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Fachartikel
03. Oktober 2023

SEEWASSERENTNAHME

Vollautomatisiert im Kampf gegen die Quaggamuschel

Seit einigen Jahren kommt sie in immer mehr Schweizer Gewässern vor: die invasive Quaggamuschel. Dort, wo sie sich bereits angesiedelt hat, breitet sie sich in rasantem Tempo aus. Sie bewächst nicht nur den Gewässergrund vielerorts praktisch vollständig, sondern auch die Seewasserentnahmen zur Trinkwassergewinnung oder für Fernwärme/-kälte. Betroffene Versorgungen sind gezwungen, Entnahmekörbe und -leitungen periodisch zu reinigen. Dies ist in der Regel mit einem grossen Aufwand verbunden und verursacht hohe Kosten. Diese zu reduzieren war das Ziel der Entwicklung eines neuen Reinigungssystems am Bielersee.
Hanna Schiff, Andreas Hirt, 

Die Quaggamuschel (Dreissena bugensis) breitet sich seit 2015 in der Schweiz aus. Zu Beginn wurden der Bodensee und der Genfersee besiedelt [1]. Beide Seen weisen inzwischen einen grossfl√§chigen Bewuchs am Seegrund auf mit messbaren Konsequenzen f√ľr die Gew√§sser√∂kologie. Auch die drei Seen des Seelandes sind mittlerweile befallen. Im Bielersee breitet sich die Muschel wahrscheinlich seit 2018 aus. In der Schweiz konzentrieren sich Massnahmen gegen die Muscheln auf kantonaler oder nationaler Ebene aktuell auf den Schutz noch nicht befallener Seen. Eine bereits erfolgte Besiedelung kann nicht mehr r√ľckg√§ngig gemacht werden und es bleibt zu hoffen, dass sich ein √∂kologisches Gleichgewicht einstellt, das neben der dominanten Quaggamuschel genug Raum f√ľr einheimische Arten l√§sst.

KONVENTIONELLE TECHNISCHE L√ĖSUNGEN GEGEN MUSCHELBEWUCHS

Auf technischer Seite gilt es, den Schaden durch die Quaggamuschel m√∂glichst zu minimieren, indem die Muschel am Aufwachsen gehindert oder der Bewuchs entfernt wird. Dies erfolgt entweder durch Einsatz von chemischen oder biologischen Mitteln oder durch die mechanische Reinigung der betroffenen Anlagenteile sowie durch den Schutz von Infrastrukturen durch intelligente Anlagenkonstruktion. Seewasserentnahmen zur Trinkwasserproduktion werden konventionell entweder chemisch vor der Besiedelung gesch√ľtzt, und zwar durch die kontinuierliche oder periodische Dosierung von Chlorverbindungen ins Rohwasser, oder aber mechanisch gereinigt.

Die mechanische Reinigung von Rohrleitungen erfolgt dabei √ľber das Durchstossen eines oder mehrerer Kunststoffzapfen (¬ęMolch¬Ľ genannt), der einen geringf√ľgig gr√∂sseren Durchmesser als die Rohrleitung aufweist und beim Durchfahren der Leitung die Muscheln durch Abrieb entfernt. Dieser Molch wird werkseitig in die Rohrleitung eingebracht und dann mit Wasserdruck hinaus Richtung See gepumpt.

K√ľnftig wird die Dosierung von Chlor zum Rohwasser von Seiten der zust√§ndigen kantonalen Beh√∂rden teilweise nicht mehr bewilligt. Auf der deutschen Seite des Bodensees ist dieses Vorgehen schon heute g√§nzlich unzul√§ssig. Aus diesem Grund gewinnen mechanische Reinigungssysteme an Bedeutung. Diese erfordern jedoch meist den Einsatz von Booten und/oder Tauchern und Taucherinnen bzw. Tauchrobotern und sind entsprechend kostenintensiv.¬†Auch k√∂nnen mechanische Reinigungssysteme nicht in jedem Werk installiert werden, da zur Einf√ľhrung des Molches in die Rohrleitung eine entsprechende Schleuse vorhanden sein muss. Ausserdem darf die Entnahmeleitung weder Klappen noch B√∂gen mit engem Radius aufweisen. Guss- oder Stahlleitungen, die durch eine Bitumen-, Zement- oder Kunststoffschicht vor Korrosion gesch√ľtzt werden, laufen Gefahr - je nach Situation und eingesetztem Molch bzw. Reinigungsger√§t -, dass der Korrosionsschutz durch die Reinigung besch√§digt wird. Faserverst√§rkte Kunststoffleitungen k√∂nnen durch die mechanische Einwirkung unerw√ľnschte Fasern freisetzen. Eine Inspektion der Rohrleitungen durch Tauchroboter kann hier Gewissheit verschaffen.

Die Entnahmek√∂rbe (Seiher) von Rohwasserleitungen haben in der Regel einen gr√∂sseren Durchmesser als die Rohrleitungen. Dadurch str√∂mt das Wasser im Seiher am Molch vorbei, weshalb der Seiher innen nicht durch den Molch gereinigt werden kann. F√ľr die Rohrleitungsreinigung m√ľssen sie meist entfernt werden. Bei der Entfernung des Seihers kann dieser auf einem Boot oder an Land innen und aussen gereinigt werden. Alternativ gibt es Reinigungsroboter, die den Entnahmekorb auf der Aussenseite unter Wasser reinigen k√∂nnen.

Da diese Reinigungsmassnahmen zeitlich und finanziell einen grossen Aufwand bedeuten, werden sie nur so selten wie möglich angewendet, also meist zu einem Zeitpunkt, an dem sich bereits ein deutlicher Muschelbewuchs etabliert hat.
Je nach Länge und Durchmesser der Leitung sowie in Abhängigkeit der Stärke des Bewuchses fällt bei einer mechanischen Reinigung eine entsprechend grosse Menge an sogenanntem Molchgut an. Als Molchgut bezeichnet man Sedimente und Ablagerungen in der Rohrleitung sowie die bei der Reinigung entfernten Muscheln, die vom Werk aus Richtung See geschoben werden. Dieses wird in den See ausgebracht und gegebenenfalls auf dem Seegrund verteilt. Dies ist potenziell ökologisch bedenklich und benötigt daher eine Genehmigung der zuständigen Behörden.

DAS ROHRREINIGUNGSKONZEPT DES ESB

Der ESB versorgt die beiden Gemeinden Biel und Nidau mit Trinkwasser und realisiert am Bielersee ein neues Seewasserwerk, wobei es sich um eine Totalerneuerung des bestehenden Werks am selben Ort handelt. Das neue Werk ist ausgelegt auf eine durchschnittliche Produktion von ca. 21 000 000 Litern Trinkwasser pro Tag. Zum Projekt zugeh√∂rig sind zwei neue Rohwasserleitungen DN700 √† je 750 m L√§nge, die im Winter 2022/23 im See verlegt wurden. Die Rohwasserentnahme befindet sich in ca. 38 m Tiefe. Ziel der √úberlegungen und Konstruktionen des ESB war es, ein Reinigungssystem zu entwickeln, das vollautomatisch funktioniert und so den Einsatz von Booten und Taucherinnen und Tauchern vermeidet, um die Betriebskosten zu reduzieren. Zudem sind Taucheins√§tze mit Risiken verbunden und jeder Einsatz,¬†der vermieden werden kann, ist ein Zugewinn an Sicherheit f√ľr den Betrieb.

Als Grundlage f√ľr die Entwicklung des Reinigungssystems wurden folgende √úberlegungen getroffen, die sich von konventionellen Rohrreinigungssystemen unterscheiden:

  • Bidirektionale Reinigung: Eine Reinigung in beide Richtungen vermeidet das Bergen des Reinigungsger√§tes respektive Molches im See und spart so das Abnehmen des Seihers sowie den Einsatz von Booten mit Tauchrobotern oder Taucherinnen und Tauchern. Das Reinigungsger√§t wird zuerst vom Werk in Richtung Entnahmekorb und dann wieder zur√ľckgepumpt.
  • H√§ufige Reinigung: Quaggamuschellarven setzen sich im Alter von ca. vier Wochen ab und beginnen, eine Schale auszubilden. Eine h√§ufige Reinigung (einmal pro Monat) erm√∂glicht das Entfernen der Larven, bevor sie zu Muscheln werden. Dies erleichtert einerseits die Reinigung, da weniger Widerstand durch anhaftende adulte Muscheln auftritt, und verhindert andererseits das Anfallen grosser Mengen Muschelguts.
  • Reinigung im Larvenstadium: Die Larven haben noch keine Muschelschale ausgebildet, weshalb das Entfernen der Larven gegen√ľber dem Entfernen adulter Muscheln die Belastung der Rohrinnenwand durch Abrieb reduziert.
  • Automatisierung: Eine vollst√§ndige Automatisierung reduziert den Arbeitsaufwand auf Seiten des Betriebs und erm√∂glicht eine Reinigung zu Randzeiten oder nachts.
  • Witterungsunabh√§ngigkeit: Der geplante Verzicht auf Tauchg√§nge und Bootseins√§tze erm√∂glicht eine Reinigung unabh√§ngig jeder Witterung und unabh√§ngig von der Sichtweite unter Wasser.
  • Reduzierte TCO: H√∂here Investitionskosten werden durch geringere Betriebskosten aufgewogen und reduzieren so die Gesamtkosten (total cost of ownership, TCO).
  • Vollst√§ndige Reinigung: Das System umfasst ebenfalls die vollautomatische Reinigung des Entnahmekorbes innen und aussen, wodurch zus√§tzlicher Reinigungsaufwand f√ľr den Entnahmekorb entf√§llt.

 

KOMPONENTEN DER SEEWASSERENTNAHME

Im Folgenden werden die einzelnen Komponenten des Reinigungskonzepts vorgestellt.

Die Rohwasserleitungen f√ľr das neue Seewasserwerk IPSACH

Aufgrund der geplant häufigen Reinigungen wurde ein Material gesucht, das möglichst widerstandsfähig gegen Abrieb und zudem formbeständig ist. Edelstahl kam aufgrund der hohen Materialkosten und der teilweise zu geringen Masshaltigkeit nicht in Frage. Stahl wurde wegen der vorgängig genannten Problematik der abriebsensiblen Korrosionsschutzbeschichtung ausgeschlossen. Schliesslich fiel die Wahl auf Polyethylen hoher Dichte (HDPE), das keinen Korrosionsschutz benötigt und ausreichend präzise gefertigt und geschweisst werden kann.

Es wurden Rohrst√ľcke von 12 m L√§nge produziert und per Spiegelschweissung aneinandergef√ľgt. Die Rohrleitung wurde im Zihlkanal zwischen dem Bielersee und dem Neuenburgersee bis zur Fertigstellung zwischengelagert. Die Dichte von HDPE entspricht in etwa der von Wasser, weshalb die Leitung durch Betonelemente beschwert werden muss. Diese Ballastelemente mit einem Gewicht von 1,3 Tonnen wurden alle 5 m an die Leitung angebracht (Fig. 1). Danach wurde die Leitung zum Werk transportiert, sukzessive geflutet und versenkt.

Jede Leitung verf√ľgt √ľber einen separaten Entnahmekorb und kann so unabh√§ngig f√ľr die Versorgung des Werks mit Rohwasser eingesetzt werden. So kann das Werk Trinkwasser produzieren, selbst wenn eine der beiden Leitungen gerade gereinigt wird.¬†Neben den Rohwasserleitungen werden zwei weitere HDPE-Leitungen in den See hinausgef√ľhrt: die R√ľckf√ľhrleitung f√ľr das Zur√ľckpumpen des Reinigungsger√§tes (s. u.) und ein Futterrohr zum Schutz der Hydraulikleitungen zum Aus- und¬†Einfahren des Seihers sowie die Signalkabel f√ľr die Magnetsensoren zur Positionsbestimmung des Reinigungsger√§ts. Die beiden Begleitleitungen werden ebenfalls von den Ballastelementen umfasst, beschwert und an Ort und Stelle gehalten.

Das Reinigungsgerät

Das Reinigungsger√§t wurde von der Firma Reinhart Hydrocleaning SA eigens f√ľr den ESB entwickelt (Fig. 2). Teile davon wurden patentiert. Das Ger√§t ist auf die bidirektionale und h√§ufige Reinigung hin optimiert. Die Reinigung l√§uft in den beiden Richtungen unterschiedlich ab: Auf dem Weg in den See hinaus wird das Ger√§t mit einem h√∂heren Durchfluss nach aussen gepumpt. Eine speziell angefertigte Platte am Kopfteil des Ger√§ts l√§sst einen Teil des Wassers so passieren, dass ein sogenannter Hydrojet entsteht, also Wasserstrahlen, die den gel√∂sten Schmutz aus der Leitung vor dem Ger√§t hertreiben, um einen Stau des aus der Leitung abgel√∂sten Materials vor dem Ger√§t zu vermeiden. Bei der R√ľckfahrt werden die √Ėffnungen in der Kopfplatte durch R√ľckschlagventile verschlossen und das Ger√§t kann mit weniger Durchfluss vom See zur√ľck ins Werk gestossen werden. Das Ger√§t besteht aus zw√∂lf speziell angefertigten Reifen, die sich im Durchmesser leicht unterscheiden, um den Reibungswiderstand in der Rohrleitung optimal anzupassen. Die Reifen wurden von der Firma Reinhart Hydrocleaning SA patentiert. Das Ger√§t ist etwa 2 m lang und hat ein Gewicht von etwa 1,5 Tonnen.

Am Reinigungsger√§t sind Magneten befestigt, mit deren Hilfe die Position im Rohr an bestimmten Stellen durch Sensoren erfasst werden kann. So l√§sst sich die Geschwindigkeit des Ger√§ts in der Leitung einsch√§tzen und die Ankunft im Seiher bzw. auf dem R√ľckweg im Werk antipizieren.

Die Startschleuse

Um das Reinigungsger√§t in die Rohrleitung einzuf√ľhren, ben√∂tigt es eine Startschleuse, die druckfest verschlossen werden kann und von der aus der Druck aufgebaut wird, durch den sich das Ger√§t vorw√§rtsbewegt. Das Ger√§t wird in ein Transportrohr (in Figur 3 gelb dargestellt) eingef√ľhrt und dann mitsamt dem Transportrohr in die Startschleuse geschoben. Das Transportrohr erleichtert den Transport im Werk und in die Schleuse und sch√ľtzt das Ger√§t vor mechanischen Beanspruchungen ausserhalb der Schleuse bzw. der Leitung. Zudem hat das Transportrohr eine integrale hydraulische Funktion beim Start sowie beim gebremsten Einlauf des Reinigungsger√§tes aus bzw. in die Schleuse.

Die Startschleuse hat einen gr√∂sseren Durchmesser als die Rohrleitung, so dass das Reinigungsger√§t samt Transportrohr hineinpasst. Bei der Reinigungsfahrt sorgt der dann angesetzte Druck daf√ľr, dass das Ger√§t aus dem Transportrohr hinaus- und in die Leitung hineingeschoben wird. Bei der Reinigungsfahrt in Richtung See liegen etwa 2 bar Druck an, mit Spitzen zwischen 4 und 5 bar. Der Durchfluss betr√§gt bis zu 1200 m3/h. Bei der R√ľckfahrt schwankt der Druck zwischen 2 und 3 bar, der Durchfluss ist jedoch geringer mit
ca. 300 m3/h.

Der Entnahmekorb (SEIHER)

Zur Seewasserentnahme f√ľr die Trinkwassergewinnung oder zur Nutzung von Fernw√§rme/-k√§lte kommen im See sogenannte Seiher zum Einsatz. Diese Entnahmek√∂rbe am seeseitigen Ende der Entnahmeleitung einer Anlage verhindern, dass Fische und andere Lebewesen, aber auch Treibgut in die Leitung gelangen. Seiher weisen normalerweise einen etwas gr√∂sseren Durchmesser¬†als die Rohwasserleitung auf. Ihre Oberfl√§che ist von schlitzf√∂rmige √Ėffnungen durchzogen, durch die das Wasser eindringen kann. Konventionelle Seiher k√∂nnen nicht gemeinsam mit der Leitung durch Reinigungsger√§te ges√§ubert werden, weil einerseits der Durchmesser von dem der Leitung abweicht und andererseits der Schlupf des Wassers durch die √Ėffnungen ein Vorantreiben des Ger√§ts in den Seiher unm√∂glich macht.

Das Ziel des ESB war, alle Komponenten der Rohwasserentnahme vollautomatisch reinigen zu k√∂nnen. Der Seiher ist eine patentgesch√ľtzte Entwicklung des ESB und wurde in Zusammenarbeit mit dem Konstruktionsb√ľro Hersche entwickelt. Er weist folgende Besonderheiten auf
(Fig. 4 und 5):

  • Durchmesser gleich der Leitung: Der Durchmesser des Seihers gleicht dem der Leitung. Dadurch kann er vom Reinigungsger√§t befahren und innen gereinigt werden.
  • Wasserhydraulik: Der Seiher kann durch Wasserhydraulik aus- und eingefahren werden. Beim Aus- und Einfahren wird er durch Abstreifringe am Rand des F√ľhrungsrohrs von aussen gereinigt.
  • Schutz vor √úberdruck: Ein spezifisch entwickeltes √úberdruckventil sch√ľtzt die Infrastruktur vor zu hohen positiven Dr√ľcken (Wasserschl√§gen).
  • Schutz vor Unterdruck: Eine Unterdruckklappe sch√ľtzt die Struktur vor potenziell entstehenden Unterdr√ľcken beim Zur√ľckfahren des Ger√§ts (Schutz vor Implosion).
  • Revision m√∂glich: Der aktive, bewegliche Teil des Seihers kann einfach abmontiert und gewechselt werden, falls Revisionsarbeiten n√∂tig sind.
  • Not√∂ffnung: Der Deckel des Seihers dient als Not√∂ffnung f√ľr den Servicefall und ist selbstverschliessend. Im Normalbetrieb ist der Deckel stets geschlossen.
  • Wenig Molchgut: Da Rohrleitung und Seiher h√§ufig (ca. einmal pro Monat) gereinigt werden, fallen nur geringe Mengen an Gut an, das durch das Reinigungsger√§t in Richtung See geschoben werden muss. Das Gut kann daher durch die Schlitze im Filterrohr hinausbef√∂rdert werden.
  • Reinigung R√ľckf√ľhrleitung: Das Reinigungsger√§t wird √ľber eine separate R√ľckf√ľhrleitung (DN250) zur√ľckgestossen. Die R√ľckf√ľhrleitung wird¬†nach abgeschlossener Reinigung mit Reinstwasser (Umkehrosmosepermeat) ausgestossen. Dieses ist frei von N√§hrstoffen sowie Kalk und weist einen sauren pH-Wert auf. Durch diese Eigenschaften wird ein Wachstum der Muscheln in der R√ľckf√ľhrleitung verhindert.
  • Hydraulische Bremse: Hydraulische Massnahmen bremsen das Reinigungsger√§t bei der Einfahrt ab und entlasten die 750 m lange Wassers√§ule in der Leitung.
  • Optimierte Konstruktion: Das Filterrohr ist bez√ľglich Geometrie, Masshaltigkeit und Material sowohl auf den Betrieb als auch auf die Reinigung optimiert.

 

Die beiden Seiherhalterungen wurden im Mai 2023 im Bielersee versenkt und mit den Rohwasserleitungen verbunden (Fig. 6). Die beiden Filterrohre werden kurz vor Inbetriebnahme der neuen Rohrleitungen Anfang 2025 versenkt und angeschlossen.

Leitungsinspektion

Das Untergeschoss des Werks liegt tiefer als der Seespiegel. F√ľr einfache Leitungsinspektionen kann ein Adapter an die Startschleuse angeschlossen werden, der einen Freispiegelzugriff erlaubt. Ein Tauchroboter kann aus dem Werk die gesamte Leitung inspizieren, ohne dass Boote und/oder Taucher eingesetzt werden m√ľssen oder der Entnahmekorb f√ľr eine Inspektion ge√∂ffnet oder entfernt werden muss.

VORG√ĄNGIGE PILOTVERSUCHE IN COURROUX

Um die Neuentwicklungen (Seiher, Schleuse, Transportrohr und Reinigungsger√§t) vorab zu testen, wurde eine Pilotstrecke im Massstab 1:1 auf dem Gel√§nde der Firma Reinhart Hydrocleaning SA in Courroux aufgebaut (Fig. 7). Rohrleitungsb√∂gen, eine Startschleuse, ein Transportrohr, das Reinigungsger√§t sowie einer der Seiher wurden vor Ort getestet. Das Ger√§t wurde erfolgreich mehrfach in beide Richtungen durch die Leitung transportiert. Die Versuche fanden im Sommer/Herbst 2022 unter verschiedenen Witterungs- und Temperaturbedingungen statt und lieferten Daten zum n√∂tigen Druck und Durchfluss f√ľr die Fahrt des Reinigungsger√§ts. Ausserdem wurde die Funktionalit√§t der √úberdruckklappe und die Positionsmessungen √ľber die Magnetsensoren getestet.

Mit Ausnahme der nachfolgend aufgef√ľhrten Punkte konnte die Funktionalit√§t des Konzeptes und der Anlageteile erfolgreich getestet werden:

  • Die getestete Rohrleitungsl√§nge betrug nur ca. 40 m statt wie sp√§ter im See 750 m.
  • Der Druck von bis zu 40 m Wassers√§ule auf der Leitung und dem Seiher konnte an Land nicht getestet werden (Unterdrucksituation).
  • Auf der Versuchsanlage an Land standen mehr Magnetsensoren zur Verf√ľgung als sp√§ter im See.


Trotz dieser Limitierungen kann davon ausgegangen werden, dass sich das Reinigungsgerät mit ähnlichen wie den während der Versuche gemessenen Parametern durch die Leitung transportieren lässt.

Fazit

Die Quaggamuschel ist gekommen, um zu bleiben. Ihre Ausbreitung hat weitreichende gew√§sser√∂kologische Konsequenzen. Daneben stellt sie Betreibende von Seeentnahmeinfrastrukturen vor Herausforderungen. Kreative L√∂sungen sind gefragt, um technische Anlagen zu sch√ľtzen und den Ressourcenaufwand f√ľr Reinigungsarbeiten im √ľberschaubaren Rahmen zu halten. Der ESB hat mit der beschriebenen Entwicklung einen vollautomatischen Ansatz verfolgt, der darauf abzielt, den Einsatz von Taucherinnen und Tauchern, Booten und Betriebspersonal zu reduzieren. Die ersten Reinigungsvorg√§nge sind f√ľr die Zeit nach der Inbetriebnahme der beiden neuen Rohwasserleitungen zu Beginn 2025 geplant.

Bibliographie

[1] Haltiner, L. et al. (2022): The distribution and spread of quagga mussels in perialpine lakes north of the Alps. Aquatic Invasions 17(2): 153‚Äď173. https://doi.org/10.3391/ai.2022.17.2.02

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