Das Teilprojekt 3.2.3. beschäftigt sich mit der Entwicklung von Anpassungsstrategien zur Kompensation klimatisch bedingter Veränderungen der Rohwasserqualität. Ziel ist es, die Versorgung der Bevölkerung mit qualitativ hochwertigem Trinkwasser bei minimalem Kostenaufwand auch zukünftig sicherstellen zu können.
Dazu wurden die klimatischen Veränderungen in der Region Dresden sowie deren Auswirkungen auf die Rohwasserqualität für die Trinkwasserproduktion erfasst und beschrieben. Daraus resultierend konnten die Auswirkungen sich verändernder Rohwasserqualität auf die Trinkwasseraufbereitung abgeleitet und umfassend dargestellt werden.
Um auf klimabedingte Schwankungen in der Rohwasserqualität zeitnah und in ausreichendem Maße reagieren zu können, wurden Anpassungsstrategien für Wasserversorgungsunternehmen entwickelt. Diese ermöglichen es, die Auswirkungen der erwarteten, klimatisch bedingten Veränderungen zu kompensieren und die Trinkwasserversorgung ohne Qualitätsminderung bei minimalem Kostenaufwand abzusichern.
Ziel des Teilprojektes Wasserversorgung ist die Entwicklung von Handlungsstrategien für Wasserversorger, die es ihnen ermöglichen Auswirkungen der Klimaveränderung zu kompensieren und die Versorgung der Bevölkerung mit qualitativ hochwertigem Trinkwasser bei minimalem Kostenaufwand auch zukünftig sicherzustellen. Prozesse, welche die Rohwasserqualität als Folge von Klimaänderungen in Zukunft beeinflussen werden, müssen den Unternehmen bewusst werden. Denn daraus sollen Szenarien abgeleitet und zielgerichtet verschiedene Varianten der Reaktion auf mögliche Veränderungen der Rohwasserqualität untersucht werden.
Es sollen Analysen zu langfristigen sowie durch Extremereignisse hervorgerufenen Veränderungen der Rohwasserqualitäten von Fließgewässern und Untersuchungen zu ihrem Einfluss auf die Trinkwasseraufbereitung durchgeführt werden. Auf Grundlage der Ergebnisse sollen Abschätzungen ökonomischer und technologischer Grenzen der Aufbereitungsverfahren erfolgen.
Die Grundlage zur Erfassung von Auswirkungen verschiedener Rohwasserqualitäten auf die Trinkwasseraufbereitung ist eine ausführliche statistische Analyse vorhandener Daten bezüglich realistisch zu erwartender Rohwasserqualitäten. Dabei gilt es, mögliche Extremereignisse ebenso zu berücksichtigen wie langfristige Trends. Weiterhin sind Analysen von Betriebsdaten hinsichtlich der Aufbereitung von Wässern unterschiedlicher Qualität vorzunehmen, um Optimierungspotentiale herausarbeiten zu können. Dafür ist eine enge Zusammenarbeit mit Wasserversorgern wie z. B. der DREWAG Netz GmbH unabdingbar.
Die Ergebnisse der Datenrecherchen sollen Eingang in die Versuchsplanung für die Durchführung von Untersuchungen im Labormaßstab und an kleintechnischen Versuchsanlagen finden. An diesen Pilotanlagen soll untersucht werden, ob und wie mit bestehenden Aufbereitungsverfahren zukünftige Rohwasserqualitäten, die aufgrund von Kli-maänderungen zu erwarten sind, beherrscht werden können. Ebenso interessiert, inwieweit und zu welchen Kosten Veränderungen der Trinkwasseraufbereitung notwendig sein werden. Dafür soll unter anderem die Verfahrenskombination Flockung/Ultrafiltration als Hybridverfahren zum Einsatz kommen.
Hinsichtlich klimatischer Veränderungen ist vor allem mit einem Anstieg der Jahresmitteltemperatur zu rechnen. Als Folge können sich die Vegetationsperioden verlängern und es kommt zu einer verringerten Anzahl an Frosttagen. In Bezug auf die zu erwartenden Niederschläge ist mit einer Veränderung in der Verteilung zu rechnen. So werden feuchtere Winter prognostiziert, die eine erhöhte Hochwassergefahr, besonders bei unzureichender Schneedeckenausbildung, bedingen. Für die Sommer ist dagegen von einer Abnahme der Niederschläge auszugehen. Folglich werden Anzahl und Dauer von Trockenperioden zunehmen. Aufgrund der damit verbundenen verstärkten Verdunstung und Wolkenbildung ist nach Hitzeperioden mit einem häufigeren Auftreten von Starkregenereignissen zu rechnen.
Auswirkungen des Klimawandels auf die Rohwasserqualität
Die klimatischen Veränderungen wirken sich direkt auf die Qualität der für die Trinkwas-seraufbereitung genutzten Rohwässer aus, da sie Veränderungen in
der Wasserspiegellage,
der Einzugsgebietsbewirtschaftung und
dem Abflussverhalten
bedingen. In Folge von Starkregen- und Hochwasserereignissen kommt es durch Abspülungen und Auswaschungen zu vermehrten Stoffeinträgen. Dabei können durch die erhöhte Biomasseproduktion aufgrund verlängerter Vegetationsperioden vermehrt organische Stoffe in Oberflächengewässer eingetragen werden. Während Trockenperioden resultieren verschlechterte Verdünnungsverhältnisse in einer Aufkonzentrierung partikulärer und gelöster Wasserinhaltsstoffe und Mikroorganismen. Folgende Parameter sind von diesen Veränderungen betroffen:
Konzentration an Trübstoffen und gelösten Stoffen (z. B. Sauerstoff, DOC*)
Auswirkungen veränderter Rohwasserqualität auf die Trinkwasseraufbereitung
Um trotz veränderter Rohwasserqualität eine hohe Trinkwasserqualität gewährleisten zu können, ist die Trinkwasseraufbereitung anzupassen. Diese Anpassungsmaßnahmen bedingen einen erhöhten Chemikalienbedarf. Wenn mehr Wasserinhaltsstoffe durch zusätzliche Chemikalien zu entfernen sind, verkürzen sich in der Folge Filterlaufzeiten. Deshalb müssen die Filter häufiger gespült werden. Als Konsequenz steigen der Spülwasserbedarf sowie der Schlammanfall.
Eine erhöhte Restkonzentration an Wasserinhaltsstoffen, die als Folge höherer Konzentrationen im Rohwasser auftritt, führt zu einer verstärkten Zehrung der Desinfektionsmittel im Verteilungsnetz. Folglich kommt es zu einer verstärkten Entstehung von Desinfektionsnebenprodukten.
Darüber hinaus kann es im Falle von Extremereignissen zu einer maximalen Auslastung der Aufbereitung und z. T. zu notwendigen Überschreitungen der maximal zulässigen Flockungsmitteldosen kommen. Insgesamt ist daher mit einem Anstieg der Betriebs- und Entsorgungskosten zu rechnen.
Entwicklung von Anpassungsstrategien
Prozesstechnische Optimierung – Untersuchungen zur Filterspülung
Die Spülung eines Tiefenfilters wurde hinsichtlich nachfolgender Parameter bewertet:
Abb. 3:Luftspülung in einem Sandfilter einer kleintechnischen Versuchsanlage im Technikum der Professur Wasserversorgung.
Dabei zeigte sich, dass sich trotz unterschiedlicher Mengen verworfenen Erstfiltrats und Spülwassers und unterschiedlicher Filterlaufzeiten die gleiche durchschnittliche Produktivität von avp = 0,2 m3/h einstellte. Ebenso stellte sich für alle untersuchten Spülprozeduren eine annähernd gleiche durchschnittliche Filtergeschwindigkeit von av vF = 2,4…2,7 m/h für einen Einschichtfilter und von av vF = 2,5…2,8 m/h für einen Mehrschichtfilter ein.
Damit gilt für unsere Untersuchungen: Die Methode der Filterspülung hat praktische keinen Einfluss auf die Produktivität der Flockenfiltration.
Durch die Aufstellung empirischer Modelle konnte der Zusammenhang zwischen Roh-wasserqualität (als TOC* und Trübung) und der Produktivität (als Filterlaufvolumen) beschrieben und dargestellt werden. Diese Zusammenhänge können als Entscheidungshilfe für die Prozessführung der Trinkwasseraufbereitung dienen.
* Total organic carbon (gesamter organischer Kohlenstoff) FNU= Formazine Nephelometric Units – Streulichtmessung
Abb. 4: Einschichtfilter. Klicken um zu vergrößern.
Prozesstechnische Optimierung – Modell zur Beschreibung der Aufbereitungsleistung
Durch die Aufstellung eines Adsorptionsmodells kann die Entfernung gelöster organischer Wasserinhaltsstoffe beschrieben werden. Dabei wird der Gesamt-DOC, aus adsor-bierbarem und nicht adsorbierbarem Anteil bestehend, betrachtet. Zusätzlich wird die Gleichgewichtsbeladung der Hydroxidflocken mit gelösten organischen Verbindungen als Funktion des Flockungs-pH-Wertes beschrieben. Zur Charakterisierung des adsorbierbaren sowie des nicht adsorbierbaren Anteils wird als neuer Ansatz die LC-OCD-Analytik* eingesetzt. Im Ergebnis lässt sich die DOC-Restkonzentration bei Kenntnis
des DOC des Rohwassers,
des Flockungs-pH-Wertes und der Flockungsmitteldosis sowie
dem Anteil der Huminstofffraktion
berechnen.
* Liquid Chromatography - Organic Carbon Detection ist eine Methode um Dissolved-Organic-Carbon (DOC)-Anteile zu messen
In diesem Produkt sind die möglichen klimatisch bedingten Veränderungen der Flusswasserqualität der Elbe und daraus folgende Einflüsse auf die Prozesse der Uferfiltration als Verfahren zur Aufbereitung von Elbewasser beschrieben. Für die erwarteten Veränderungen in der Beschaffenheit des Flusswassers bzw. des Uferfiltrates als Rohwasser für die Trinkwasserbereitstellung wurden Anpassungsstrategien für einzelne Verfahrenskombinationen entwickelt.
Die Konzeption bietet die Möglichkeit der Entwicklung von Strategien zur Optimierung der Trinkwasseraufbereitung bei variabler Rohwasserqualität und dient als Grundlage für die Entwicklung von Entscheidungshilfemodulen für die Wasserversorgungsunternehmen der Region. Mit deren Hilfe sollen mögliche Verfahrensoptimierungen für die derzeitig eingesetzten Aufbereitungsprozesse und Möglichkeiten für Ergänzungen und Erweiterungen der bestehenden Trinkwasseraufbereitung durch neuartige Verfahren aufgezeigt werden. Anschließend erfolgt eine Beurteilung der einzelnen Handlungsoptionen im Hinblick auf die erzielbare Aufbereitungsleistung und die zu erwartenden Kosten.
Etwa seit Beginn der 1990er Jahre ist in europäischen Oberflächengewässern ein Anstieg an natürlichen organischen Wasserinhaltsstoffen (NOM) zu verzeichnen. Als Folge verän-derter Rohwasserbeschaffenheit ergeben sich weitreichende Konsequenzen für die Trinkwasseraufbereitung und -verteilung. So können steigende Gehalte und Veränderungen in der Zusammensetzung natürlicher organischer Wasserinhaltsstoffe die Flockung und Filtration erheblich beeinträchtigen. Zunahmen der organischen Belastung erfordern deutliche Steigerungen bei der Flockungsmitteldosierung, um auch weiterhin eine Überführung gelöster, fein suspendierter und kolloidal vorliegender Wasserinhaltsstoffe in eine abscheidbare Form zu gewährleisten. Ansteigende Flockungsmittelzugabemengen haben wiederum zur Folge, dass sich Filterlaufzeiten und somit Spülintervalle verkürzen, resultierend in Zunahmen der benötigten Spülwasser- und anfallenden Schlammmengen. Darüber hinaus kann die Aufbereitung durch eine verschlechterte Flockenbildung und eine höhere Scheranfälligkeit der Flocken als Folge steigender Konzentrationen gelöster organischer Wasserinhaltsstoffe beeinträchtigt werden. Nimmt die Aufbereitungsleistung ab, so erhöhen sich der Bedarf an Desinfektionsmitteln, die Bildungspotenziale für unerwünschte Desinfektionsnebenprodukte und die Wiederverkeimungsneigung im Wasserverteilungsnetz.
Aufgrund dieser Sachverhalte sehen sich Wasserversorger verstärkt mit einem Anstieg der Betriebs- und Entsorgungskosten sowie mit einer sowohl kurzzeitig auftretenden als auch längerfristigen Verschlechterung der Trinkwasserqualität konfrontiert. Um auf klimabedingte Schwankungen in der Rohwasserqualität zeitnah und in ausreichendem Maße reagieren zu können ist eine Anpassung der Wasseraufbereitung unumgänglich. Dafür gilt es, Anpassungsstrategien zu entwickeln, die es Wasserversorgungsunternehmen ermöglichen, die Auswirkungen der erwarteten klimatisch bedingten Veränderungen zu kompensieren und die Trinkwasserversorgung ohne Qualitätsminderung bei minimalem Kostenaufwand abzusichern. Um die Aufbereitungsleistung hinsichtlich Entfernung organischer Wasserinhaltsstoffe (als DOC) erfassen, beschreiben und bewerten zu können, wurde im Rahmen des REGKLAM-Teilprojekts 3.2.3 „Wasserversorgung“ das Produkt 3.2.3b entwickelt. Dieses beinhaltet ein semi-empirisches Modell zur Berechnung des Restgehaltes an DOC bzw. des DOC-Entfernungsgrades für die Aufbereitung mittels Flockung. Das Produkt soll als Ent-scheidungshilfe dienen, mit der die Prozessführung von Flockung und Filtration dahingehend unterstützt werden kann, dass für einen gegebenen Rohwasser-DOC in Abhängigkeit von Flockungs-pH-Wert und Flockungsmitteldosis die resultierende DOC-Restkonzentration vorausberechnet werden kann.
Neben der Entwicklung von Anpassungsmaßnahmen für herkömmliche Aufbereitungsverfahren gilt es, auch Einsatzmöglichkeiten neuartiger Aufbereitungsverfahren zu erfassen und zu bewerten. Daher wurde im Rahmen des REGKLAM-Teilprojekts 3.2.3 „Wasserversorgung“ das Produkt 3.2.3c entwickelt. Dieses beinhaltet die Bereitstellung anwen-dungsorientierter Erkenntnisse zum Einsatz des Hybridverfahrens Flockung / Ultrafiltration bei der Trinkwasseraufbereitung aus Flusswasser. Dazu gehören die Erfassung und Bewertung der Möglichkeiten für eine Anpassung an eine veränderliche Rohwasserqualität sowie der optimalen Flockungs- und Betriebsbedingungen.
