Projekt 34478/01

Energie- und ressourceneffiziente Gewässerbewirtschaftung Untersuchungen zum kombinierten Einsatz innovativer Umwälz-/Belüftungstechnik und (natürlicher) Biofilmaufwuchsträger im Bereich der Abwasserbehandlung und Teichbewirtschaftung

Projektdurchführung

InfraRes GmbH
Coppistr. 82
04157 Leipzig

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Nach wie vor gelingt es im Hinblick auf die Erreichung des guten Zustands von Grund- und Oberflächengewässern nicht, die Ziele der EG-Wasserrahmenrichtlinie zu erfüllen. Neben diffusen Nährstoffeinträgen aus der Landwirtschaft stehen auch im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft bisher nicht (zufriedenstellend) gelöste Aufgaben an. Gewässerschutzmaßnahmen wie die der Abwasserbehandlung als Dienstleistung der Daseinsvorsorge gilt es außerdem kosteneffizient und bürgerfreundlich bereitzustellen.
Nachhaltige und effiziente Lösungsansätze in der Wasserwirtschaft finden sich oftmals in der intelligenten Kombination naturnaher Verfahrensansätze und technischer Systembausteine. So existieren insbesondere im Bereich der GK1 und GK2 vielfältige Einsatzmöglichkeiten naturnaher und/oder stromlos betriebener Systeme, deren Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit durch eine intelligente Kombination mit technischen und naturnahen Elementen verbessert werden kann.
Ziel des Projektes war die Erprobung und Weiterentwicklung eines integrierten Lösungsansatzes der Abwasserbehandlung im ländlichen Raum zur Verbesserung der Gewässerqualität. Zum Einsatz kamen dabei eine innovative Umwälz-/Belüftungstechnik und (natürliche) Biofilmaufwuchsträger in Kombination. Die Untersuchungsergebnisse bildeten die Grundlage für die Definition von Auslegungsparametern für verschiedene, für die Einzugsgebiete der beteiligten Zweckverbände charakteristische Anwendungssituationen.
Bereits bei der Weiterentwicklung des Lösungsansatzes sollten außerdem die mit dem gesamten Lebenszyklus der Abwasserbehandlungsinfrastruktur verbundenen Umweltwirkungen Berücksichtigung finden. Zu ihrer Bewertung galt es praxisgerechte Methoden und Indikatoren zur Anwendung zu bringen. Dadurch sollte eine deutliche Verbesserung der Nutzen-Kosten-Relation sowie der Energie- und Ressourceneffizienz der Gewässerbewirtschaftung erreicht werden. Beispielsweise war mit Einsparungen des Energieverbrauchs im Vergleich zu herkömmlichen Belüftern von ca. 50 % zu rechnen. Zur Steigerung der Akzeptanz von Maßnahmen des Gewässerschutzes und zur Verbesserung der Wissensbasis und der Fertigkeiten sollten zusätzlich ausgewählte Kommunikations- und Umweltbildungsmaßnahmen initiiert werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Untersuchung und zum Nachweis der Eignung des konzeptionellen Ansatzes wurden folgende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt: Weiterentwicklung und Erweiterung der theoretischen Grundlagen durch experimentell/praktische Versuche zunächst im Technikum-Maßstab im Bypass auf einem Kläranlagenstandort in Thüringen. Aufbauend auf den weiterentwickelten theoretischen Grundlagen und Versuchsergebnissen wurden Bemessungsansätze für die speziellen Rahmenbedingungen und Anlagenbestände der am Projekt beteiligten Abwasserzweckverbände abgeleitet. Ausgewählte, besonders zielversprechende Anlagenkonfigurationen wurden auf Abwasserteichen der beteiligten Abwasserzweckverbände umgesetzt und die erzielbaren Reinigungsleistungen überprüft und überwacht. Außerdem wurden Betriebsführungs- und Wartungserfahrungen gesammelt und dokumentiert. Zum Einsatz kam auch eine solarbetriebene Bauweise, um die mit dem daraus resultierenden Teilzeitbetrieb erzielbaren Reinigungsleistungen zu untersuchen.
Zusätzlich zur Untersuchung der erzielbaren Reinigungsleistung in Abhängigkeit von Größe und Anordnung der (natürlichen) Biofilmaufwuchsträger und Umwälz-/Belüftungseinrichtungen wurde die Ausstattung und Entwicklung der Wurzeloberfläche als Biofilmaufwuchsträger beobachtet und dokumentiert. Hierzu liegen bisher nur wenige wissenschaftliche Untersuchungen vor. Die Flächenermittlung erfolgte mittels MRT. Weiterhin fanden Untersuchungen zur Durchströmung und Belüftungsleistung statt. Die Durchströmung wurde mit umweltverträglichen Tracern sichtbar gemacht. Die Verbesserung der Durchströmung und die Vermeidung von Totzonen in allen Teichen ist ein essentieller Optimierungspunkt für den Erfolg der Anwendung, da die Biofilme an den Wurzeln der schwimmenden Teichinseln eine Anströmung benötigen und Totzonen zur Reduktion der Leistungsfähigkeit der Teichkläranlagen führen.
Über eine Ökoeffizienzanalyse und Variantenvergleiche mit alternativen, (naturnahen und technischen) Lösungsansätzen wurden die lebenszyklusweiten Kosten und Umweltwirkungen von Bau und Betrieb verschiedener konzeptioneller Ansätze zur Ableitung von Optimierungspotenzialen und zur Entscheidungsunterstützung bei der Auswahl von Gestaltungs- und Konzeptalternativen transparent gemacht. Verschiedene Gestaltungs- und Bemessungsansätze wurden bezüglich der über den gesamten Lebenszyklus entstehenden Kosten und Umweltwirkungen (z. B. Stromverbrauch, Materialeinsatz und Transport für Wartung und Instandhaltung, Flächenverbrauch sowie Emission klimaschädlicher Gase) bewertet.
Auf Grundlage der Untersuchungsergebnisse zur Reinigungsleistung sowie der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit des Lösungsansatzes wurde das Einsatzpotenzial des Behandlungskonzeptes abgeschätzt. Gemeinsam mit den Abwasserzweckverbänden wurden weitere Einsatzbereiche z. B. aus dem Bereich der Regenwasserbewirtschaftung diskutiert. So ist diese Kombinationslösung auch für eutrophierte oder von der Eutrophierung gefährdete Gewässer als weiterführende Lösung zur Reduktion der Stickstoffbelastungen anzusehen.
Die Durchführung des Projekts wurde von einem Fachbeirat begleitet.



Ergebnisse und Diskussion

Durch den Einsatz des untersuchten Anlagenkonzeptes im Technikum-Maßstab und auf bestehenden Abwasserteichen (GK 1) in Thüringen konnten Verbesserungen und Stabilisierungen der Ablaufwerte besonders hinsichtlich CSB und BSB sowie abfiltrierbare Stoffe nachgewiesen werden. Die Reinigungsleistungen bei den Stickstoffparametern unterschieden sich je nach Anlagenstandort, sind insgesamt aber als gut zu beschreiben, zeitweise wurden sogar die Grenzwerte für GK 3 bis GK 5 (10 mg/l NH4-N) unterschritten. Außerdem konnte anhand der Bilanzierung der gemessenen Stickstoffparameter eine simultan ablaufende Denitrifikation anhand der Reduktion des Gesamtstickstoffs im Teich 1 beobachtet werden. Bei ausreichender Sauerstoffversorgung wurden Reinigungsleistungen (NH4-N) über 50 % bis maximal 90,9 % nachgewiesen (Standort Günterode). Die Reinigungsleistung bzgl. Gesamtstickstoff (Nges) lag bei über 50 % und maximal 74,2 % (Standort Günterode) bzw. über 80 % (Standort Schleiz). Verbreitet niedrige Abwassertemperaturen sowie zeitweise nicht optimale Sauerstoffversorgung durch die solarbetriebenen OLOIDe führte zu stark schwankenden Reinigungsleistungen bzgl. NH4-N und Nges am Standort Witzendorf.
Somit kann diese Kombinationslösung eine gute Alternative zum Neubau, aber insbesondere auch für die Umrüstung bestehender Anlagen darstellen. Der Flächenverbrauch kann gegenüber konventionell belüfteten Teichen verkleinert werden, da sich die Reinigungsleistung durch die erhöhte Biofilmverfügbarkeit verbessert. Der reine Solarbetrieb muss derzeit jedoch noch als nicht empfehlenswert eingestuft werden.
Auch die Wirtschaftlichkeit des Lösungsansatzes konnte im Vergleich zu alternativen Behandlungskonzepten nachgewiesen werden. Dies gilt insbesondere für eine mögliche Nachrüstung bestehender Teiche. Die zusätzlichen Anlagenteile (Mehrkosten) können nur bei höheren Anforderungen (Stickstoffparameter) gerechtfertigt werden, da diese mit konventionellen belüfteten TKA nicht zuverlässig eingehalten werden können.
Der Einsatz von OLOIDen ermöglicht eine besonders energieeffiziente und damit klimaschonende Abwasserbehandlung. Für größere Ausbaugrößen (ab ca. 300 EW) ist allerdings, u. a. aus Wirtschaftlichkeitsaspekten, die Zuschaltung anderer Belüftungsaggregate notwendig, wodurch die Klimaschutzleistung reduziert wird.
Aufbauend auf den Untersuchungsergebnissen zu Reinigungs-, Klimaschutzleistung und Wirtschaftlichkeit konnten Bemessungsempfehlungen für verschiedene Ausbaugrößen abgeleitet werden.
Die beteiligten Abwasserzweckverbände bestätigen den anhaltenden Bedarf an leistungsstarken, energie- und kosteneffizienten Lösungen für den ländlichen Raum, auch vor dem Hintergrund des demografischen Wandels und der Möglichkeit der Weiternutzung vorhandener Anlagenbestände.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Projektergebnisse werden mit dem zugehörigen Abschlussbericht veröffentlicht, der über die Webseiten der DBU und der Projektpartner öffentlich zugänglich gemacht wird.
Zur Steigerung der Akzeptanz von Maßnahmen des Gewässerschutzes und zur Verbesserung der Wissensbasis und der Fertigkeiten sollen zusätzlich ausgewählte Kommunikations- und Umweltbildungsmaßnahmen initiiert werden. Mit dem Bildungsverein der Ver- und Entsorgungsunternehmen Thüringen (BVE) e. V., Weimar wurden Gespräche aufgenommen, um die Untersuchungsergebnisse des Projektes und aktuelle wissenschaftliche Erkenntnisse im Themenbereich in die Praxis zu überführen und zielgruppenadäquat aufzubereiten. Es wurden Möglichkeiten zum Aufbau und zur Durchführung von (Weiter-)Bildungsangeboten diskutiert und angestoßen. Weiterbildungsbedarf wird u. a. im Umgang mit naturnahen Lösungen, zu methodischen Ansätzen der THG-Bilanzierung sowie Landnutzung in der Wasserwirtschaft und Einsatzmöglichkeiten multikriterieller Bewertungsansätze zur Berücksichtigung der Multifunktionalität naturnaher Lösungsansätze gesehen.
Zu den Ergebnissen der Ökoeffizienzanalyse ist eine weitere Fachveröffentlichung geplant. Sie bilden außerdem die Grundlage für weitere Arbeiten zur verstärkten Berücksichtigung von Informationen zu Material-, Umwelt- und Ressourcenschonung in i) der Produktentwicklung sowie ii) bei Planung, Variantenvergleichen und (öffentlichen) Ausschreibungen der Abwasserzweckverbände.
Ein Workshop mit den Projektpartnern zur Vermittlung von Wissen und Methodenkompetenz zur Berücksichtigung der entwickelten Informationen, Indikatoren und Kennzahlen, mit dem Ziel umweltrelevante bzw. nachhaltigkeitsbezogene Aspekte stärker in Produktentwicklung und Planungen von KMU sowie bei (öffentlichen) Ausschreibungen zur Anwendung zu bringen (integrierter Ökodesign-Ansatz) stellt eine weitere der geplanten Kommunikations- und Umweltbildungsmaßnahmen bzw. des Knowhow-Transfers dar.



Fazit

Der untersuchte Lösungsansatz ermöglicht bei erhöhten Reinigungsanforderungen eine kosteneffiziente, klima- und ressourcenschonende Abwasserbehandlung. Er eignet sich insbesondere für kleinere Anlagen (GK 1 bis 2) sowie bei vorhandener Mischwasserkanalisation. Nicht zuletzt bei anstehenden Sanierungen vorhandener Abwasserteiche, sollte eine Ertüchtigung anstatt Neubau geprüft werden.
Zusätzliche Optimierungspotenziale sowie weiterer Forschungsbedarf bestehen u. a. in der weiteren Qualifizierung der Gestaltung geeigneter Pflanzschemata, mehr Erfahrungen zum Pflegeaufwand und -bedarf der Teichmatten sowie zum Einfluss auf den Schlammanfall und daraus ggf. resultierende Mehrkosten. Auch sollte auf eine Verringerung des Schlammanfalls in den Teichen durch Rückhalt von Schlämmen und Feststoffen in den Teichen vorgeschalteten Vorklärstufen hingewirkt werden.