Plattform für Wasser, Gas und Wärme
Fachartikel
01. September 2023

Kanalnetz-ARA-Gewässer

Neue VSA-Richtlinie zur Bewirtschaftung des Gesamtsystems Kanalnetz-ARA-Gewässer

Das Entwässerungssystem, die ARA und die aufnehmenden Gewässer im Einzugsgebiet bilden ein Gesamtsystem, welches eine integrale Bewirtschaftung erfordert. Dieser Gedanke soll mit der kommenden VSA-Richtlinie umgesetzt werden. Zwei Praxisbeispiele werden im Artikel vorgestellt und zeigen, dass die Bewirtschaftung des Gesamtsystems wirkungsvoll ist.
Michael Brögli, Robin Aerts, Michael Mattle, Martina Küng, 

Beim Aufbau der schweizerischen Kanalisationsnetze steckte die Mess-, Steuer-, Regel- und Überwachungstechnik (MSRÜ) noch in den Kinderschuhen. Kanalnetz und ARA sind häufig historisch gewachsen und nicht optimal aufeinander oder auf die aufnehmenden Gewässer abgestimmt. Vor allem bei hohen Reinigungsleistungen, wie sie heute auf modernen ARA erreicht werden, wird die Gewässerbelastung durch Einträge aus Mischabwasserentlastungen immer bedeutender (für Ammonium beispielsweise liegt der Anteil bei 30 bis 70%). In den Abwasseranlagen schlummert deshalb ein Potenzial zur Verbesserung des Gewässerschutzes: Die bestehende Infrastruktur soll mit dem Einsatz moderner Steuerungstechnik für eine integrale und/oder dynamische Bewirtschaftung der Sonderbauwerke und der Abwasserreinigungsanlage optimal ausgenutzt werden. Dies erfordert eine gesamtheitliche Betrachtung des ARA-Einzugsgebiets (EZG) und der Gewässer, die von eingeleitetem gereinigtem Abwasser oder entlastetem Mischabwasser aus Regenüberlaufbecken (RÜB) und Regenüberläufen (RÜ) betroffen sind. Die kleinstmögliche Einheit der integralen Bewirtschaftung ist ein gesamtes ARA-Einzugsgebiet, unabhängig der politischen Grenzen.

VSA-RICHTLINIE FĂśR EINEN VERBESSERTEN GEWĂ„SSERSCHUTZ

Die ökologischen Ziele sowie die Anforderungen an Entlastungsbauwerke und ARA werden im Gewässerschutzgesetz (GSchG) und dessen Verordnung (GSchV) definiert. Bisher fehlen jedoch konkrete Handlungsanweisungen, dass und wie diese Ziele erreicht werden können. Die kommende VSA-Richtlinie «Bewirtschaftung des Gesamtsystems Kanalnetz – ARA – Gewässer» (siehe Box unten; [1]) setzt hier an, hält Aufgaben fest und zeigt mögliche konkrete Massnahmen auf.
Dank der betrieblichen Optimierung der bestehenden und geplanten Abwasseranlagen soll bei Regenwetter der ökologische Einfluss auf die aufnehmenden Gewässer im gesamten ARA-Einzugsgebiet minimiert werden. Dieses übergeordnete Ziel kann beispielsweise durch die koordinierte Entleerung der Regenüberlaufbecken (RÜB) und die optimale Ausnutzung der hydraulischen und biochemischen Kapazität der ARA erreicht werden. Die Optimierung des Gesamtsystems hat eine Reduktion der durch Mischabwasserentlastungen eingetragenen Konzentrationen und Frachten bei gleichzeitiger Maximierung der ARA-Reinigungsleistung zum Ziel. Dabei sind die nachfolgenden Randbedingungen zu berücksichtigen:

  • Einleitung in sensitive Gewässer so gering wie möglich halten.
  • Tiefe gewässerspezifische Entlastungsfracht [(kg NH4-N/a)/(m3/s)] und Vermeidung ökotoxikologisch kritischer Konzentrationen.
  • Keine Verschlechterung des ökologischen Gewässerzustandes durch die Einleitung.
  • Reduktion der belasteten Fliessstrecke (möglichst weit unten im EZG einleiten).
Richtlinie definiert sechs Aufgaben

Die kommende VSA-Richtlinie (siehe Box; [1]) definiert sechs Aufgaben (Fig. 1), welche die Kantone pro ARA-Einzugsgebiet für die ARA-Verbände und Gemeinden als verbindlich erklären können. Diese Aufgaben werden nachfolgend erläutert. Als spätesten Umsetzungshorizont für die verbindlichen Aufgaben empfiehlt der VSA das Jahr 2035. 

Messtechnische AusrĂĽstung der Sonderbauwerke

Der VSA definiert in der kommenden Richtlinie [1] minimale Ausrüstungsstandards für RÜB, RÜ, Regenrückhaltebecken, Pumpwerke und Notüberläufe. Die Einhaltung dieser Standards sollte einerseits erlauben, die aktuell ablaufenden Prozesse zu verstehen, und andererseits die Betriebsüberwachung, die Optimierung des Gesamtsystems und die Erfolgskontrolle von Massnahmen ermöglichen. Im Rahmen der Vernehmlassung der neuen Richtlinie befinden sich die definitiven Standards zurzeit in Diskussion und werden daher in diesem Artikel noch nicht publiziert.
Die erhobenen Rohdaten mĂĽssen automatisch in das zentrale Messdatenmanagementsystem des ARA-Einzugsgebiets ĂĽbertragen und dort nicht aggregiert fĂĽr mindestens 10 Jahre erfasst werden.

Optimierung der Drosselabflüsse 

Indem Drosselabflüsse in einem Frachtmodell, beispielsweise im Rahmen eines (Verbands-)GEP, aufeinander abgestimmt werden, können die Speichervolumen im Gesamtsystem besser ausgelastet werden. Zudem lässt sich so eine auf die Gewässer abgestimmte respektive gleichmässigere Nutzung der Sonderbauwerke erzielen. Dabei kann eine statische (fixe Einstellungen) oder dynamische Regelung der Drosselabflüsse gewählt werden. Die optimierten Drosselabflüsse sollten immer unter Berücksichtigung der Gewässersensitivität, der Anforderungen gemäss VSA-Richtlinie «Abwasserbewirtschaftung bei Regenwetter» [2] sowie der Vorgaben der Vollzugsbehörde festgelegt werden.

In der Richtlinie «Abwasserbewirtschaftung bei Regenwetter» wird einerseits eine Minimalanforderung (NH4-N-Entlastungsfracht/NH4-N-Jahresfracht ≤ 2,0 %) und andererseits ein Orientierungswert für die gewässerspezifische Entlastungsfracht abhängig vom mittleren jährlichen Abfluss eines Gewässers (N-Entlastungsfracht/MQ Gewässer ≤ 500 Ammonium-N [kg/a]/[m3/s]) vorgegeben. Diese Werte kann die Vollzugsbehörde verschärfen.

Fernwirk- und Bewirtschaftungssystem 

Über ein zentrales Fernwirk- und Bewirtschaftungssystem sollten die relevanten Abwasseranlagen im Einzugsgebiet koordiniert gesteuert werden. Die Steuerung kann durch einen definierten Regelsatz für Befüllung und Entleerung oder allenfalls einen Algorithmus erfolgen. Die Wahl der optimalen Bewirtschaftungsstrategie hängt vom Einzugsgebiet ab, wie Figur 2 zeigt.
Die Bedienung des Fernwirk- und Bewirtschaftungssystems setzt eine zuverlässige Datenübertragung der instrumentierten Aussenbauwerke, eine zentrale Speicherung der hochaufgelösten Daten und motiviertes und fachlich versiertes Personal voraus.

Optimale Ausnutzung der ARA-Kapazität

Die optimale betriebliche Ausnutzung der hydraulischen und biochemischen Kapazität der ARA ist die kosteneffizienteste Massnahme für die Reduktion der Mischabwasserentlastungen bei Regenwetter. Der VSA empfiehlt daher die Nutzung der inneren Reserven der ARA, was unter Umständen eine temporär oder dauerhalft höhere Beschickung (Qmax, ARA > QDim) der ARA ermöglicht. Dies ist beispielsweise aufgrund vorhandener Dimensionierungsreserven, saisonal erhöhter bakterieller Aktivität im Sommer oder situativer Reserven im Zusammenspiel von Nachklärbecken und Biologie möglich. Der VSA legt als verbindlich fest, die ARA jederzeit mit dem maximal zulässigen ARA-Zufluss QDim zu beschicken. Das Ausnutzen der inneren Reserven wird hingegen empfohlen.
Die gesetzlich vorgeschriebenen ARA-Einleitbedingungen müssen jedoch auch bei erhöhter Beschickung gewährleistet werden. Erleichterungen sind möglich, wenn nachgewiesen werden kann, dass dadurch im ARA-Einzugsgebiet die Gesamtmenge der in die Umwelt eingetragenen Schmutzstofffrachten verringert wird.

Funktionskontrolle bei Mischwasserentlastungen

Der VSA empfiehlt die gewässerökologischen Untersuchungen mittels regelmässiger Funktionskontrollen entsprechend Stufe 1 der VSA-Richtlinie «Abwasserbewirtschaftung bei Regenwetter» [2] durchzuführen. Diese sollten gleichzeitig mit den Betriebskontrollen der Entlastungsanlagen durch das Unterhaltspersonal erledigt und dokumentiert werden. Da es keine klaren gesetzlichen Anforderungen an das Gewässermonitoring bei Mischabwasserentlastungen gibt, sollten diese mit Fachleuten der Gewässerökologie und/oder Gewässerchemie abgesprochen werden. Die Beurteilung des Gewässers sollte gemäss GSchV Anhang 2 immissionsbasiert erfolgen. Bewertet wird folglich die Wasserqualität im aufnehmenden Gewässer bei der Einleit­stelle.

Jährliche Auswertung und Reporting der Betriebsdaten

Der VSA definiert in der kommenden Richtlinie [1] Minimalanforderungen an die jährliche Auswertung und das Reporting der hochaufgelösten Betriebsdaten des Gesamtsystems im Jahresbericht. Mögliche grafische Darstellungen, zum Beispiel die Häufigkeitsverteilung im ARA-Zulauf (Fig. 3), sind im Anhang der neuen Richtlinie [1] aufgeführt. Aus dem in Figur 3 gezeigten Histogramm lässt sich ablesen, ob das aktuell eingestellte Qmax, ARA auch den Werten aus dem VGEP (grüne Linie) entspricht und wie häufig entlastet wird, obwohl das Qmax, ARA noch nicht erreicht ist. Die rote Linie zeigt den durchschnittlichen Abfluss zur ARA während Entlastungen.
Die neue VSA-Richtlinie [1] schreibt zudem ein mehrjähriges Reporting bestimmter Betriebsdaten im Jahresbericht vor, um Trends und Handlungsbedarf zu verfolgen und gegebenenfalls die Bewirtschaftung des Gesamtsystems anzupassen.

PRAXISBEISPIELE BEWIRTSCHAFTUNG GESAMTSYSTEM

Um die Wirksamkeit der integralen Bewirtschaftung des Gesamtsystems Kanalnetz - ARA - Gewässer zu veranschaulichen, werden nachfolgend zwei Praxisbeispiele vorgestellt.

Erfolgskontrolle Kanalnetz-Bewirtschaftung - ARA Meilen-Herrliberg-Uetikon am See (ZH)

Die ARA Rorguet reinigt das Abwasser der Zürcher Gemeinden Meilen, Herrliberg und Uetikon am See. Die Instrumentierung der Aussenbauwerke und der ARA nach dem Stand der Technik erlaubt eine dynamische Kanalnetzregelung, die 2019 eingeführt wurde. Ob dadurch der Gewässerschutz verbessert und die Ausnutzung der vorhandenen Speichervolumen nachhaltig optimiert werden konnte, sollte im Rahmen der Erfolgskontrolle überprüft werden.
Ein Nachweis über die optimale Nutzung der vorhandenen Speicher im Entwässerungssystem kann eine Auswertung des Füllgrads der RÜB im ARA-Einzugsgebiet, jeweils zu Beginn der Entlastung des RÜB ARA geben (Fig. 4). Falls aus den Betriebsdaten ersichtlich wird, dass die meisten Becken während der Entlastung des RÜB ARA noch nicht vollständig gefüllt waren, kann das Gesamtsystem unter Berücksichtigung der Gewässersensitivität weiter optimiert werden.
Ein Vergleich der jährlichen Entlastungsdauer der RÜB im Einzugsgebiet der ARA Rorguet zeigt den Effekt der dynamischen Regelung der Becken während je einer Periode vor und nach der dynamischen Kanalnetzregelung (Fig. 5). Es ist zu beachten, dass die beiden Zeiträume meteorologisch nicht identisch waren. So war der Sommer 2021 in der Schweiz sehr regenreich. Trotzdem lässt sich erkennen, dass die hohe Entlastungsdauer bei den RÜB Pfarrgasse, Post und ARA reduziert werden konnte und die vor der dynamischen Kanalnetzregelung zu wenig genutzten Becken nun länger anspringen. Die bestehenden Abwasseranlagen konnten somit durch die Kanalnetzbewirtschaftung auf die Gewässer abgestimmt respektive gleichmässiger genutzt und damit ihrem ursprünglichen Verwendungszweck zugeführt werden.
Die Wirksamkeit der dynamischen Kanalnetzbewirtschaftung im Einzugsgebiet der ARA Rorguet wurde durch eine Erfolgskontrolle nachgewiesen. Die Bewirtschaftung des Gesamtsystems erfordert jedoch eine laufende Überwachung der Entlastungen, Entleerungen und der Auslastung des ARA-Zulaufs sowie periodische Datenauswertungen, Justierungen und Erfolgskontrollen. Zudem sollten zukünftig nicht nur die Messdaten der Entlastungsbauwerke ausgewertet, sondern auch immissionsbasierte Erfolgskontrollen im Gewässer durchgeführt werden.

Erfolgskontrolle Bewirtschaftung Gesamtsystem - ARA Schmittenbach (AG) 

Im Verbandskanalnetz der ARA Schmittenbach (AG) wurde eine dynamische Bewirtschaftung umgesetzt. Sie verfolgt die Ziele, die Entlastungsaktivität der RÜB durch eine Erhöhung der Weiterleitmengen zu reduzieren und die unvermeidbaren Entlastungen im Einzugsgebiet flussabwärts zu verschieben. Weiter wurde eine kontrollierte Entleerung des Gesamtsystems ohne unterliegende Entlastung implementiert. Zusätzlich zu den Optimierungen im Entwässerungssystem wurde die Beschickung der ARA erhöht.
Im Rahmen der Erfolgskontrolle wurden unter anderem die Ammoniumfrachten im Zu- und im Ablauf der ARA Schmittenbach evaluiert (Fig. 6). Durch die Implementierung der regelbasierten Bewirtschaftung des Gesamtsystems konnte die ARA eine deutlich grössere Ammoniumfracht behandeln und die Einleitbedingungen wurden trotz erhöhter Ablauffrachten eingehalten.
Dank der Optimierung der Drosselabflüsse der Sonderbauwerke und der Einführung einer Kanalnetzbewirtschaftung konnte die Entlastungsaktivität der RÜB im ARA-Einzugsgebiet reduziert werden, obwohl die Niederschlagsmenge im Jahr 2020 diejenige im Vergleichsjahr 2015 um 42% übertraf. Die Optimierungen im Entwässerungssystem ermöglichten zudem, auf den im VGEP ursprünglich vorgesehenen Bau eines zusätzlichen Regenbeckens zu verzichten, womit hohe Investitionskosten vermieden werden konnten. Insgesamt konnten zusätzliche 15% der jährlichen NH4-N-Zulauffracht auf der ARA Schmittenbach behandelt werden. Künftig sollen weitere Optimierungen und jährliche Erfolgskontrollen den Gewässerschutz stetig verbessern.

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Die im nächsten Jahr erscheinende VSA-Richtlinie «Bewirtschaftung des Gesamtsystems Kanalnetz – ARA – Gewässer» [1] soll das Silodenken aufbrechen und dazu beitragen, dass alle Abwasseranlagen (Entwässerungssystem und ARA) sowie die aufnehmenden Gewässer als Gesamtsystem verstanden werden. Die sechs in der neuen VSA-Richtlinie definierten Aufgaben zeigen auf, was im Sinne einer integralen Bewirtschaftung zu tun ist.
Die beiden Praxisbeispiele beleuchten, dass die Bewirtschaftung des Gesamtsystems dazu beitragen kann, die bestehende Abwasserinfrastruktur auf die Gewässer abzustimmen bzw. gleichmässiger und damit effektiver auszunützen. Damit können die Entlastungsaktivität der RÜB im ganzen ARA-Einzugsgebiet reduziert und die behandelten Schmutzstofffrachten erhöht werden. Auf diese Weise kann bei Regenwetter der negative Einfluss der Abwasseranlagen auf die aufnehmenden Gewässer vermindert werden. Abschliessend darf festgehalten werden, dass die messtechnische Instrumentierung der relevanten Sonderbauwerke und der ARA das Fundament für die integrale Bewirtschaftung darstellt. Für die tatsächliche Optimierung des Gesamtsystems und Verbesserung des Gewässerschutzes braucht es Datenanalyse, Modellierung, Regelung und Erfolgskontrolle. Auslöser können bestehende Gewässerschutzprobleme, identifiziertes Verbesserungspotenzial, eine VGEP-Überarbeitung, ARA-Zusammenschlüsse, grössere Sanierungen bzw. Neubauten oder Anpassung an den Klimawandel sein. Eine Betriebsoptimierung kann jederzeit angegangen und umgesetzt werden (vgl. Fig. 7).

Bibliographie

[1] VSA (2023): Bewirtschaftung des Gesamtsystems Kanalnetz – ARA - Gewässer. Richtlinie (in Erarbeitung). Glattbrugg
[2] VSA (2019): Abwasserbewirtschaftung bei Regenwetter. Richtlinie. Glattbrugg
[3] Holinger AG (2023): ARA Rorguet – Meilen, Funktionskontrolle Kanalnetzbewirtschaftung. Bericht. Holinger AG
[4] Holinger AG (2021): ARA Schmittenbach – Erfolgskontrolle Kanalnetzbewirtschaftung. Bericht. Holinger AG

Neue VSA-Richtlinie «Bewirtschaftung des Gesamtsystems Kanalnetz – ARA – Gewässer»

 

 

Die von einem Projektteam verfasste Richtlinie war vom 16. Februar bis zum 31. Mai 2023 in Vernehmlassung. Es gingen über 30 Stellungnahmen mit über 400 Einzelvorschlägen ein.
Das Projektteam entschied am 9. August 2023, wie die Einzelvorschläge in die definitive Version eingearbeitet werden (Kenntnisnahme; [teilweise] angenommen; abgelehnt) und begründete diese Entscheide. Dabei fällte es auch folgenden Grundsatzentscheid: Die sechs beschriebenen Aufgaben, welche die Kantone pro ARA-Einzugsgebiet als verbindlich erklären können, werden als Richtlinie publiziert. Die Anhänge, die beschreiben, wie die Aufgaben umgesetzt werden können, werden jedoch nicht als Regelwerk publiziert, sondern als «lebendige» und einfach nachführbare Beispiele auf der VSA-Website aufgeschaltet. Dabei werden auch die Inhalte der Website
www.gire.ch integriert.

Die Richtlinie wird 2024 gleichzeitig mit der Empfehlung «Hydraulische Beurteilung in der Siedlungsentwässerung» und dem «GEP-Leitfaden» publiziert.

e-Paper

«AQUA & GAS» gibt es auch als E-Paper. Abonnenten, SVGW- und/oder VSA-Mitglieder haben Zugang zu allen Ausgaben von A&G.

Den «Wasserspiegel» gibt es auch als E-Paper. Im SVGW-Shop sind sämtliche bisher erschienenen Ausgaben frei zugänglich.

Die «gazette» gibt es auch als E-Paper. Sämtliche bisher erschienen Ausgaben sind frei zugänglich.