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04. Januar 2018

Integraler Ansatz

Netz – ARA – Gewässer

Das vom Bund geförderte integrale Wasserressourcen-Management ist für die Schweizer Wasserwirtschaft schon seit Längerem ein grosses Thema. Die praktischen Mittel zur Umsetzung (Optimierung «Kanalnetz – ARA – Gewässer», Infrastrukturmanagement in Echtzeit usw.) sind vorhanden und werden bereits erfolgreich in verschiedenen Städten eingesetzt. Dieser integrale Ansatz macht es erforderlich, sowohl den Zustand der Vorfluter als auch des Kanalnetzes zu berücksichtigen. Die notwendigen Massnahmen zur Umsetzung eines solchen integralen Managements erfordern eine neue Art der Verwaltung: eine, die alle Akteure der Wasserwirtschaft miteinbezieht.
Luca Rossi 

Einleitung

Wie mit der Ressource Wasser optimal umzugehen ist, beschäftigt die Menschen seit jeher: Ob es nun um den Trinkwasserverbrauch, die Bewässerung, das Wasser für Viehwirtschaft und Industrie oder um Wasser für den Freizeitbereich geht. Seit einigen Jahren wird die Idee einer Koordination zwischen Politik, Verwaltung, Wirtschaft, Gesellschaft und Wissenschaft verfolgt, um die Zusammenarbeit der unterschiedlichen Wassernutzer zu vereinfachen [1–7]. Unter der Überschrift «Integrales Wasserressourcen-Management» sollen alle Sektoren der Wasserwirtschaft auf kohärente Weise miteinbezogen werden: Sei es auf Ebene des Einzugsgebiets oder auf Ebene eines anderen funktional und geografisch zusammenhängenden Gebiets, z. B. in Verbindung mit einem Verbands-GEP (genereller Verbandsentwässerungsplan).

Der vorliegende Artikel veranschaulicht an einem konkreten Beispiel Schritte und Überlegungen in diese Richtung. Daran lässt sich gut zeigen, wie ein disziplinenübergreifendes und integrales Wassermanagement im Jahre 2050 aussehen könnte. Bei dieser Vision spielt die Abwasserreinigung eine Schlüsselrolle. Es geht nicht darum, die Wasserwirtschaft neu zu erfinden oder die bestehende Organisationsweise abzuschaffen, sondern Mittel und Wege zu finden, die Verbindungen zwischen den verschiedenen Disziplinen zu stärken und die Kapazitäten der vorhandenen Infrastrukturen zu optimieren. Diese Verbindungen beruhen auf technischen (Modellierung, Optimierung, dynamische Regelung), konstruktiven (optimale technische Lösungen in einem gegebenen Kontext) sowie auf sozial-ökonomischen Lösungen, bei denen die wichtigsten Akteure und Entscheidungsträger ermittelt und mit einer gemeinsamen Arbeitsplattform miteinbezogen werden.
Gegenwärtig haben die verschiedenen Akteure im Bereich der Abwasserentsorgung meist nur selten einen Überblick über das System «Netz – ARA – Gewässer» [8, 9], weil sie ihre Pflichtenhefte getrennt voneinander halten. Dies hat zur Folge, dass Gewässer und Technik auch getrennt voneinander betrachtet werden, obwohl die Natur (Gewässer) doch eigentlich im Mittelpunkt der Erörterungen stehen sollte [10]. Auch kommt es zwischen den verschiedenen Behörden auf Gemeinde-, Verbands- oder Kantonsebene (mit Gewässerzuständigkeit) zu Verschiebungen in der Verantwortung.

Einige Beispiele

Um eine ARA zu erneuern und konstant zu verbessern, braucht es ein leistungsstarkes Kanalnetz. Am Beispiel des Fremdwassers wird veranschaulicht, dass die Verbindung «Netz – ARA» nicht immer ideal ist. Gemäss GEP muss Fremdwasser eliminiert oder so weit wie möglich reduziert werden. Somit stellen sich bei den Überlegungen zu den Investitionen folgende Fragen: Soll das gesamte Fremdwasser ermittelt und eliminiert werden? Oder soll es bei der Auslegung der ARA berücksichtigt werden?
Figur 1 zeigt den Einfluss von Fremdwasser auf eine ARA. Mithilfe eines numerischen Betriebs- und Optimierungsmodells einer ARA (deterministisches Modell, BlueWatt Engineering [11]) wurde durch die Variation des Fremdwasseranteils eine Optimierung der Betriebsleistung der ARA zur Stickstoffabscheidung erreicht. Die Reinigungsleistung einer ARA geht erheblich zurück, sobald der Fremdwasseranteil 30% überschreitet. Diese Erkenntnis muss also in ökonomische Überlegungen bezüglich Auslegung der ARA und Dimensionierung des Kanalnetzes miteinbezogen werden. Das am Beispiel von Fremdwasser illustrierte Problem zeigt sich auch beim Wärmeentzug aus dem Kanalnetz, bei der Netzoptimierung (vollständiger Wechsel zum Trennsystem), beim Regenwassermanagement usw.
Die Optimierung des bestehenden Systems in Echtzeit in Bezug auf Kapazitäten und Rückhaltevolumen ist ebenfalls ein Bestandteil des integralen Managements [12–14]. Dank einer solchen Echtzeit­kontrolle ist ein operatives Management des Abwassersystems unter Berücksichtigung wirtschaftlicher (z. B. Pumpenkosten), ökologischer (z. B. einzuhaltende Maximalkonzentrationen) und sozialer (z. B. Abfälle durch Regenüberläufe, hygienische Bedingungen an Stränden) Kriterien möglich. Ziele hierbei sind, die Rückhaltekapazitäten im Netz und Aufbereitungskapazitäten bei gleichzeitiger Reduktion der Belastung und der Betriebskosten zu maximieren, ohne deshalb in neue Infrastrukturen investieren zu müssen.
Diese Art von System wird derzeit am Standort der ERM (Association intercommunale pour l’épuration des eaux usées de la région morgienne, 40 000 EW) in Morges erprobt (Fig. 2). Dort werden die vom Ingenieurbüro Hydrique Ingénieurs modellierten Echtzeit- und Prognosedaten des Einzugsgebiets in einem Simulationsmodell des ARA-Betriebs im Hinblick auf eine dynamische Regelung (Optimierung des Anlagenbetriebs) verwendet [15]. Dabei werden Energieeinsparungen und eine bessere Leistung erwartet. Beim Faktor «Gewässer» wurde für die Regenwassereinleitungen in den Fluss La Morges an verschiedenen Punkten des Netzes der Ansatz gemäss STORM angewandt [16, 17]. Eine Optimierung von «Netz –ARA – Gewässer» wurde im Rahmen einer Vorstudie getestet [18], die sich auf die Software CVX von Matlab stützte [19].

Vor- und Nachteile des integralen Managements

Ein integrales Management des gesamten Abwassersystems verursacht sowohl bei der Umsetzung als auch beim Betrieb (Technik und Personal) höhere Kosten. Damit es dennoch zum Einsatz kommt und tatsächlich von Nutzen ist, muss es einen Mehrwert generieren, der über den Investitionen liegt [20].

Vorteile

Das integrale Management fördert die Kooperation und die Erarbeitung eines Systems, das nach wirtschaftlichen, ökologischen, rechtlichen und energetischen Kriterien leistungsstark und effektiv ist. Dazu müssen die festgelegten Qualitäts- und Rentabilitätsziele erreicht und zugleich die Kosten, ob quantifizierbar oder nicht, reduziert werden. Die Umsetzung eines integralen Managements ermöglicht eine «bessere» Bewirtschaftung sowie Einsparungen in allen Bereichen, z. B. beim Energieverbrauch oder bei der Umsetzung technischer Lösungen (Vermeidung neuer, kostspieliger Infrastrukturen durch die Optimierung des bestehenden Systems). Die Netz- und ARA-Betreiber und auch die Gemeinden können somit die Betriebskosten erheblich reduzieren. Darüber hinaus können bei einem integralen Management die für die Nachhaltigkeit so wichtigen sozialen und ökologischen Werte, die wirtschaftlich schwer messbar sind, einbezogen werden.
Der Nutzen der Ökosysteme Seen und Flüsse liegt auf der Hand [21, 22]: Vorfluter von hoher Qualität stellen einen Mehrwert dar – sowohl für die Artenvielfalt als auch für den Tourismus- und Freizeitsektor. Nicht zuletzt kann auch eine Wasserversorgung in der Nähe einer Einleitstelle davon profitieren. Denn je besser die Qualität des Rohwassers, umso weniger Aufbereitungsschritte sind notwendig, was letztlich zu Einsparungen führt. Mit dieser ganzheitlichen Betrachtung des Wasserkreislaufs im Rahmen eines integralen Managements kann eine inkohärente Bewirtschaftung vermieden werden. Schliesslich unterstützt ein integrales Management die Kontrollverfahren des Systems mit ständigen Aktualisierungen. Dadurch kann das System leichter angepasst und geeignete sowie angemessene Lösungen können umgesetzt werden.

Nachteile

Der grösste Nachteil des integralen Managements besteht darin, dass es etwas Neues ist und Änderungen der aktuellen Gegebenheiten erfordert. Erfahrungsgemäss sind Änderungen der Organisationsweise bereits bestehender Strukturen nur sehr schwer durchzusetzen. Die Einführung eines integralen Managements muss daher schrittweise erfolgen, gilt es doch, die Rollen der einzelnen Akteure neu zu verteilen und festzulegen, was nicht unbedingt sofort gutgeheissen wird.
Wenn mit dem integralen Management regelmässigere Kontrollen des Systems eingeführt werden, stellt sich auch die Frage, wer diese zusätzliche Aufgabe übernehmen wird. Wer kümmert sich beispielsweise um die Kontrollen der Vorfluter, die dann häufiger anstehen? Der Kanton? Die ARA-Betreiber? Darüber hinaus erfordert das integrierte Management a priori mehr disziplinübergreifende Kenntnisse, was wiederum neue Schulungen des Personals erfordert [9]. Zudem müssen neue Stellen geschaffen werden, die weitere Kosten verursachen. Die Weiterentwicklung numerischer Modelle für die integrierte Modellierung erfordert ausserdem einen erheblichen Einsatz von Ressourcen, z. B. für die Datenerfassung oder die Einrichtung eines Fernkontrollsystems [8, 23]. In diesem Bereich ist die Erfahrung von spezialisierten Büros von essenzieller Bedeutung. Weiter ist zu bedenken, dass die automatisierte Kontrolle mehr Risiken birgt, da es zu Kommunikationsproblemen mit den Stellantrieben, IT-Fehlern, Stromausfällen usw. kommen kann. Auch Verhaltensweise, die auf eine starke Verbundenheit mit dem aktuellen System zurückzuführen sind, können von Bedeutung sein. Da solche Verhaltensweisen nicht quantifizierbar sind, ist es sehr schwierig, sie in die Kosten-Nutzen-Analyse aufzunehmen.

Die Zukunft des integralen Wassermanagements

Die wissenschaftliche Seite ist sich einig: Das heutige System «Netz–ARA», selbst mit einem integralen Wassermanagement, ist kein nachhaltiges Konzept [24, 26]. Dies liegt an der enormen Energiemenge, die zur Siedlungsentwässerung und Trinkwasserversorgung, für den Urin- und Fäkalientransport über grosse Entfernungen benötigt wird, sowie an der mangelnden Ressourcenrückgewinnung. Die Entwicklung steuert immer mehr in Richtung dezentrale Wasseraufbereitung und Wasserwiederverwertung [27, 28].

Müsste somit alles neu aufgebaut werden? Sicher nicht. Das System kann sich nur weiterentwickeln, sofern nachfolgende Punkte, die auch für den Erhalt des bestehenden Systems relevant sind, nicht hemmend wirken:
1) Zugang zu Wasserressourcen, insbesondere im Zusammenhang mit Klimaveränderungen
2) ausreichend Platz für Wasseraufbereitungsanlagen
3) Energiepolitik und Energiekosten (z. B. 2000-Watt-Gesellschaft)
4) Kostenmanagement für die Instandhaltung und Erneuerung von Anlagen
5) Komplexität des Managements
6) Kostenentwicklung der Rohstoffe (insbesondere Düngemittel)
7) technologische Neuerungen bei dezentralen Systemen

Punkt 1

Die ARA der Zukunft kann Wasser von sehr hoher Qualität liefern, das nötigenfalls auf verschiedene Weise wiederverwendet werden kann.

Punkt 2

Der Einsatz kompakter technischer Verfahren.

Punkt 3

Eine energieautarke oder energieproduzierende ARA [29, 30].

Punkt 4

Das Finanzmanagement für die Infrastrukturen wird üblicherweise durch die GEP festgelegt und auf verbindlichen Rechtsvorschriften beruhen (Prinzip «l’eau paie l’eau»).

Punkt 5

Viele Ingenieurbüros und ARA-Betreiber, die sich den neuen Herausforderungen stellen.

Punkt 6

Die ARA des Jahres 2050, die eine Verwertung der im Abwasser enthaltenen Stoffe ermöglicht. Bekanntlich ist die Rückgewinnung von Phosphor bereits gesetzlich verankert.

Punkt 7

Neuerungen sind mit dem aktuellen System durchaus kompatibel.

Technologische Neuerungen

Ähnlich wie in der Automobilindustrie werden auch im Bereich der Abwasser-entsorgung Hybridsysteme aufkommen, und Wohn- und Gewerbezonen werden zunehmend vom Typ «Öko-Quartier» mit dezentraler Abwasserentsorgung geprägt. Durch diese Zonen können ARA, die durch den demografischen Wandel unter Druck stehen, entlastet werden.Auch kann dadurch eine bessere, den lokalen Bedingungen entsprechende Wasserwirtschaft betrieben werden.

Innovationspreis für Schweizer Team

Überlegungen dazu wurden auch im Rahmen des vom US-Energieministerium veranstalteten Wettbewerbs Solar Decathlon angestellt [31]. Die vom Schweizer Team unter Leitung der EPFL, der Hochschule für Technik und Architektur Freiburg (HEIA-FR), der Haute école d’art et de design de Genève (HEAD) und der Universität Freiburg (UNIFR) vorgeschlagene Lösung wurde in mehreren Kategorien prämiert, insbesondere in der Kategorie Wasserwirtschaft.
Die Schweizer Lösung sieht eine dezentrale Wasserwirtschaft auf Quartiersebene vor. Zum Einsatz kommen dabei Trockentoiletten, Wasseraufbereitung durch Pflanzen, Regenwassernutzung, Dachbepflanzung, Smart Metering, Wärmerückgewinnung oder auch Aquaponik. Die Jury sprach diesem Ansatz den 1. Preis in der Kategorie «Wasser» zu. Die Resultate stellen insbesondere für die künftige Entwicklung hybrider Lösungen eine Ermutigung dar.

Fazit

Die Zukunft der Schweizer Wasserwirtschaft wird integral gestaltet. Die notwendigen technischen und gesetzlichen Entwicklungen sind bereits auf dem Weg, auch stehen die notwendigen Hilfsmittel zur Verfügung. Die entscheidenden Veränderungen sind nicht auf technischer, sondern auf institutioneller und organisatorischer Seite vorzunehmen.

Am aktuellen System sollte nicht festgehalten werden – im Gegenteil: Massnahmen an verschiedenen Punkten des Abwassersystems müssen vorangetrieben werden, damit sie endlich Auswirkungen auf die gesamte Leistung des Abwassersystems haben. Diese Auswirkungen müssen im Hinblick auf den Umweltschutz, das Kostenmanagement, das Energieverbrauchsmanagement und auf eine qualitative Bewertung der Zu-/Abflüsse gemessen werden. Die Akteure, die auf verschiedenen Konferenzen (ARPEA, GRESE, VSA) zum Thema «ARA 2050» anzutreffen sind, können eine entscheidende Rolle bei der Verfolgung von integralen Ansätzen spielen, indem sie Verbindungen aufbauen und multidisziplinäre Ansätze ausserhalb der Komfortzone ihres üblichen Betätigungsfeldes entwickeln.
Zum Schluss soll noch darauf hingewiesen werden, dass das Thema der integralen Wasserwirtschaft für den VSA hohe Priorität hat. So wurde ein Projekt ins Leben gerufen, um bis 2019 konkrete Beispiele für ein integrales Management in der Schweiz zusammenzutragen. Die Ergebnisse werden zu gegebener Zeit in Aqua & Gas veröffentlicht.

Bibliographie

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[2] Global Water Partnership (2013): The role of decision support systems and models in integrated river basin management. Stockholm: Global Water Partnership (GWP)
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