Surface areas and sewerage

Mass and nutrient flows 

The Process Sewerage is only used in the Systems 1 to 4 (CurS, NuRS, NuRu, CoDig),  whereas the Process Surface Areas is also part of the systems without centralised  wastewater treatment.  

The sewerage system of the City of Hamburg consists of mixed sewerage, i.e. domestic  wastewater and rainwater is discharged in one common sewer covering an area of  about 9,500 ha, and separate sewerage with separate sewers for rainwater and domestic  wastewater  covering  20,000 ha  (Hamburger  Stadtentwässerung  (HSE),  2000).  This  means,  that  part  of  the  rainwater  enters  the  WWTP  together  with  the  domestic  wastewater,  whereas  another  part  is  directly  discharged  into  surface  waters  or  infiltrated. Excess rainwater in the mixed sewer system as a result of intense rain can  cause so‐called combined sewer overflow (CSO), leading to the release of polluted  wastewater into surface waters. The different flows of the rainwater and sewer systems  are reflected in the ceMFA model by using respective transfer coefficients for the output  flows of the process Sewerage (see also Figure 4.3 and Annex A.2). The main input to 

67 It should be noted that the centralised water supply in Germany is not for profit and cost‐covering,  which means that all costs are reflected in the water price (bdew, 2008). Therefore, the approach of  using water prices as costs for water supply is appropriate. 

the sewerage is the domestic wastewater flow from the households, which is calculated  based on the volume of wastewater generated in the households.  

  Figure 4.3: Processes Surface Areas and Sewerage

The sewer system, which for most part consists of conventional gravity sewers, together  with some pressure sewers, is subjected to infiltration of groundwater to the sewer and  infiltration of wastewater from the sewer into the ground. Groundwater infiltration into  sewerage is difficult to determine. Values in literature vary and refer to inconsistent  units, such as infiltration per sewered area, per length of sewer or per person (Franz,  2007)⁶⁸. For this study, an infiltration rate per unit of sewered area of 700 m³ ha^‐1 y^‐1 is  calculated, based on data from Hamburger Stadtentwässerung (2000). Infiltration from  the sewer into the ground is taken into account in the model as a percentage of the total  flow, i.e. 2.3% of the total wastewater flow in the sewer is assumed to infiltrate into the  ground (Hamburger Stadtentwässerung (HSE), 2000). Another transfer coefficient of  3%, again based on existing data (Hamburger Stadtentwässerung (HSE), 2000), is used  for determining the combined sewer overflow. Since no accumulation or degradation is  assumed in the sewerage, a mass balance is used to calculate the total inflow of  sewerage to the WWTP. The energy demand for the process sewerage due to pumping 

68 Franz (2007) reports about average infiltration ratios of, for example, 0.1 l s^‐1 hared‐1, 0.1 l sec^‐1 kmsewer‐1 or  55‐250 l cap^‐1 d^‐1. The calculated value used in this study of 700 m³ ha^‐1 y^‐1 translates to 0.02 l s^‐1 ha^red‐1  showing that infiltration rates in Hamburg are comparatively low. 

is calculated using a black box approach. The flow entering the WWTP is multiplied by  a specific electricity demand of 0.12 kWh m^‐3 (Balkema, 2003). 

The Process Surface Areas, which includes neither agricultural areas nor surface waters,  is  introduced  in  the  ceMFA  model  to  allocate  rainwater  flows  to  the  respective  processes. Part of the rainwater evaporates, whereas another part directly infiltrates into  the soil. Transfer coefficients of 0.5 (evaporation/rainfall) and 0.3 (infiltration/rainfall)  are used for calculating these mass flows. The part of the runoff that enters the sewer  system is calculated using a transfer coefficient of 0.216, which applies only to the  sewered  areas,  whereas  infiltration  and  evaporation apply  to  the total  area.  This  transfer coefficient that determines the inflow to the sewerage is based on current data  of rainwater in the sewer system (Hamburger Stadtentwässerung (HSE), 2000). The  direct runoff to surface waters is then derived, based on a mass balance. In Systems 5  and 6 the flow Runoff to Sewerage is not included since no centralised system exists,  but an additional flow Water Supply to Decentralised Treatment is introduced. This  flow represents the rainwater that is used to replenish any water losses occurring in the  decentralised small‐scale water cycles, where greywater is treated for use as process  water. In Systems 5 and 6 excess rainwater is assumed to runoff or infiltrate without  any sewer system or additional treatment. However, rainwater treatment might be  required in particular areas such as car parks before rainwater can be infiltrated into the  soil. Yet, this process is neglected within the scope of this study.  

A literature review is used for estimating the respective nutrient concentrations in the  different flows. The selected values can be found in Annex A2. These concentrations are  multiplied by the mass flows in order to determine total nutrient flows. 

Energy 

For  the  conventional  sewerage in  Systems  1  to  4⁶⁹  an  electricity consumption  of  0.12 kWh m^‐3 is assumed (based on Balkema, 2003). In Systems 4 CoDig and 5 BlaD a  vacuum sewer system is used for the transport of blackwater. Vacuum sewers have the  advantage that no infiltration into and from the sewers occurs and that also small  volumes of wastewater can be transported. However, energy is required for the creation  of the vacuum. Remy and Ruhland (2006) compiled the electricity demand for vacuum  systems from several references. According to them the specific annual electrical energy  demand varies between 7 and 51 kWh cap^‐1 y^‐1. Considering the amount of wastewater 

69 In system  4 CoDig  only greywater is discharged  via the conventional sewer system,  whereas  blackwater is transported in vacuum sewers. 

transported in the different cases this can be converted to an electricity demand⁷⁰  ranging from 3 to 28 kWh^el m^‐3.The lower values are cited as being possible but such  values have not been achieved in practice, whereas the higher values are a result of  systems  not  working  at  full  capacity.  For  this  study  an  electricity  demand  of  15±5 kWhel m^‐3 is assumed. 

Costs 

Costs for the Process Surface Areas and Sewerage relate to conventional sewerage in  Systems 1 to 4  and  vacuum sewerage in System 4  and 5. In  addition, rainwater  infiltration that must be taken into account in Systems 5 and 6 is covered in this section. 

Investment costs for sewers are greatly influenced by various factors such as diameter,  depth, soil type, material, etc. In the calculation model costs per metre for conventional  sewers are approximated to average about 300±50 € m^‐1 (Guenthert and Reicherter,  2001; Oldenburg and Dlabacs, 2007). The total wastewater sewer length in Hamburg is  3,764 km (Statistikamt Nord, 2009). No differentiation is made between combined or  separate sewers. Since no detailed design has been prepared, costs for pump stations  are approximated by specific costs derived from a pump station design prepared by  Oldenburg and Dlabacs (2007). According to their calculations pump stations require  about 2 € p^‐1 for civil works (lifespan 50 years), 1.6 € p^‐1 for machinery (lifespan 12.5  years) and 0.4 € p^‐1 for electrical components (lifespan 12.5 years). A 20% error margin is  assumed for these values.  

Vacuum sewers (Systems 4 CoDig and 5 BlaD) have an investment cost per unit length  of sewer of about 40‐110 € m^‐1 (Balkema, 2003; Herbst, 2008; Oldenburg and Dlabacs,  2007). An average cost of 60±15 € m^‐1 is assumed. By approximation the length of the  vacuum sewers is assumed to be about 50% of the current conventional sewers, since  the buildings are connected in clusters and connecting mains can be avoided. This  results in a specific vacuum sewer length of 1.1±0.2 m p^‐1. The cost for vacuum stations  are stated by Oldenburg and Dlabacs (2007) to be about 30 € p^‐1 for civil works and  30 € p^‐1 for machinery and electrical equipment. Herbst (2008) specifies the costs for  vacuum stations using Equation 4‐5: 

is cited to be as low as 0.7 kWh m^‐3 (ATV 1995 quoted in Remy and Ruhland, 2006). 

According to this formula the specific costs for vacuum stations servicing clusters of  3,000 to 5,000 persons ranges respectively between 67 and 55 € p^‐1. Therefore, 30±3 € p^‐1  for civil works and 30±3 € p^‐1 for machinery and electrical equipment are used as cost  parameters with a lifespan of 50 and 12.5 years respectively. Blackwater storage vessels  are assumed to cost 125±12 € m^‐3, of which 80% is for civil works and 20% for machinery  and equipment (Oldenburg and Dlabacs, 2007). 

For sewer maintenance it is assumed that the cost amount to 21 € p^‐1 y^‐1 and 19 € p^‐1 y^‐1  respectively  (Wagner,2004  and  Reicherter,  2003  cited  in  Herbst,  2008).  Regarding  maintenance of the vacuum sewer system another approach is followed compared to  the conventional sewer system since the vacuum sewer system is smaller. For the  vacuum  sewer  system  maintenance  a  requirement  of  1.3±0.1 € m^‐1  is  assumed  (Oldenburg and Dlabacs, 2007). In addition, costs for electricity used for operation of  both sewer systems (as calculated in the ceMFA model) are taken into account. 

In Systems 5 BlaD and 6 CompU rainwater infiltration is required in some areas, since  the combined sewerage network is not in use anymore. Currently, about 9,500 ha is  connected to the combined sewer. It is assumed that on 80% of these areas rainwater  infiltration processes with a cost of 3±0.3 € m^‐2 and a lifespan of 20 years is applicable⁷¹.  The remaining areas are assumed to be drained naturally or by separate rainwater  pipes, which are not included in the analysis since they are the same in all systems. 

Operation and maintenance costs of the rainwater infiltration system are set at 3% of the  investment.