Schriftenreihe Wasser Infrastruktur Ressourcen
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Particulate matter has been considered an indicator for the pollution of urban stormwater runoff for quite some time. There are only few studies that have investigated the contamination with organic micropollutants and metals both in the dis-solved and particulate phase as well as across different particle size classes. Yet, this distribution plays an important role in better understanding and optimising urban stormwater treatment measures. Therefore, this work aimed at assessing the composition of particulate matter in urban stormwater in terms of the physico-chemical properties (particle size distribution and organic content), as well as the occurrence of organic micropollutants and metals, their association to particulate matter and their removal from urban runoff. An intensive long term monitoring campaign at a centralised stormwater treatment facility of an industrial area was conducted. The stormwater runoff was sampled with large volume sampling tanks filled volume-proportional to the runoff at the two outlets of the facility. This allowed the determination of the event mean concentrations as well as the load-related removal efficiencies of the treatment facility for different parameters. Within each sample the concentrations of total suspended solids across different particle size fractions (< 63 µm, 63 – 125 µm, 125 – 250 µm, 250 – 2000 µm) were measured as well as their organic content. Furthermore, the concentrations and the phase distribution of 5 metals (Chromium, Copper, Zinc, Cadmium, Lead) and 29 organic micropollutants including polycyclic aromatic hydrocarbons, industrial chemicals (e.g. organophosphates, alkyphenols) and biocides were ana-lysed across different particle size fractions. In this study, over a period of almost 2.5 years, a total of 36 sampling events were recorded and investigated within two sampling periods (2015 – 2016 and 2017 – 2019) at the rainwater treatment facility in Freiburg Haid. The occurrence of organic micropollutants was determined in 22 of these events and the occurrence of metals in 17. The evaluation of the event mean concentration of total suspended solids showed that the fine fraction of the solids is of particular importance, as it showed an event mean concentration more than twice as high (34 mg \(L^{-1}\)) as the coarser particle fraction (14.9 mg \(L^{-1}\)). Regarding the occurrence of total suspended solids in terms of the transported solid load, the solids < 63 µm accounted for a mean proportion of 61 %, the fraction 63 – 125 µm for 13 %, the fraction 125 – 250 µm for 6 % and the fraction 250 – 2000 µm for 9 % of the total solid mass. In terms of the organic content of the solids, the results showed a clear increase of the organic content with increasing particle size (measured as loss on ignition).
As in the case of solids, the highest concentrations of the organic micropollutants and metals investigated were found in the particle size fraction < 63 µm. This fine fraction of the particles also accounted for the largest load of organic micropollutants and metals. Therefore, the particle loading with organic micropollutants or metals respectively the particle-bound micropollutant/metal concentration was calculated in this study. For most substances, a rather equal distribution over the smallest three particle size fractions was found. A certain correlation of the organic content with the occurrence of organic micropollutants and metals could be shown, therefore it can be assumed that the particle-bound concentration is certainly influenced by the organic content of the particulate matter. However, due to the fact that, among other things, the largest particle-bound pollutant loads are transported with particles < 63 µm, the fine fraction represents the relevant particle size in urban stormwater runoff. Regarding the total treatment efficiency (including sedimentation efficiency and volume retention), the investigated facility in this study was able to reduce the load of fine particles by only a quarter. The larger particle size classes were reduced by far more than half in most cases. If total suspended solids in its entire particle size range were used as a proxy to estimate the removal efficiency of metals and organic micropollutants, the efficiency would be overestimated and the actual pollutant load released into the environment would thus be underestimated. However, the investigation, weather the particle size fraction < 63 µm would be more suitable, showed that even for substances with a high tendency to adsorb onto particles (e.g. Cr, Cu, IND, GHI), the total treatment efficiency was still overestimated by the fine fraction.
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Nitrogen removal from wastewater is increasingly important to protect natural water sources and has proven a challenge for wastewater treatment plants in different countries. Strict discharge norms for nitrogen components and unfavourable wastewater quality are among the main challenges observed.
An example WWTP (450,000 PECOD,120), representative of these challenges (i.e. strict discharge norm for NH4-N and TN, partially unfavourable wastewater composition for upstream denitrification) was modelled with the software SIMBA. The model was calibrated, and validated, using different statistical parameters. The model was used for dynamic simulation to test different operational and automation strategies, to improve nitrogen removal.
The tested strategies considered the bypass of primary clarifiers, changes in the anaerobic, anoxic, and aerobic reactors configuration, changes in the aeration system (DO setpoint, the inclusion of online sensors and different control approaches in the aeration loop), the adjustment of the internal recirculation rate, the implementation of intermittent denitrification, among others. The addition of an anaerobic digestion stage, considering the adjustment of the sludge age in the biological treatment and the treatment of the centrate (including nitrogen backload), was tested as well.
To evaluate the strategies' performance, an evaluation criteria chart was created to select the best strategies from an overall perspective, considering the improvements or deterioration in norm compliance, aeration requirements, pollutant emissions to the environment, and biogas production (if applicable).
The best overall results were obtained with strategies that aimed to improve the denitrification capacity (e.g. increase anoxic volume by reducing aerobic volume), adjusted the air requirements (e.g. inclusion of an NH4-N online measurement in the aeration control loop), and provided flexibility (e.g. intermittent denitrification). With the right combination of strategies, the norm compliance was significantly improved e.g. reduced from 31 to 4 in a year, as well as the emissions to the environment.
The inclusion of an anaerobic digestion stage for sewage sludge treatment challenges the nitrogen removal even further, but similar optimisation strategies, based on the same approach were able to improve norm compliance.
However, none of the combinations, with or without anaerobic digestion, achieved total norm compliance. Therefore, a different technology than A2/O, an SBR treatment stage was designed, providing increased operational flexibility. The A2/O system in the computer model was replaced by an SBR process. This showed the best results, based on the criteria previously defined, with total norm compliance.
Based on the learnings of the design, redesign, and strategies tested, a guideline for an integral optimisation of nitrogen removal was developed, based on six pillars, considering a detailed WWTP operational analysis, the use of dynamic simulation as a tool, the testing of known and simple optimization approaches, the definition of clear and objective evaluation criteria, the consideration of anaerobic digestion (and the backload) and finally the re-evaluation of the type of technology for biological wastewater treatment.
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Der Klimawandel erfordert den Ausbau urbaner blau-grüner Infrastrukturen, was jedoch mit einem erheblichen Mehrbedarf an Wasser einhergeht. Zentrale Abwasserinfrastrukturen genügen nicht den Ansprüchen der Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit. Daher ist ein neuer Umgang mit Wasser im städtischen Kontext notwendig. Die getrennte Erfassung von schwach belastetem Grauwasser aus Duschen und Handwaschbecken bietet eine nahezu kontinuierliche, wenig verschmutzte Wasserressource zur Wiederverwendung. Naturnahe Verfahren wie Bodenfilter können zur Grauwasseraufbereitung eingesetzt werden; der hohe Flächenbedarf beschränkte jedoch bisher den Einsatz in dicht besiedelten Gebieten. In dieser Arbeit werden technologiebasierte und konzeptionelle Ansätze vorgestellt. Dabei wurden acht vertikal durchströmte Bodenfilter zur nutzungsorientierten Grauwasseraufbereitung im kleintechnischen und Pilotmaßstab untersucht und zusätzlich ein Excel-basiertes Instrument entwickelt, das die Auswirkungen der Grauwasserseparation auf konventionelle zentrale Kläranlagen bewertet. Die Ergebnisse zeigen schwankende Zusammensetzungen und Mengen von Grauwasser. Aufgrund begrenzter Datenverfügbarkeit in der Fachliteratur wird empfohlen, die hier ermittelten 85-Perzentilwerte von 13 g CSB (chemischer Sauerstoffbedarf) pro Einwohner (E) und Tag sowie 55 L/(E·d) für die Bemessung von Anlagen zur Behandlung von gesiebtem, schwach belastetem Grauwasser heranzuziehen. Die ermittelten Stickstofffrachten und -konzentrationen waren aufgrund von Urinkontamination um 60 – 130 % höher als bisher angenommen, während die Phosphorkonzentrationen gesetzlich bedingt um ca. 60 % niedriger lagen. Alle Vertikalfilter wiesen im Ablauf meist < 2,0 mg/l abfiltrierbare Stoffe (AFS) bzw. < 10 mg/l CSB auf (also Eliminationen von überwiegend > 98 % AFS bzw. > 97 % CSB). Der aufgeständerte Rheinsandfilter zeigte bei < 12°C eine eingeschränkte Nitrifikation, während der Lavasandfilter bei > 5°C vollständig nitrifizierte. Die Vertikalfilter entfernten bis zu 50 – 70 % Stickstoff bei Drainageeinstau und Nitratrückführung. Der Lavasandfilter hielt Phosphor weitestgehend zurück. Die Reduktion von Escherichia coli, Enterokokken und Gesamtcoliformen betrug > 3 log-Stufen, während organische Spurenstoffe meist zu > 85 % entfernt wurden. Durch gezielte Anpassungen im Aufbau und Betrieb wurden für verschiedene Nutzungszwecke (Bewässerung, Versickerung und Toilettenspülung) geeignete Qualitäten erreicht. Der erforderliche Flächenbedarf für Bodenfilter zur Behandlung von schwach belastetem Grauwasser wurde zu 0,4 m2/E bestimmt (bezogen auf 85-Perzentilwerte). Dem liegen eine CSB-Flächenbelastung von 32 g/(m2·d) und eine hydraulische Flächenbelastung von 130 L/(m2·d) zugrunde. Die Anwendung von Lavasandfiltern in aufgeständerter Bauweise erwies sich als praxistauglich. Damit wird die Ausweitung des Bodenfilterverfahrens auf den urbanen Raum gefördert. Die Bilanzierungen zeigen, dass die Abtrennung von bis zu 17 % des an die Kläranlage angeschlossenen Grauwassers förderlich für den Kläranlagenbetrieb ist. Bei höheren Abtrennungsraten könnte jedoch eine Stickstoffrückgewinnung/-entfernung aus stickstoffreichen Schlammströmen erforderlich werden. Die Trennung bzw. dezentrale Aufbereitung von Grauwasser hat Vorteile wie Verdunstungskühlung und Wasserwiederverwendung und unterstützt zentral die Transition zu ressourcenorientierten Sanitärsystemen. Insgesamt können betrieblich und baulich angepasste Bodenfilter eine wichtige Rolle in dieser Umstellung spielen und einen deutlichen Beitrag zum nachhaltigen Umgang mit Wasser im städtischen Bereich leisten.
10
Zur Abkehr von fossilen Rohstoffen, wird die Bedeutung der Produktion von
Kunststoffen aus alternativen Rohstoffquellen in den kommenden Jahrzehnten
zunehmen. In dieser Arbeit wurde daher ein Verfahren untersucht, bei dem
Primärschlamm (PS) einer kommunalen Kläranlage (KA) und Brauereiabwasser als
Rohstoffe zur Polymerproduktion dienen. Zur Anwendung kam dabei ein dreistufiges
Verfahren, mit dem Polyhydroxyalkanoate (PHA), eine Gruppe biologisch abbaubarer
Polymere, durch Bakterienmischkulturen wie Überschussschlamm (ÜSS) nach gezielter
Selektion und Akkumulation synthetisiert werden können. Als Substrat für diesen
Prozess dienen kurzkettigen organischen Säuren (VFA) aus der Versäuerung der
Abwasserströme. Das Ziel der Arbeit war, vorhandenes Grundlagenwissen zu
erweitern, um den PHA-Produktionsprozess in größere Produktionsmaßstäbe zu
skalieren und damit den Betrieb unter realen Bedingungen vorzubereiten. Zur
Erreichung dieser Ziele wurde die Arbeit in drei Teile untergliedert.
Im ersten Teil konnte im Labormaßstab anhand einer Voruntersuchung und
anschließenden Versäuerungsversuchen mit vier Lebensmittelabwässern aufgezeigt
werden wie die Eignung potentieller Abwasserströme zur VFA- und PHA-Produktion
überprüft werden kann und die Versäuerungsbedingungen in Abhängigkeit der
Substratzusammensetzung gezielt an das jeweilige Abwasser gewählt werden können.
In einem nächsten Schritt wurde nachgewiesen, dass gleichbleibende
Selektionsbedingungen auf ÜSS verschiedener KA zu einer vergleichbaren PHA-
Speicherfähigkeit führten. Eine bisher fehlende langfristige Stabilität relevanter
Betriebsparameter erfordert jedoch weitergehende Untersuchungen. Weiterhin
wurde am Beispiel von Brauereiabwasser gezeigt, dass durch die Anwendung einer
niedrigen Raumbelastung in der Selektion der Betrieb mit Abwässern mit einem
geringem CSB möglich ist.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine Pilotanlage auf der KA Buchenhofen in
Wuppertal mit PS unter möglichst niedrigem Ressourceneinsatz betrieben. Dabei wies
der CSBVFA des versäuerten PS eine Jahreszeit-unabhängige große Spanne auf, dennoch
war eine ganzjährige Eignung zur PHA-Produktion gegeben. Die VFA-
Zusammensetzung war ganzjährig stabil und ermöglichte damit eine gleichbleibende
PHA-Zusammensetzung. Die PHA-Speicherfähigkeit konnte in einem Selektionsbetrieb
mit niedriger Raumbelastung nicht reproduziert werden. Es wird angenommen, dass
Unterschiede des VFA-Anteils im Substrat vorrangig ursächlich waren.
Für den dritten Teil der Arbeit wurde aufbauend auf den Ergebnissen des Pilotbetriebs,
unter Verzicht auf Hilfsströme, eine verfahrenstechnische Auslegung für die
Anschlussgröße der KA Buchenhofen mit 550.000 E durchgeführt. Mit den Ergebnissen
konnten die Dimensionen einer PHA-Produktionsanlage eingeordnet werden.
Weitergehend wurden bei der Auslegung Ansatzpunkte aufgedeckt, die im
versuchstechnischen Betrieb angepasst oder untersucht werden müssen, um eine
reale und wirtschaftliche Betriebsweise in der weiteren Prozessentwicklung zu
ermöglichen.
8
Verkehrsflächenbürtige Feststoffe enthalten Schadstoffe wie Schwermetalle, die im Regenereignis abfließen und in Gewässern toxisch wirken können. Da ein großer Teil vieler Schwermetalle partikulär vorliegt, können diese durch eine Behandlung mittels Sedimentation zurückgehalten werden. Zur Optimierung des Feststoff- und damit Schadstoffrückhaltes ist eine Erweiterung des Kenntnisstandes zum Absetzverhalten schadstofftragender Feststoffe nötig. Es ist bekannt, dass das Schadstoffaufkommen standortspezifisch variiert. Bezüglich der für die Sedimentation absetzrelevanten Kenngrößen wie Partikelgröße und Dichte wurde der Einfluss standortspezifischer Randbedingungen auf die Zusammensetzung noch nicht umfassend untersucht. Weiter mangelt es an einer Methode zur Messung des Absetzverhaltens unter kontrollierten Bedingungen. Diese Arbeit liefert hierzu einen Beitrag.
Anhand einer Literaturstudie zu Feststoffdepositionen und -abflüssen von Verkehrsflächen wurde für die absetzrelevanten Kenngrößen Partikelgröße, -form, -dichte und organischer Anteil eine Metadatenauswertung hinsichtlich methoden- und standortspezifischen Randbedingungen durchgeführt. Für organische Anteile in Abflüssen konnte eine gesicherte Datengrundlage und Durchschnittswerte ermittelt werden. Die Datengrundlage für die weiteren Kenngrößen ist bislang gering. Der Mangel an Befunden zu absetzrelevanten Kenngrößen unterstreicht die Notwendigkeit vertiefter Untersuchungen zur Charakterisierung verkehrsflächenbürtiger Feststoffe.
In einem umfangreichen Messprogramm wurden an zehn Standorten in Frankfurt am Main von 2016 bis 2018 Feststoffe in der Trockenperiode auf der Verkehrsfläche gewonnen und hinsichtlich der genannten absetzrelevanten Kenngrößen untersucht. Standortspezifische Einflüsse wurden statistisch nachgewiesen. Feststoffaufkommen und deren Partikelgröße liegen unabhängig vom Standort nur mit geringer Variabilität vor. Es besteht ein positiver Zusammenhang zwischen der Verkehrsstärke und dem Feststoffaufkommen. Organische Anteile sind eine Funktion der vorherrschenden Vegetation am Standort. Sie variieren saisonal. Es konnte ein negativ linearer Zusammenhang zwischen der Dichte und den organischen Anteilen nachgewiesen werden. Diese Arbeit liefert damit eine neue Datengrundlage für die Modellierung von Transportprozessen von Feststoffen und ihren absetzrelevanten Kenngrößen von unterschiedlichen Verkehrsflächen.
Weiter wurde ein Laborverfahren zur Bestimmung des Absetzverhaltens verkehrsflächenbürtiger Feststoffe in konstanter Zusammensetzung (Partikelgrößenverteilung und Feststoffkonzentration) entwickelt und mit der geschaffenen Datengrundlage validiert. Es wurden erste Erkenntnisse zum Absetzverhalten von Feststoffen, organischen Anteilen und Schwermetallen gewonnen. Im untersuchten Szenario sedimentieren die Partikel diskret bedingt durch die Partikelgröße und organischen Anteile. Das Absetzverhalten der Schwermetalle korreliert mit den Feststoffen. Überproportional hohe Schwermetallkonzentrationen in feinen Partikelanteilen bedeuten jedoch eine verringerte Absetzbarkeit der jeweiligen Schwermetallanteile.
Für die Behandlung von Abflüssen aus Verkehrsflächen mit viel Vegetation am Standort legen diese Ergebnisse nahe, dass mit reduzierten Feststoffwirkungsgraden aufgrund verminderter Absetzbarkeit leichterer Bestandteile mit geringer Dichte zu rechnen ist. Mit den Laborergebnissen konnte ein starker positiver Zusammenhang zwischen dem Feststoff- und Schadstoffwirkungsgrad bestätigt werden. Die Verteilung der Schwermetalle in Partikelgrößenklassen einer Feststoffprobe ist neben den organischen Anteilen und der Dichte ein wichtiger Parameter zur Einschätzung der Absetzbarkeit bei diskretem Absetzverhalten.
7
Der flächendeckende Ausbau der Kläranlagen in Deutschland hat in den letzten Jahrzehnten zu einer deutlichen Verbesserung der Gewässerqualität geführt. Dennoch ist der ökologische Zustand vieler Gewässer immer noch unbefriedigend. Einen negativen Einfluss auf den Gewässerzustand haben Stoßbelastungen aus Mischwassereinleitungen, die empfindliche aquatische Ökosysteme aufgrund von hydraulischem Stress und stofflichen Belastungen nachhaltig schädigen können.
Diese Arbeit liefert einen Beitrag dazu, wie hoch aufgelöste Online-Messdaten zur Optimierung des Kanalnetzbetriebs genutzt werden können. Hierfür wurden zwei reale Regenüberlaufbecken (RÜB) im Mischsystem in Süddeutschland für zwei Jahre mit Online-Spektrometersonden zur Erfassung von Äquivalenzkonzentrationen von abfiltrierbaren Stoffen (AFS), chemischem Sauerstoffbedarf (CSB, gesamt und gelöst) und Nitrat ausgestattet. Zusätzlich wurden hydrometrische Messdaten an den RÜB vom Betreiber des Entwässerungssystems bereitgestellt.
Den ersten Teil der Arbeit bilden Fracht- und Volumenauswertungen der Einstauereignisse an den beiden RÜB. Die Untersuchungen sollen zum besseren Verständnis der stoffspezifischen und hydraulischen Vorgänge im Mischsystem beitragen. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Verbesserung des Kanalnetzbetriebes unter direkter Verwendung von Messdaten erprobt. Für diese messdatenbasierte Simulation werden gemessene Ganglinien von Abflussmenge und Feststoffkonzentration direkt als Systeminput eines Transportmodells verwendet. Anhand dieses Modells werden verschiedene Kanalnetzbewirtschaftungsstrategien untersucht. Die folgenden Erkenntnisse lassen sich anhand der durchgeführten Auswertungen ableiten:
Eine Vorhersage der Spülstoßintensitäten anhand der Charakteristiken der Trockenphasen vor den Ereignissen oder der Eigenschaften der Niederschlagsereignisse selbst ist im Untersuchungsgebiet nicht möglich. Eine konstante Akkumulation der Schmutzstoffe auf der Gebietsoberfläche, wie sie in gängigen Qualitätsmodellen angesetzt wird, ist in den Untersuchungsgebieten ebenso wenig vorhanden. Somit kann die Abflussqualität im Untersuchungsgebiet nicht zuverlässig simuliert werden. Betriebsentscheidungen, die auf Basis von Schmutzfrachtmodellen getroffen werden, sind demnach höchst unsicher.
Die in dieser Arbeit neu vorgestellte messdatenbasierte Simulation umgeht diese Unsicherheiten und ersetzt sie durch die Messunsicherheiten selbst. Sie kann die Effizienz verschiedener Bewirtschaftungsstrategien, wie die Verwendung statisch optimierter Drosselabflüsse oder die dynamische Echtzeit-Steuerung von Speicherräumen, zuverlässig bewerten. Eine Dauer der zugrunde liegenden Messdatenzeitreihe von etwa vier Monaten mit mittlerer Niederschlagscharakteristik und etwa 10 Niederschlagsereignissen ist im untersuchten fiktiven System ausreichend für verlässliche Ergebnisse der messdatenbasierten Simulation. In komplexeren Gebieten kann der Datenbedarf höher sein. Die Methodik liefert unter Berücksichtigung der üblichen Messunsicherheiten robuste Ergebnisse.
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Im Rahmen der Energiewende werden eine Neustrukturierung des Energiesektors und eine grundlegende Transformation der elektrischen Energieversorgung erforderlich. Die volatile Erzeugung von Strom aus Wind und Sonne erfordert mit stetig steigendem Anteil an der Gesamtenergieproduktion einen immer höheren Bedarf an Flexibilität zur Stabilisierung der Stromnetze. Aus energetischer Sicht zeichnen sich Kläranlagen durch eine Vielfalt an Prozessen aus, bei denen Energie umgewandelt, gespeichert, bezogen und produziert wird.
Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zu einem besseren Verständnis und vertieften Erkenntnissen an der Schnittstelle zwischen der Abwasser- und der Energiewirtschaft liefern, indem die Vereinbarkeit zwischen den Belangen der Abwasserreinigung und einem flexiblen Anlagenbetrieb sowie die Stromerzeugungs- und Flexibilitätspotenziale kommunaler Kläranlagen in Deutschland umfassend untersucht wurden.
Vor diesem Hintergrund wurden Erkenntnisse gewonnen, die zur Auswahl, Bewertung und möglichst sicheren Implementierung von typischen Aggregaten auf Kläranlagen herangezogen werden können, um durch einen anpassungsfähigen Anlagenbetrieb Flexibilität bereit zu stellen. Die zugrundeliegende Methodik wurde im Wesentlichen am Beispiel der Kläranlage Radevormwald entwickelt. Dabei wurden relevante Kennzahlen erarbeitet, die die klärtechnischen Anforderungen sowohl mit den technisch-physikalischen als auch energiemarktbedingten Anforderungen an die Aggregate in Einklang bringen. Ein wesentlicher Fokus liegt auf den abgeleiteten Restriktionen und Kontrollparametern, um einen sicheren Reinigungsbetrieb zu gewährleisten.
Im Rahmen dieser Forschungsarbeit konnte eine Vielzahl von Erkenntnissen an der Schnittstelle von Energie- und Abwasserwirtschaft gewonnen, bestätigt und zur Ableitung von Anwendungsempfehlungen genutzt werden. Die vorhandene Flexibilität auf Kläranlagen kommt für eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten in Betracht. Damit können sie bereits heute und zukünftig verstärkt an Produkten der Energieversorgung und neuen Geschäftsmodellen teilhaben. Die untersuchten Aggregate weisen dabei je nach Verwendungszweck unterschiedliche Eignungen auf und nicht jedes Aggregat ist für jede Nutzungsoption einsetzbar. Die Ergebnisse belegen, dass Kläranlagen mit ihren Leistungsgrößen und verschiebbaren Energiemengen relevante Beiträge zur Energiewende leisten können und zu mehr in der Lage sind als, weitgehend losgelöst vom Energiemarkt und den sich dort abzeichnenden Änderungen, elektrische Energie nur zur eigenen Nutzung zu verwenden.
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Der vorliegende Band 6 der Schriftenreihe Wasser Infrastruktur Ressourcen ist als Festschrift der Verabschiedung von Prof. Dr.-Ing. Theo G. Schmitt gewidmet. Theo Schmitt wird im April 2019 nach über 26 Jahren als aktiver Professor an der TU Kaiserslautern in den Ruhestand treten. Er trat im Oktober 1992 als Nachfolger von Karlheinz Jacobitz die Leitung des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft an der damaligen Universität Kaiserslautern - heute TU Kaiserslautern - an.
Theo Schmitts persönliche Schwerpunkte liegen im Bereich der Siedlungsentwässerung, er lässt sich mitnichten darauf reduzieren. Seine Arbeiten sind geprägt durch die Überzeugung, dass siedlungswasserwirtschaftliche Handlungsstrategien und Lösungskonzepte in die Zukunft gerichtet ‚Wandel und Ungewissheit‘ bedenken müssen. Daraus resultiert u. a. seine große Offenheit gegenüber neuen Herausforderungen und interdisziplinärer Vernetzung von Wissen und Sichtweisen. Schon früh hat das Fachgebiet beispielsweise mit der Technomathematik, der Elektrotechnik und der Informatik im Bereich der künstlichen Intelligenz fachübergreifend zusammen gearbeitet. Die Verzahnung von Ingenieur- und Naturwissenschaften hat häufig unmittelbar über seine MitarbeiterInnen am Fachgebiet stattgefunden. Dadurch ist eine große Breite an bearbeiteten Themen entstanden, die weite Bereiche der Siedlungswasserwirtschaft umfassen, von hydraulischen und stofflichen Fragestellungen zu urbanen Regenwasserabflüssen über den Systemwandel in der Abwasserentsorgung bis hin zu innovativen Verfahren der Abwasserreinigung und Kläranlagen als Regelbaustein der Energiewende. Die insgesamt 14 Beiträge dieser Festschrift belegen diese Vielfalt, die sich insbesondere auch durch den Stil der Offenheit und Vielfältigkeit, mit der Theo Schmitt das Fachgebiet geleitet hat, entwickeln konnte.
Drei Generationen von SiedlungswasserwirtschaftlerInnen, angefangen bei Theo Schmitts Doktorvater Prof. Hermann H. Hahn, bis hin zu ehemaligen Doktorkindern und deren MitarbeiterInnen tragen mit ihren persönlichen Themen zur Festschrift bei. Hermann H. Hahn blickt mit dem Abstand des vor Jahren emeritierten Professors kritisch auf die aktuellen Entwicklungen in der siedlungswasserwirtschaftlichen Forschung. Die weiteren Beiträge promovierter Doktorkinder zeigen die enorme thematische Breite aktueller und abgeschlossener Forschungsprojekte und Doktorarbeiten, die Theo Schmitt initiiert und begleitet hat.
Der etwas ungewöhnlich anmutende Titel dieser Festschrift ‚From K-Town to KOSMOS‘ spielt zum einen auf die von ihm entwickelte Software zur Kontinuierlichen Schmutzfrachtmodellierung (KOSMO) an, die mit seinen modelltechnischen Ansätzen (u. a. hydrodynamischer Simulationskern, Schmutzstoffakkumulation- und Abtrag) seiner Zeit und kommerziellen Lösungen weit voraus war und die ihn bis heute zu dem deutschlandweit gefragten und geschätzten Spezialisten und Problemlöser auf diesem Gebiet macht. Zum anderen hebt der Titel darauf ab, dass Theo Schmitts Expertise in der Siedlungswasserwirtschaft von der TU Kaiserslautern aus nach außen wirkt. Seine von ‚K-Town‘ ausgehenden Arbeiten haben wegweisende Fachbeiträge für Deutschland geliefert und insbesondere das nationale Regelwerk weiter entwickelt. Dies sind hohe Verdienste, die die DWA durch die Verleihung der Max-Prüß-Medaille im Oktober 2018 gewürdigt hat. Seine stets auch auf die globalen Problemstellungen gerichtete Sicht, beispielsweise zum Umgang mit den Folgen des Klimawandels, rechtfertigt schließlich die Erweiterung des Wortspiels zu ‚KOSMOS‘.
4
Der Einstieg in ein kommunales Starkregenrisikomanagement muss über eine fundierte Risikoanalyse erfolgen, die mögliche Gefährdungen, Objektbetroffenheiten und Schadenspotenziale identifiziert und bewertet. GIS-basierte Verfahren stellen hierfür vergleichsweise einfache, effiziente Werkzeuge dar, deren Ergebnisse jedoch erheblich von subjektiven Festlegungen, der Qualität der Eingangsdaten und methodischen Einzelaspekten abhängen. Im Gegensatz zur vergleichsweise zuverlässig quantifizierbaren Gefährdung entzieht sich die Objektvulnerabilität bislang mangels Daten noch einer gebietsweiten Beurteilung. Auch die Ersatzgröße Schadenspotenzial lässt sich nur schwer auf mikroskaliger Ebene erfassen.
Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Gesamtkonzept einer GIS-basierten Risikoanalyse widmet sich zum einen einer methodischen Vertiefung der einzelnen Arbeitsschritte und analysiert die Auswirkungen unterschiedlicher Festlegungen auf die generierten Ergebnisse. Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf dem Einfluss der Eingangsdaten und deren optimaler Verwertung. Parallel dazu werden die Abbildungsdefizite der Vulnerabilität näher untersucht und Vorschläge für eine methodische Verbesserung der gebietsweiten Schadenspotenzialanalyse ausgearbeitet. Beide Schritte münden in Empfehlungen zur Anwendung sowie zur Ergebnisverwertung im Zuge der weiterführenden Risikokommunikation.
Die Untersuchungen zeigen, dass vor allem die Vorglättung des Oberflächenmodells (DOM) das Gefährdungsergebnis prägt und dass für Senken und Fließwege unterschiedliche DOM-Aufbereitungen erforderlich sind. Ferner darf die methodische Berücksichtigung weiterer gefährdungsrelevanter Parameter nicht die Effizienz und Handhabungsvorteile beeinträchtigen. Die Abbildung von Vulnerabilitäten auf Objektebene scheitert vorrangig an mangelnden Angaben zur Objektanfälligkeit und zur Bewältigungskapazität, während sich Schadenspotenziale sehr grob anhand von Nutzungsdaten abschätzen lassen. Eine bessere Objektivierung der Schadenspotenzialanalyse lässt sich erreichen, wenn dieses getrennt nach Vulnerabilitätsdimensionen bewertet wird und wenn dazu charakteristische Schadenstypen als Hilfsgrößen der Bewertung verwendet werden.
Risikobewertungen sind vorrangig vulnerabilitätsbezogen, d. h. mit Fokus auf möglichen Schadensausmaße und Präventionsmaßnahmen durchzuführen. Dies kann jedoch nur auf Objektebene, konkret durch bzw. mit dem potenziell Betroffenen erfolgen. Damit wird die Risikoanalyse zwangsläufig zu einem gemeinsamen Prozess und Dialog zwischen kommunaler Verantwortung zu Information und Aufklärung auf der einen Seite und individueller Eigenverantwortung und Risikoakzeptanz auf der anderen Seite.
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Eine Anpassung von Wasserversorgungs- und Abwasserentsorgungssystemen im ländlichen Raum kann aufgrund vielfältiger Herausforderungen wie demografischen, siedlungsstrukturellen und klimatischen Veränderungen erforderlich werden. Im Zuge dessen können auch die Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz der bestehenden Systeme gesteigert werden. Das Ziel dieser Arbeit ist die Ableitung von Handlungsempfehlungen zur Unterstützung der notwendigen Anpassungsprozesse der Abwasserentsorgung ländlicher Gemeinden. Dazu werden verschiedene Transformationspfade für Abwassersysteme aufgezeigt und analysiert.
In dieser Arbeit wird ein softwaregestütztes Entscheidungs- und Optimierungssystem angewendet und evaluiert, dass optimale Anpassungsmöglichkeiten aufgezeigt. Das gemischt-ganzzahlige lineare Optimierungsmodell berechnet für jede Gemeinde in Abhängigkeit von dem ausgewählten Szenario und vorgegebenen Zielen den optimalen Transformationspfad mit seiner zeitlichen und räumlichen Umsetzung. In den Szenarien werden zukünftige Entwicklungen der Bevölkerung, der Siedlungsstruktur, des Wasserbedarfs, der Kosten technischer Anlagen und des Klimawandels berücksichtigt. Die Zielfunktion bildet sich aus der gewichteten Summe ökonomischer, ökologischer und sozialer Bewertungskriterien. Die beispielhafte Anwendung des Modells erfolgt für zwei repräsentative ländliche Modellkommunen in Rheinland-Pfalz.
Durch eine detaillierte Auswertung und Evaluierung von ausgewählten Kombinationen von Szenarien und Bewertungskriterien kann das Spektrum an möglichen Transformationspfaden von der Erhaltung des zentralen Systems bis hin zu dezentralen und ressourcenorientierten Systemen aufgezeigt werden. Sensitivitätsbetrachtungen zeigen, dass die Auswahl und Gewichtung der Bewertungskriterien und die lokalen Randbedingungen der Gemeinde einen größeren Einfluss auf die resultierende Transformationspfade haben als die Auswahl der Szenarien.
Der Zustand des Entwässerungssystems wie der Anteil alter Kanäle, ein großer Anteil Mischsystem, große Durchmesser und eine große Kanallänge pro Einwohner sowie eine niedrige Siedlungsdichte fördern dezentrale Strukturen und sind geeignete Voraussetzungen für einen Systemwechsel. Bei der Priorisierung der Ziele Flexibilität, Wasserbilanz und Wasserrecycling wird die Dezentralisierung eines Systems mit Kleinkläranlagen favorisiert. Ein ressourcenorientiertes System mit einer Grau- und Schwarzwassertrennung ist nur zukünftig vorteilhaft, wenn die Ziele Wasserrecycling, Nährstoffrecycling und/oder Energieeffizienz priorisiert werden. Wenn ein Systemwechsel vollzogen werden soll, müssen auch die Auswirkungen auf die Wasserversorgung und Abwasserreinigung untersucht werden.
Es kann gezeigt werden, dass bei einer abnehmenden Bevölkerung dezentrale und ressourcenorientierte Systeme im ländlichen Raum eine Alternative darstellen. Zur Begleitung von Transformationsprozessen ist die Verwendung einer adäquaten Methodik zum Aufzeigen von verschiedenen Systemalternativen (z.B. mathematische Optimierung) zielführend.