Projekt 06120/01

Immissionsorientierte Sanierung niederschlagsbedingter Gewässerbelastungen am Beispiel der Stadt Limburg

Projektdurchführung

Abwasserverband Limburg an der Lahn
Adolfstr. 3
65549 Limburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Am Beispiel der Stadt Limburg und der Lahn wird auf der Basis vorhandener Daten sowie zielgerichteter Erhebungen ein konkretes Konzept zur immissions-orientierten und umweltverträglichen Sanierung der niederschlagsbedingten Gewässerbelastung erarbeitet und umgesetzt. Hierbei wird die Gesamtheit aus Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer systematisch betrachtet. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Beurteilung der ökologischen und ökonomischen Effizienz von abwassertechnischen Maßnahmen zur Niederschlagswasserbehandlung. Hierbei werden Grundlagen erarbeitet, mit denen die ökologische und ökonomische Wirksamkeit von abwassertechnischen Maßnahmen quantitativ abgeschätzt werden können. Die Bearbeitung erfolgt beispielhaft, so dass die erarbeiteten Instrumentarien und Methoden an anderer Stelle genutzt und ähnlich gelagerte Problemstellungen zukünftig mit deutlich reduziertem Aufwand gelöst werden können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Untersuchungen zur Bestandsaufnahme und zur Schaffung einer ausreichenden Datengrundlage wurden während drei Schwerpunktmessphasen im Jahr 1996 und 1998 durchgeführt. Emissionsseitig wurde das Kanalnetz durch Messungen an ausgewählten Mischwasserentlastungen erfasst. Die Wahl der Entlastungsanlagen erfolgte auf Grundlage vorliegender Ergebnisse von Schmutzfrachtberechnungen. Die Erfassung des Betriebszustandes der Verbandskläranlage Limburg erfolgte neben der Auswertung der Betriebstagebücher über einen langfristigen Zeitraum durch umfassende Messprogramme während der Schwerpunktmessphasen.
Parallel zu den Messungen in Kanalnetz und Kläranlage wurden die immissionsseitig notwendigen Erhebungen in der Lahn durchgeführt. Neben den Schwerpunktmessphasen erfolgte eine kontinuierliche Erfassung relevanter gewässergütewirtschaftlicher sowie meteorologischer Daten über einen Zeitraum der Sommermonate 1996. Die Untersuchungen erfolgten flussabwärts von Limburg bei Diez (ca. 4 km Fließstrecke ab Einleitung der Verbandskläranlage) und an der Lahn vor Limburg (3. Schwerpunktmessphase).


Die Messungen im Jahre 1996 und 1998 wurden durch die Abflussdaten der Lahn bei Leun und Kalkofen sowie von vier wesentlichen Nebengewässer ergänzt. Weiterhin dienen Niederschlagsdaten des Deutschen Wetterdienstes zur Ergänzung der eigenen gemessenen Datenbasis. Zur Erfassung der Vorbelastung der Lahn wurden Messungen der Hessischen Landesanstalt für Umwelt an den Messstellen Oberbiel und Limburg herangezogen. Parallel zur Erfassung der vorgenannten Daten wurde das Kanalisationsnetz des Abwasserverbandes in seinem aktuellen Stand erfasst.
Der gewonnene Datenbestand wurde mit Hilfe einfacher Bilanzen überprüft. Die Bilanzierungen dienten dazu, Belastungsschwerpunkte zu erkennen und Sanierungsszenarien zu definieren.
Mit Hilfe der Messungen auf der Kläranlage und im Kanalnetz sowie ergänzender Daten aus der Eigenüberwachung konnten diese beiden siedlungswasserwirtschaftlichen Elemente mit einem dynamischen Kläranlagensimulationsmodell sowie einer Schmutzfrachtsimulation nachgebildet und kalibriert werden. Zur Anwendung kam die Simulationssoftware SIMBA auf der Basis des IAWQ-Modell ASM-1 (Kläranlage) sowie das Schmutzfrachtmodell MOMENT (Kanalnetz).
Zur Berechnung der Wasserqualität wurde das Gewässergütemodell der ATV verwendet. Die Kalibrierung des Modells erfolgte auf der Basis der ersten Schwerpunktmessphase für die Lastfälle Trockenwetter- und Regenwetterabfluss (inkl. Mischwasserentlastung).
Zur Überprüfung von Maßnahmen der Mischwasserbehandlung (Kanalnetz und Kläranlage) wurden vier Ausbaustufen (Szenarien) definiert. Als weitere Eingangsgrößen für das untersuchte System dienten eine veränderliche Niederschlagsbelastung sowie eine unterschiedliche Vorbelastung des Gewässers. Mit Hilfe der Verknüpfung von Kanalnetz, Kläranlagen- und Gewässergütesimulation konnten die Maßnahmen-Szenarien immissionsseitig hinsichtlich ihrer ökologischen Wirksamkeit bewertet werden.


Ergebnisse und Diskussion

Die wesentlichen Ergebnisse aus dem Projekt lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Ausbau der Mischwasserbehandlung
Die Mischwasserbehandlung entspricht in ihrem derzeitigen Ausbauzustand (Szenario 0 "Ist-Zustand 1998") nicht den gültigen Regeln der Technik. Erst ein weitergehender Ausbau, wie in Szenario 1 "Stand der Technik" dargestellt, erfüllt die Anforderungen.
Langfristige Entlastungsmessungen (Dauer: 1 Jahr) an einer ausgewählten Entlastungsanlage (Regenüberlauf R20 "RÜ Elz - Am Reitplatz") haben gezeigt, dass die tatsächliche Entlastungstätigkeit nicht der rechnerischen (verwendete Regenreihe: rr05 für das Land Hessen) entspricht. Die Aufzeichnung der Entlastungstätigkeit an Mischwasserentlastungsanlagen zur Eigenüberwachung und als Planungshilfe wird daher empfohlen, bevor ressourcenintensive Investitionen realisiert werden. Ergänzend hierzu können Niederschlagsmessstellen als Planungshilfe dienen, um neben Modellregenreihen auch Echtregen bei der Beurteilung des Kanalnetzes verwenden zu können.

Mischwasserbehandlung und Gewässergüte
Während der drei Schwerpunktmessphasen konnten Mischwasserlastfälle beobachtet werden, die Belastungen in der Nähe kritischer Schwellenwerte verursachten. Dies betraf die Parameter Sauerstoff und Ammonium. Ein Zusammentreffen von Ammonium- und pH-Spitzenwerten konnte für den Untersuchungszeitraum nicht festgestellt werden. Mit Hilfe von pH-Wert- und Temperaturmessungen konnte deshalb rechnerisch nachgewiesen werden, dass im Gewässer keine kritischen Ammoniakkonzentrationen auftreten.
Mit Hilfe der Messungen wurde die Lahn nach geltenden Gütekriterien für den chemischen Zustand als ein Gewässer mit "mäßiger" bis "deutlicher" Belastung klassifiziert. Für den Parameter Pges und PO4-P wurden "erhöhte" Belastungen festgestellt. In Untersuchungen, die im Rahmen des BMBF-NIEDERSCHLAG-Projektes durchgeführt wurden, konnten als wesentliche Phosphor-Quellen punktförmige Einleitungen aus Kläranlagen festgestellt werden. Diese Einleitungen befinden sich im Oberlauf des Untersuchungsgebietes. Untersuchungen zu Nährstoffeinträgen aus diffusen Quellen wurden im Rahmen des Projektes nicht durchgeführt.
In vier Szenarien wurden Ausbaustufen der Mischwasserbehandlung definiert. Modellrechnungen für den Gewässerabschnitt der Lahn bei Limburg haben für die Szenarien gezeigt, dass bei den gegebenen Randbedingungen keine signifikanten Unterschiede bezüglich der Gewässerbelastung zu erwarten sind. Untersucht wurden dabei die für den Gewässerabschnitt relevanten Parameter Sauerstoff und Ammonium/Ammoniak. Aus gewässergütewirtschaftlicher Sicht sind deshalb keine verschärften Anforderungen an die Mischwasserbehandlung zu stellen.
Jedoch erscheint es aus städtebaulichen und ökologischen Gründen sinnvoll, eine Niederschlagswasserbehandlung am Entstehungsort durchzuführen. Gerade für künftige Erweiterungsflächen bietet sich diese

Vorgehensweise an. Hierdurch kann eine Verminderung der hydraulischen und stofflichen Belastung der nachfolgenden Systeme erreicht werden.
Nicht in die Detailuntersuchungen einbezogen wurde der Elbbach, in den ein Anteil der Mischwasserentlastungsbauwerke im Verbandsgebiet entlasten. Eine ergänzende Gewässergüteuntersuchung zeigte jedoch keine Schädigungen bezüglich der Gewässergüte. Die Einstufung des Gewässers erfolgte in die Gütestufe II.

Ausbauzustand der Kläranlage
Im Untersuchungszeitraum wurde die Betriebsweise der Kläranlage auf den Betrieb zur gezielten Stickstoffelimination (Nitrifikation/Denitrifikation) umgestellt. Hierdurch wurden Ablaufwerte erreicht, die die gesetzlichen Anforderungen unterschreiten. Kalibrierte und verifizierte Modellrechnungen unter Einbezie-hung von geplanten Erweiterungsflächen zeigen, dass eine Überlastung der Kläranlage durch den Anschluss der Erweiterungsflächen nach dem derzeitigen Kenntnisstand nicht zu erwarten ist.
Selbst bei einer Mehrbelastung der Kläranlage bis zu einem Mischwasserzufluss von Qm = 3*Qsx+Qf würden rechnerisch die Ablaufwerte eingehalten. In der Mehrbelastung der Kläranlage würde deshalb ein kostengünstiges Potential für Fälle liegen, bei denen bei niedrigen Regenabflussspenden kritische Ammonium-/Ammoniakbelastungen im Gewässer auftreten können.
Ein besonderes Augenmerk sollte dabei immer der Nachklärung geschenkt werden. Die Schlammbehandlung war nicht Gegenstand der Untersuchungen.

Einfluss der Kläranlage auf die Gewässergüte
Auf der Basis der durchgeführten Messungen und Modellrechnungen konnte nachgewiesen werden, dass der Einfluss der Kläranlagenemissionen auf den Stoffhaushalt der Lahn im Vergleich zur Vorbelastung gering ist. Dies betrifft die untersuchten Parameter Sauerstoff und Ammonium/Ammoniak. Einen wesentlicheren Einfluss auf die Gewässergüte besitzen die Mischwassereinleitungen im Verbandsgebiet.
Die Immissionsanalyse hat gezeigt, dass über den derzeitigen Ausbauzustand der Kläranlage hinausgehende Maßnahmen zur Verbesserung der Ablaufqualität nicht erforderlich sind.

Vereinfachte Nachweise zur Erkennung kritischer Belastungssituationen
Ein vereinfachter Nachweis zur Erkennung kritischer Belastungssituationen wurde mit Hilfe des Gelbdruckes des BWK-Merkblattes 3 durchgeführt. Obwohl im vorliegenden Fall die Anwendungsgrenzen des Leitfadens überschritten wurden, konnten qualitativ gesicherte Aussagen gegeben werden. Das BWK-Merkblatt 3 kann somit als geeignetes Werkzeug angesehen werden, eine Abschätzung der Gewässerbelastung unter Berücksichtigung örtlicher Verhältnisse und hinsichtlich der Wahl des Nachweisverfah-rens (detailliert oder vereinfacht) für das Einhalten von Anforderungen zu treffen. Auf Grund der Größe des Untersuchungsgebietes ist die Anwendung von einfachen Bilanzansätzen unter Einbezug der Elemente Kanalisation, Kläranlage und Gewässer zur Betrachtung von einzelnen Mischwasserlastfällen nur bedingt möglich. Um gesicherte Aussagen zu erhalten, sind dazu umfassendere Datengrundlagen sowie genauere Kenntnisse der Belastungspfade notwendig. Für diesen detaillierten Nachweis einschließlich der Maßnahmenwahl können die im Vorhaben erarbeiteten Methoden angewendet werden.

Modellgrundlagen
Bei der Modellanwendung müssen dem Anwender die theoretischen Grundlagen des verwendeten Modells bekannt sein. Hierbei eingeschlossen sind grundlegende Kenntnisse über die theoretischen Hintergründe der Simulation und der Prozessabläufe im zu simulierenden System.
Für das verwendete Gewässergütemodell sind zwar die theoretischen Hintergründe publiziert, die Prozessgleichungen sind jedoch noch nicht offengelegt. Eine Interpretation und Verifizierung der Ergebnisse ist somit nur eingeschränkt und auf indirektem Weg möglich.

Modellrechnungen zur Gewässergüte
Für unterschiedliche Lastfälle wurden Modellrechnungen zur Beurteilung der Gewässergüte durchgeführt. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass sich auf Grund der Verhältnisse im Vorflutgewässer die untersuchten Varianten zur Mischwasserbehandlung in ihrer Wirkung auf den Gewässerzustand nur relativ geringfügig unterscheiden. Als wesentlicher Parameter, der die Mischwasserentlastung bestimmt, stellt sich die Niederschlagsbelastung dar.
Weitergehende Maßnahmen zur Mischwasserbehandlung oder eine hydraulische Mehrbeschickung der Kläranlage bedeuten im vorliegenden Fall keine wesentliche Verbesserung des Gewässerzustandes für den betrachteten Gewässerabschnitt.
Die Simulationsrechnungen zeigten, dass die vorgeschlagenen Grenzwerte nach der ATV-Arbeitsgruppe "Beeinflussung der Gewässergüte durch Mischwassereinleitungen" (AG 2.1.1) unter bestimmten Belastungsannahmen zwar annähernd erreicht werden können, überschritten werden diese jedoch nicht.

Messprogramme zur Eigenüberwachung
Die Auswertung des vorhandenen Datenmaterials zeigte, dass im Vergleich zum erforderlichen Umfang der hier durchgeführten Untersuchungen Defizite bestanden. Ein im Vergleich zur geltenden Eigenkontrollverordnung (EKVO) verändertes Messprogramm zur Eigenüberwachung wäre für ähnlich gelagerte Problemstellungen erforderlich. Eine Anpassung der EKVO an die Erfordernisse der Datengrundlagen von Simulationsmodellen wird daher empfohlen.
Neben der Abwasserreinigung bestehen vor allem im Bereich der Mischwasserbehandlung erhebliche Defizite hinsichtlich ihrer Erfolgskontrolle.
Eine Überwachung des Vorflutgewässers erscheint bei kritischen Situationen sinnvoll. Als Mindestparameter sollten kontinuierliche Sauerstoff-, Trübungs- und UV-Sonden (Messung des spektralen Absorptionskoeffizienten) eingesetzt werden. Es sind Sekundärdaten (insb. Abfluss, Wetterdaten, Einleitungen aus dem Siedlungsgebiet) so zu erheben, dass Bilanzierungen und ggf. Modellkalibrierungen für die relevanten stofflichen Parameter für ein Niederschlagskontinuum möglich sind. Die genannten Parameter lassen sich mit geringem personellen Aufwand über einen längeren Zeitraum kontinuierlich erfassen und können zum Erkennen kritischer Belastungssituationen beitragen. Erforderlich sind Probestellen im Ober- und Unterlauf des Entwässerungssystems.

Schwerpunktmessprogramme
Schwerpunktmessprogramme dienen zur Datenverdichtung und können über einen zeitlich begrenzten Zeitraum durchgeführt werden. Sie dienen im wesentlichen zur Kalibrierung von Modellen. Eine Kalibrierung von Modellen ist nicht nur bei deren Erstellung, sondern auch bei sich verändernden Randbedingungen notwendig. Beispielhafte Schwerpunktmessprogramme wurden konzipiert und durchgeführt. Der Umfang der Erhebungen hängt im wesentlichen von der Fragestellung und dem verwendeten Modell ab.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Mang, J. (1996): Ökologische und technische Hinweise zur Abwasser- und Klärschlammbehandlung bei knappen Kassen. In: Schriftenreihe Wasser, Abwasser, Abfall des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft, Universität Kassel, Band 16, Seite 85, Kassel.
Borchardt, D., Fischer, J. und E. Mauch (1998): Auswirkungen von Mischwassereinleitungen auf den Stoffhaushalt und die Biozönose von Fließgewässern: Ökologische und wasserwirtschaftliche Folgerungen. Gwf Wasser Abwasser 139 (7), 418 - 423.
Mang, J.; Geffers, K.; Borchardt, D (1998): Auswirkungen von Mischwassereinleitungen auf den Stoffhaushalt und die Biozönose von Fließgewässern, Fallbeispiel Lahn bei Limburg (Hessen) - ein staureguliertes Fließgewässer 2. Ordnung. gwf - Wasser, Abwasser, 139 (6), 408 - 417.
Borchardt, D. (1999): Praxisorientierte Ermittlung der fließgewässerbezogenen Anforderungen an die Niederschlagswasserbehandlung. Schriftenreihe Siedlungswasserwirtschaft Bochum 36, 43 - 60.
Borchardt, D (1999): Niederschlagsbedingte Gewässerbelastungen: Wie können Probleme identifiziert und Maßnahmen beurteilt werden? In: Fuchs, St. und H. H. Hahn: Schadstoffe im Regenabfluss IV. Schriftenreihe des ISWW Karlsruhe 96, 173-192.


Fazit

Die durchgeführten Untersuchungen (Messungen und Modellrechnungen) zeigten für den Abwasserverband Limburg, dass ein Ausbau der Mischwasserbehandlung - über die Normalanforderungen hinaus - zunächst keine entscheidende Verbesserung der Gewässergüte erwarten lässt. Auf der Basis der vorliegenden Ergebnisse wird daher der Ausbau nach dem Stand der Technik empfohlen (Szenario 1).
Bedingt durch die Stauregulierung stellte sich der Sauerstoffgehalt als empfindliche Größe im Gewässer dar. Da kurzzeitig kritische Situationen bei ungünstigen Randbedingungen theoretisch möglich sind, wird eine ergänzende Eigenüberwachung an den wichtigsten Mischwasserentlastungsbauwerken empfohlen.
Die Kläranlage Limburg erfüllt in Ihrem derzeitigen Zustand die Anforderungen hinsichtlich der Emissionsgrenzwerte. Eine Erweiterung ist nicht notwendig.
Am Untersuchungsgebiet wurde beispielhaft die Grundlagenermittlung sowie eine weitergehende Erhebung von Daten dargestellt. Die Methodik der Erhebung, Datenauswertung sowie der Datenverwendung kann auf ähnlich gelagerte Problemstellungen übertragen werden.
Es wird aufgezeigt, welche Daten sinnvollerweise zu erheben sind und wie diese für Bilanzierungen oder Modellrechnungen aufbereitet werden können.
Der Begriff Effizienz ist im vorliegenden Fall in erster Linie im Zusammenhang mit der Grundlagenermittlung zu sehen. Der erhöhte Aufwand für die Problemidentifikation (Messungen und Modellierung) im Gesamtsystem unter Berücksichtigung der örtlichen Verhältnisse und die damit verbundene gewässerbezogene Maßnahmenwahl kann demnach erhebliche Einsparpotentiale bei der Umsetzung von Maßnahmen bei gleichzeitiger Einhaltung der Umweltstandards begründen.