Ermittlung des Schmutzfrachtpotentials befestigter Flächen

Ermittlung des Schmutzfrachtpotentials befestigter Flächen

- am Beispiel des Entwässerungssystems Halberstadt -

Vorstellung der Ergebnisse

- Sonderuntersuchung des Landesamtes für Umweltschutz Sachsen-Anhalt (FeMiSA - Frachtemission Mischwasser Sachsen-Anhalt)

- Eigenüberwachung der Kläranlage Halberstadt

1. Einleitung 1.1 Hintergrund 1.2 Zielstellung 1.3 Methodik

2. Entwässerungssystem Halberstadt 2.1 Kanalisation

2.2 Entwässerungsgebiete

2.3 Mischwasserentlastungsbauwerke 2.3.1 Regenüberlauf „Alter Sandfang“

2.3.2 Regenüberlaufbecken „Alte Vorklärung“

2.4 Kläranlage Halberstadt

3. Sonderuntersuchung im Ablauf der Mischwasserentlastungsbauwerke 3.1 Regenüberlauf „Alter Sandfang“

3.2 Regenüberlaufbecken „Alte Vorklärung“

4. Ergebnisse der Sonderuntersuchungen 4.1 Regenüberlauf „Alter Sandfang“

4.2 Regenüberlaufbecken „Alte Vorklärung“

4.3 Konzentrationsverlauf 4.4 Entlastungsfrachten

5. Bilanzierung des Entwässerungssystems 5.1 Hydraulische Bilanzierung

5.2 Stoffliche Bilanzierung

6. Schmutzfrachtsimulation mit KOSIM 6.1 Modellerläuterung

6.2 Erstellung eines KOSIM- Projektes für Halberstadt 6.3 Ableitung der Schmutzfrachtpotentiale

6.4 Ergebnis der Schmutzfrachtsimulation 6.5 Sensitivitätsanalyse

7. Zusammenfassung und Ausblick

1. Einleitung

1.1 Hintergrund

- in Sachsen-Anhalt 141 Ortschaften im Mischsystem entwässert

 788 Entlastungsbauwerke

 338 Regenüberläufe (STALA 2013)

- Mischwassereinleitungen wirken im Gewässer

 akut (hydraulisch, NH₃)

 verzögert (O₂)

 langfristig (TN_b, P_ges)

Anforderungen an das Einleiten aus Mischwasserentlastungsbauwerken (LSA) Emissionsbetrachtungen

- Einleitungen grundsätzlich erlaubnisfähig, wenn nachgewiesen ist, dass die Summe der jährlich über Entlastungsbauwerke des Mischsystems in das Gewässer eingeleiteten Schmutzfracht < 250 kg CSB / (ha_A,bef * a) - Nachweis der Einhaltung mit Langzeitsimulation zu führen

Immissionsbetrachtungen

- Stoffliche Belastung = a-Wert

- Hydraulische Belastung = b-Wert

- Prüfmodell der Wasserbehörden in Sachsen-Anhalt = KOSIM (itwh) Wesentliche Eingangsgrößen

- Struktur/ Rückhaltevolumina des Entwässerungssystems - Drosselabflüsse/ Fließzeiten

- angeschlossene befestigte Fläche (A_E,b,k(MS)) - Trockenwetterabflüsse

- Niederschlagskontinua

- Schmutzfrachtpotentiale der befestigten Flächen = SFP_bf

Problem: SFP_bf aus Literaturwerten für Konzentrationen in Regenwasserkanälen abgeleitet

1.2 Zielstellung

- Ermittlung von SFP_bf zunächst für CSB und Nährstoffe N und P

 Eignung als Eingangsgröße für Langzeitsimulationen

 Quantifizierung der Emissionen durch

Mischwasserentlastungen als punktuelle Einträge - seit Mai 2009 Sonderuntersuchungsprogramm

„FeMiSA – Frachtemission Mischwasser Sachsen- Anhalt“

- Menge und Qualität des entlasteten Mischwassers wurde über einen Zeitraum von 3 Jahren (2010 - 2012) gemessen

1.3 Methodik

1. Auswertung

 Ergebnisse der SU (Entlastungsmengen, - konzentrationen, -frachten)  Ergebnisse der Eigenüberwachung der KA Halberstadt

2. Bilanzierung des Entwässerungssystems für den Zeitraum 2010 – 2012 3. Erstellung eines KOSIM- Projektes

4. Iterativer Abgleich der Simulations- und Messergebnisse

 Optimierung der Bilanz

5. Ableitung von SFP_bf für die Parameter CSB, TN_b und P_ges 6. Sensitivitätsanalyse

2. Entwässerungssystem Halberstadt

2.1 Kanalisation

- Einzugsgebiet der Holtemme im nördlichen Harzvorland - ca. 40.000 Einwohner

- bereits 1887 Beginn der Bauarbeiten für erste städtische Kanalisation - heute besitzt Kanalnetz eine Gesamtlänge von etwa 275 km

- 37,8 km Mischwasserkanäle

- Einzugsgebiet der KA Halberstadt umfasst

 Stadtgebiet

 angrenzende Ortschaften

2.2 Entwässerungsgebiete

2.3 Mischwasserentlastungsbauwerke

Regenüberlauf

„Alter Sandfang“

Regenüberlaufbecken

„Alte Vorklärung“

Entlastungsbauwerke und Kläranlage Halberstadt

2.3.1 Regenüberlauf „Alter Sandfang“

- Zulauf des Abwassers aus Entwässerungssystem - Drosselung auf 3.000 m³/h

- Zuflüsse > 3.000 m³/h werden ungeklärt in Holtemme abgeschlagen

Mischwasserentlastung am RÜ Einleitung in die Holtemme

2.3.2 Regenüberlaufbecken „Alte Vorklärung“

- Fangbecken

- 3 miteinander verbundene Becken mit Speichervolumen 2.295 m³ (je 765 m³)

Regenüberlaufbecken Mischwasserentlastung am RÜB

2.4 Kläranlage Halberstadt

- im Nordosten des Stadtgebietes - Inbetriebnahme im Jahr 2000

- Ausbaugröße von 60.000 Einwohnerwerten - Größenklasse 4 (AbwV)

- mechanisch-biologische Kläranlage mit Reinigungsstufen zur weitergehenden P- und N-Eliminierung

Luftbildaufnahme Kläranlage Halberstadt (Quelle: AWH)

3. Sonderuntersuchungen im Ablauf der Mischwasserentlastungsbauwerke

- bisher in Langzeitsimulation verwendete SFP_bf (LSA) CSB 500 kg/(ha*a)

TN_b 20 kg/(ha*a) P_ges 5 kg/(ha*a)

 aus Mangel an eigenen Untersuchungsergebnissen von Niedersachsen übernommen

 Abgeleitet aus den in NRW geltenden Referenz- konzentrationen für N_ges und P_ges im

Niederschlagswasserabfluss

Sind diese SFP_bf dazu geeignet die realen Verhältnisse ausreichend genau widerzuspiegeln?

3.1 Regenüberlauf „Alter Sandfang“

Ermittlung der Durchflussmengen

- Durchflussmengen mit 2 Nivus Ultraschallsensoren gemessen - Messwerte in Form von Stunden- und Minutenwerten gespeichert - Ermittlung der Abschlagsmengen je 30 min

Ultraschallsensor (NIVUS GmbH)

Probenahme/ Analytik

- ereignisabhängig und zeitproportional sobald Wasserstand die Höhe der Wehrschwelle übersteigt

Ultraschallsensoren

Wehrschwelle Kanalisation

Probenahmestelle

3.2 Regenüberlaufbecken „Alte Vorklärung“

Ermittlung der Durchflussmengen

- keine direkte Messung des Entlastungsabflusses

- Durchflussmengen mit Messwerten des MID am PW (Zulauf RÜB) und mit Wasserstandsmesswerten ermittelt

Probenahme/ Analytik

- ereignisabhängig und zeitproportional, wenn Wasserstand > 2 m

Probenahmeschlauch und –gerät am Regenüberlaufbecken

4. Ergebnisse der Sonderuntersuchung

4.1 Regenüberlauf „Alter Sandfang“

- insgesamt 39 Entlastungsereignisse im Untersuchungszeitraum 2010- 2012  23 in den Sommermonaten Juli, August, September

 Ø 13 Ereignisse pro Jahr

- eine Gesamtmenge von 34.414 m³ wurde entlastet

 mittlere Entlastungsmenge 2.647 m³ pro Ereignis - Entlastungsdauer schwankt sehr stark

 Ø nach etwa 3 Stunden beendet

4.2 Regenüberlaufbecken „Alte Vorklärung“

- insgesamt 34 Entlastungsereignisse im Untersuchungszeitraum 2010- 2012  Ø 11 Ereignisse pro Jahr

- eine Gesamtmenge von 16.859 m³ wurde entlastet

 mittlere Entlastungsmenge 1.487 m³ pro Ereignis - Entlastungsdauer schwankt sehr stark

 Ø nach etwa 4-5 Stunden beendet

Halberstadt: Mittlere Entlastungskonzentration für CSB, P_ges und TN_b als Funktion der Entlastungszeit im Untersuchungszeitraum (Jan 2010- Dez 2012)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

30 60 90 120

Entlastungszeit (min)

CSB-Konzentration (mg/l)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Pges-/TNb-Konzentration (mg/l)

CSB (RÜ) CSB (RÜB) Pges (RÜ) Pges (RÜB) TNb (RÜ) TNb (RÜB)

4.3 Konzentrationsverlauf

Kanalablagerungen

- typisch für Mischsysteme

- Bildung überwiegend in den Nachtstunden bei geringem Trockenwetterabfluss und in Gebieten mit geringem Gefälle - Ursache: geringe Schleppkraft

- bei Starkregenereignissen  Remobilisierung  Spülstoß

Anhaltswerte für das Auftreten von Kanalablagerungen (ATV-A 128)

- anhand halbstündiger Konzentrations- und Mengenwerte wurde eine halbstündige Fracht ermittelt

Fracht (F) = Konzentration (C) * Menge (M)

- Summe aller halbstündigen Frachten = Gesamtfracht pro Ereignis

Gesamt- fracht

CSB

Entlastungszeit

kg/Ent- lastung

30 min 60 min 90 min

C [mg/l] M [m³] F [kg] C [mg/l] M [m³] F [kg] C [mg/l] M [m³] F [kg]

746,9 301,0 1.346,0 405,1 226,0 1.361,0 307,6 153,0 223,0 34,1

4.4 Entlastungsfrachten

0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39

Fracht (kg/ Entlastung)

Entlastungsereignis (chronologisch)

RÜ "Alter Sandfang": Gesamtfracht je Entlastungsereignis für den Parameter CSB

CSB

Zusammenfassung

Parameter Ergebnis Einheit

RÜ RÜB

Entlastungsmenge 34.414 16.859 m³/a

mittlere Entlastungsfracht

CSB 8.401 2.689 kg/a

TN_b 434 252

P_ges 100 42

mittlere Entlastungskonzentration

CSB 244 159,5 mg/l

TN_b 12,6 15,0

P_ges 2,9 2,5

100 mg/l*

6-10 mg/l (N^ges)*

1,5 mg/l*

*

5. Bilanzierung des Entwässerungssystems

Einzugsgebiet Kanalnetz Kläranlage

- Erfassung sämtlicher Entlastungen im Zeitraum 2010 - 2012  Sonderuntersuchung FeMiSA

 Eigenüberwachung Kläranlage HBS - Grundlage:

 gemessene mittlere Jahresabflüsse

 aus Messwerten berechnete mittlere Jahresfrachten

- im Einzugsgebiet Misch- und Trennsystem

 Berücksichtigung aller Abfluss- bzw. Frachtkomponenten

Trockenwetterabfluss/ -fracht

Fremdwasserabfluss/ -fracht (MS+TS) Schmutzwasserabfluss/ -fracht

Fremdwasserabfluss/ -fracht (TS) Niederschlagwasserabfluss/ -fracht

Trockenwetterabfluss

- Ermittlung sowohl über:

 Auswertung des Abwasserabflusses an Trockenwettertagen Wetterschlüssel 1 (Trocken) und 2 (Frost)

 Auswertung über Dichtemittel

0 50 100 150 200 250 300 350

0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000 10.000 11.000 12.000 13.000 14.000 15.000 16.000 17.000 18.000 19.000 20.000 21.000 22.000 23.000 24.000 25.000 26.000 27.000 28.000 29.000 30.000

Häufigkeit

Abfluss zur Kläranlage in m³/d

Mittlerer Tagesabfluss bei Trockenwetter = 6.400 m³/d

Trockenwetterfracht

- Bildung von mittleren Tagesfrachten aller relevanten Parameter

 auf Grundlage von Tagesdurchflüssen und 24h- Mischproben im Zulauf der Kläranlage

- Ermittlung des Anschlusswertes der KA als 85. Perzentilwert der Tagesfrachten

 beträgt für Untersuchungszeitraum 48.000 E

Fremdwasserabfluss (MS+TS)

- Trockenwetterabfluss * Fremdwasseranteil (FWA)

- auf KA mit Hilfe von Durchflussmesswerten in den Nachtstunden ermittelt - FWA = 21,5 % (2010 - 2012)

Fremdwasserfracht (MS+TS) - wurde mit 0 angenommen

- überwiegend aus Grund- und Dränagewasser Schmutzwasserabfluss

- Trockenwetterabfluss - Fremdwasserabfluss

Fremdwasserabfluss (TS)

- niederschlagsbedingtes Fremdwasser im Schmutzkanal des TS - Iteration:

 max. 500 % des Schmutzwasserabflusses

 10 % abflusswirksamer Anteil der befestigten Flächen im TS

Niederschlagswasserabfluss

- Gesamtabfluss - Trockenwetterabfluss

5.1 Hydraulische Bilanzierung

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Zulauf aus Kanalisation

Entlastung aus RÜ Entlastung aus RÜB

Zulauf KA Ablauf KA

Anteil der mittleren jährlichen Abwasserabflüsse im Entwässerungssystem Halberstadt

(Untersuchungszeitraum 2010 bis 2012)

Anteil der Abflusskomponenten an den mittleren jährlichen Abflüssen im Entwässerungssystem Halberstadt

(Untersuchungszeitraum 2010 bis 2012)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Zulauf aus Kanalisation

Entlastung aus RÜ

Entlastung aus RÜB

Zulauf KA Ablauf KA

Schmutzwasserabfluss Fremdwasser (MS+TS) Fremdwasser (TS) Niederschlagswasser (MS)

5.2 Stoffliche Bilanzierung

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Zulauf aus Kanalisation

Entlastung aus RÜ Entlastung aus RÜB

Zulauf KA Ablauf KA

Anteil der mittleren jährlichen Frachten im Entwässerungssystem Halberstadt für den Parameter CSB

( Untersuchungszeitraum 2010 bis 2012)

Anteil der Frachtkomponenten an den mittleren jährlichen Frachten im Entwässerungssystem Halberstadt für den Parameter CSB

(Untersuchunsgzeitraum 2010 bis 2012)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Zulauf aus Kanalisation

Entlastung aus RÜ Entlastung aus RÜB

Zulauf KA Ablauf KA

Schmutzwasserfracht Fremdwasserfracht (MS+TS) Fremdwasserfracht (TS) Niederschlagswasserfracht (MS)

6. Schmutzfrachtsimulation mit KOSIM

- Kontinuierliches Simulationsmodell dient Nachweis von

Mischwasserentlastungen und Dimensionierung von Entlastungsbauwerken - Langzeitsimulation erfolgt zeitschrittweise

- Niederschlags- und Trockenphasen

- Verschmutzung des von befestigten Flächen abfließenden

Niederschlagswassers kann als konstant oder variabel angenommen werden (Berücksichtigung von Akkumulationseffekten)

6.1 Modellerläuterung

6.2 Erstellung eines KOSIM-Projektes für Halberstadt

- Möglichst realitätsnahe Abbildung des Entwässerungssystems

Systemelemente in KOSIM (itwh Hannover)

6.3 Ableitung der Schmutzfrachtpotentiale

- Mehrere KOSIM- Projekt- Varianten

Variante ψ_m Standardparametersatz Akkumulation Schmutzfracht

Rückhaltevolumen

1 0,6109 Sachsen-Anhalt nein ja

2 0,6768 ATV-A 128 nein ja

3 0,6109 Sachsen-Anhalt ja ja

4 0,6109 Sachsen-Anhalt nein nein

Grundsätzliche Vorgehensweise zur Ableitung der SFP_bf

Messwerte (SU/EÜ)

Bilanz

KOSIM- Projekt-Varianten

Ψ_m, m_RÜ, m_RÜB, A_E,b,k(MS)

SFP_bf

A

A – hydraulischer Abgleich (Q_KN, Q_KN,FW(TS))

B

B – stofflicher Abgleich (F_RÜ, F_RÜB, F_KA,Z)

Hydraulischer Abgleich

Parameter Kurzzeichen Ergebnis Bilanz

m³/a

Simulation

m³/a

Gesamtabfluss Q_KN 3.042.250 3.041.707 niederschlags-

bedingter Fremdwasser- abfluss

Q_KN,FW(TS) 177.697 178.691 Variante 1- Grundvariante

- Standardparametersatz Sachsen- Anhalt - Endabflussbeiwert ψ_e = 0,85

- mittlerer Abflussbeiwert ψ_m = 0,6109 (Simulation) - A_E,b,k(MS) = 148 ha

Variante 2

- Standardparametersatz ATV-A 128 - Endabflussbeiwert ψ_e = 1

- mittlerer Abflussbeiwert ψ_m = 0,6768 - A_E,b,k(MS) = 133 ha

Undurchlässige Fläche A_u unterscheidet sich bei beiden Varianten nicht!

Hydraulischer Abgleich

Parameter Kurzzeichen Ergebnis Bilanz

m³/a

Simulation

m³/a

Gesamtabfluss Q_KN 3.042.250 3.040.196 niederschlags-

bedingter Fremdwasser- abfluss

Q_KN,FW(TS) 177.697 179.563

Tatsächliche Fläche muss zwischen Variante 1 und 2 liegen

Stofflicher Abgleich

Variante 1- Grundvariante

Parameter SFP_bf Ergebnis (RÜ + RÜB) Bilanz

kg/a

Simulation

kg/a

Mittlere

Entlastungs- fracht [kg/a]

CSB 635 11.090 10.988

TN_b 34 687 716

P_ges 8,3 143 149

Entlastungs- menge [m³/a]

51.273 52.897 Entlastungs-

häufigkeit [1/a]

24 45

Variante 2

Stofflicher Abgleich

Parameter SFP_bf Ergebnis (RÜ + RÜB) Bilanz

kg/a

Simulation

kg/a

Mittlere

Entlastungs- fracht [kg/a]

CSB 700 11.090 10.736

TN_b 38 687 705

P_ges 9 143 144

Entlastungs- menge [m³/a]

51.273 52.049 Entlastungs-

häufigkeit [1/a]

24 49

Variante 3

- Standardparametersatz Sachsen-Anhalt

- Berücksichtigung der Akkumulation der Schmutzfracht auf der Oberfläche  Funktion nicht abschließend genau beurteilbar

Variante 4

- Standardparametersatz Sachsen-Anhalt

- keine Berücksichtigung von Rückhaltevolumen im Kanalnetz  Einfluss bei Schmutzfrachtberechnung

6.4 Ergebnisse der Schmutzfrachtsimulation

500

635

700 700

0 100 200 300 400 500 600 700

Literatur KOSIM- Projekt- Variante 1.2

(LSA)

KOSIM- Projekt- Variante 2.2 (ATV A 128)

KOSIM- Projekt- Variante 3.2 (Akkumulation)

SFPbf (kg/(haA,bef*a))

Vergleich der Ergebnisse der Variantenrechnungen mit dem Literaturwert für das SFP_bf des Parameters CSB

CSB

20

34

38 39

5

8,3 9 11

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Literatur KOSIM- Projekt- Variante 1.2

(LSA)

KOSIM- Projekt- Variante 2.2 (ATV A 128)

KOSIM- Projekt- Variante 3.2 (Akkumulation)

SFPbf (kg/(haA,bef*a))

Vergleich der Ergebnisse der Variantenrechnungen mit dem Literaturwert für die SFP_bf der Parameter TN_b und P_ges

TNb Pges

6.5 Sensitivitätsanalyse

gemessene CSB-Fracht

7. Zusammenfassung und Ausblick

- Realitätsnahe Entlastungsfrachten nur, wenn Modell so gut wie möglich mit realen Verhältnissen übereinstimmt

- SFP_bf in Abhängigkeit des Geländeprofils des Entwässerungsgebietes bzw.

der Wahrscheinlichkeit von Kanalablagerungen

- Empfehlung für Sachsen- Anhalt:

 CSB 668 kg/(ha_A,bef*a)  TN_b 36 kg/(ha_A,bef*a)  P_ges 8,7 kg/(ha_A,bef*a)

- Zur Verifizierung der abgeleiteten SFP_bf

„FeReSA- Frachtemission Regenwasser Sachsen- Anhalt“

 Messung im Regenwasserkanal in Wernigerode

 Anteil des SFP_bf der ausschließlich aus Verschmutzung des Niederschlagswasserabflusses resultiert

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!