellt. Die Untersuchung des Einflusses niedriger Temperaturen auf die Schlammeigenschaften wurde an einer halbtechnischen Versuchsanlage durchgeführt.

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Strategien zur Gefährdungsminderung: Verringerung von Überflutungen aus Kanalnetzen

Maßnahmen zur Minimierung von Gefährdungen infolge von Überflutungen aus Kanalnetzen müssen das Ergebnis einer Gefährdungsanalyse sein. Diese umfasst neben der Ermittlung von Ort und Umfang der Überlastung auch eine Beschreibung der möglichen Schäden. Dazu wird ein stufenweises, dem potentiellen Schaden angemessenes Verfahren genutzt.

Die jeweilig weitergehende Untersuchung wurde bei Ermittlung schwerwiegender potentieller Gefährdungen vorgenommen. Abbildung 2 zeigt beispielhaft das Ergebnis einer Überflutungsberechnung mit Extran 2D für die Dresdner Innenstadt (Stufe 3). 

Abb. 2: Überflutungsgefährdeter Bereich in der Dresdner Innenstadt (itwh, 2013)

Zur Minimierung der Auswirkungen von Überflutungen wurden verschieden Maßnahmen beurteilt. Angemessen können dabei nur nach Flächennutzung und Vulnerabilität differenzierte Sicherheitskonzepte sein. Diese müssen neben dem Umfang des potentiellen Schadens und der lokalen Gegebenheiten auch die Kosten für die Maßnahmen berücksichtigen. Tabelle 1 beschreibt Möglichkeiten zur Verminderung des Gefährdungspotentials aus Kanalsystemen. Für außergewöhnliche Regenereignisse können generelle Ausbaumaßnahmen am Kanalnetz nur in Ausnahmefällen wirtschaftlich sein. Steuerbare Kanalsysteme bieten den Vorteil hoher Flexibilität und damit Anpassungsfähigkeit an geänderte Situationen. Insbesondere interdisziplinäre Planungsansätze für multifunktionale Flächennutzungen (z. B. gezielte Überflutungsbereiche im Straßenraum, auf Parkplätzen oder Grünflächen) werden als sinnvoll erachtet.

Tab. 1: Maßnahmen zur Verminderung des Gefährdungspotentials von Kanalsystemen in Abhängigkeit der örtlichen Situation und Möglichkeiten (klicken um zu vergrößern)

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Bewirtschaftungskonzept Kanalsedimente

Optimierung des Kanalspülplans für die Stadt Dresden

Die Korrelation der angefallenen Sedimentmengen mit den Niederschlagsdaten, ergab keine belastbaren Zusammenhänge. Vielmehr ergab sich sowohl aus den haltungsscharfen Messungen der Ablagerungen und den hydrodynamischen Berechnungen, dass Sohlgefälle und Durchmesser die wesentlichsten Einflussgrößen für die Ablagerungsneigung eines Kanals sind. So kann selbst bei Starkregenereignissen mit mehrjährigen Wiederkehrdauern in einigen Kanälen keine ausreichende Mobilisierungsschubspannung erreicht werden. Weiterhin zeigte sich bei Anwendung eines Sedimenttransportmodells, dass geringe Ablagerungshöhen sogar zu einer Erhöhung der Transportkapazität führen können, so dass sich bei Duldung von Ablagerungen ggf. ein Gleichgewichtszustand einstellen kann. Für den von der Stadtentwässerung Dresden seit Jahren optimierten Reinigungsplan ergibt sich damit mittelfristig kein grundsätzlicher Änderungsbedarf. Gegenwärtige gemeinsame Arbeiten fokussieren sich auf eine noch präzisere Eingrenzung der tatsächlich reinigungsbedürftigen Netzbereiche.

Anpassung Technik: Neuentwicklung Überstauwagen

Die Untersuchungen zur Optimierung des Kanalspülplans zeigen, dass in Dresden insbesondere die flachen und großen Bezirks- und Abfangsammler sedimentanfällig sind und auch bei Vollfüllung keine vollständige Mobilisierung erwartet werden kann. Eine Reinigung begehbarer Kanäle ist nicht oder nur eingeschränkt mit kombinerter Hochdruckspül-Saugtechnik (HDSG) möglich. Die hierfür seit Jahren erfolgreich eingesetzten Stauwagen weisen jedoch vor allem Defizite beim Arbeitsschutz auf und sind bei sehr niedrigen und sehr hohen Abflüssen nicht einsetzbar. Im Projekt wurden mittels 3D-CFD-Simulation folgende Optimierungen erarbeitet:

  • konsequente Spülung mittels Unterströmung
  • optimierte Spaltweite und Spaltform des Spülschildes
  • Berechnung der idealen Arbeitsgeschwindigkeit und der erforderlichen Bremskräfte

In halbtechnischen Versuchen (DN 600) wurden die Ergebnisse validiert und ergänzende Versuche für eine Entlastungs- und Spülklappe durchgeführt.
Für eine großtechnische Umsetzung und Optimierung wurde erfolgreich ein Forschungsprojekt bei der Deutschen Bundesstfitung Umwelt (DBU) beantragt. Als Anlagenbauer konnte die HST-WKS GmbH gewonnen werden.

Abb. 4: CFD gestützte Optimierung der Schildgeometrie zur Erreichung hoher Spülgeschwindigkeiten im Trockenwetterabfluss (klicken um zu vergrößern)

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Anpassungsmaßnahmen in Kläranlagen zur Minimierung der Mischwasserentlastung

Durch die Verbesserung und Stabilisierung der Absetzwirkung der Nachklärbecken ist in Verbindung mit einer Erhöhung und dynamischen Anpassung des Mischwasserzuflusses, die Erhöhung der hydraulischen Kapazität möglich. Umsetzbare Varianten hierfür beinhalten das Aeration Tank Settling, die hydraulische Optimierung der Nachklärung, die Flockungshilfsmittelzugabe und die Aluminiumzugabe zur Blähschlammbekämpfung. Die Umgehung des Belebungsbeckens mittels Bypass stellt eine günstige Variante für die Verringerung der Gewässerbelastung bei Mischwasserereignissen dar. Schließlich besteht die Möglichkeit ungenutzte Becken als Speicherbauwerke zu bewirtschaften und hierdurch Frachtspitzen aufzufangen. Ziel dieser Maßnahmen ist die Verringerung der stofflichen und hydraulischen Gewässerbelastung durch Minimierung der Mischwasserentlastung.  

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Anpassungsmaßnahmen an vermehrte, kalte Mischwasserereignisse im Winter

Durch die prognostizierte Verschiebung der Niederschlagsmengen in die Wintermonate mit gleichzeitigem Anstieg der Temperaturen im Winter, ist eine verstärkte Belastung der Kläranlage mit kalten Mischwasserereignissen zu erwarten. Winterliche Mischwasserereignisse verringern nachweislich die Temperatur in Kläranlagen, wodurch die Geschwindigkeit der biologischen Stoffwechselprozesse gesenkt wird. Insbesondere die ausgeprägte Temperatursensibilität der Nitrifikation stellt dabei eine Herausforderung für den Betrieb von Kläranlagen dar. Durch eine Erhöhung des Schlammalters bzw. des Beckenvolumens oder die Nutzung von Aufwuchsträgern kann prinzipiell eine Anpassung an niedrige, maßgebende Temperaturen vorgenommen werden. Mittels externer Behandlung der Stickstofffrachten aus der anaeroben Schlammstabilisierung ist sowohl die Reduktion der Stickstoffbelastung für die Kläranlage als auch die zusätzliche Produktion von Nitrifikanten als Anpassungsmaßnahme möglich.

Die Versuche zu kurz- und mittelfristigen Änderungen der Absetzeigenschaften durch die Veränderung der Kationenverhältnisse bei vermehrten Mischwasserereignissen zeigen, dass hierbei mit keinen signifikanten Beeinträchtigungen zu rechnen ist, und demzufolge keine maßgebenden Anpassungsstrategien an den Klimawandel zu entwickeln sind.

Veränderungen der Reaktionstemperatur wirken sich auf die Belüftung des Abwassers aus. Höhere Temperaturen verursachen ein geringeres Sättigungsdefizit im Wasser, wodurch die Gradientkraft für den Übergang von Sauerstoff in die flüssige Phase kleiner und ungünstiger wird. Diese Bedingungen sind daher hinsichtlich des Sauerstoffeintrages problematischer als geringe Temperaturen. Für die optimierte Auslegung von Belüftungssystemen sind sowohl die Bemessungstemperatur als auch der Sauerstoffertrag durch Denitrifikation anzupassen.

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Partner

Zusammenarbeiten - Partner des Teilprojektes 3.2.4

Projektverantwortung
Technische Universität Dresden, Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft
Prof. Dr. Peter Krebs

Projektpartner
Stadtentwässerung Dresden GmbH
Frank Männig

Institut für technisch-wissenschaftliche Hydrologie GmbH
Martin Lindenberg

Technische Universität Dresden, Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik (IWD)

Prof. Dr. habil. D. Aigner

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Ansprechpartner
Sebastian Kempke
sebastian.kempke[...]tu-dresden.de

 

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Steckbrief

Poster

 

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