Forschung und Lehre – unsere Themen von Morgen

Im September 2021 wurde das Merkblatt DWA-M 285-2 zur „Spurenstoffentfernung auf kommunalen Klär-anlagen – Teil 2: Einsatz von Aktivkohle – Verfahrensgrundsätze und Bemessung“ veröffentlicht. Dieses Merkblatt beschreibt den aktuellen Stand der Technik für Verfahren zur Spurenstoffentfernung mit Pulveraktivkohle (PAK) sowie granulierter Aktivkohle (GAK) und enthält Angaben zur Auslegung dieser Verfahrensvarianten. Ziel der Bachelorarbeit ist es, eine Bemessungsvorlage auf Basis des aktuellen Stands der Technik zu erarbeiten und anzuwenden sowie ggfs. Unterschiede zu bisherigen Bemessungs- und Handlungsempfehlungen aufzuzeigen.

Zur Ermittlung der für die 4. Reinigungsstufe bemessungsrelevanten Wassermenge wird ein Vergleich zwischen den Auswertemethoden nach KOM-M.NRW und KOMS-BW durchgeführt. Hierzu werden von aquadrat Betriebsdaten (Abwassermengen) mehrerer Kläranlagen anonymisiert zur Verfügung gestellt. Sowohl für die bemessungsrelevanten Abwassermengen als auch für die untersuchten Verfahren werden spezifische Kenngrößen abgeleitet und deren Übertragbarkeit betrachtet. In einer abschließenden Bewertung werden verfahrenstechnische und wirtschaftliche Aspekte aufzuführen.

Die Stadtwerke Weiterstadt betreiben die beiden Kläranlagen in Weiterstadt und in Gräfenhausen. Auf beiden Kläranlagen werden die anaerob bzw. aerob stabilisierten Schlämme über Zentrifugen entwässert und getrennt zur thermischen Verwertung transportiert.

In dem zu untersuchenden gemeinsamen Klärschlammkonzept für beide Kläranlagen geht es v.a. um die gemeinsame anaerobe Stabilisierung der Schlämme auf der Kläranlage Weiterstadt, um auch den Schlamm der Kläranlage Gräfenhausen energetisch nutzen zu können. Ziel der Masterarbeit ist es, mögliche Varianten für ein gemeinsames Klärschlammkonzept zu untersuchen und mit der aktuellen Vorgehensweise zu vergleichen. Der Vergleich soll neben der Wirtschaftlichkeit insbesondere auch die betrieblichen Belange betrachten.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Anwendung eines 2D-Oberflächenmodells und hat im Wesentlichen die Darstellung der Sensitivität zahlreicher Parameter des Oberflächenmodells zum Ziel.

Mit Hilfe des Berechnungsmoduls GeoCPM aus dem Softwarepaket ++SYSTEMS der tandler.com Gesellschaft für Umweltinformatik mbH wird darauf abgezielt, anhand eines Testeinzugsgebietes bessere Erkenntnisse hinsichtlich einer sinnvollen Parametrierung von Oberflächenmodellen zu gewinnen. Neben den Erläuterungen zu theoretischen Hintergründen von 2D-Oberflächenmodellen und einigen technischen Regelungen wurde im Rahmen der Arbeit auch eine Ortsbegehung im Testeinzugsgebiet durchgeführt, auf Grundlage derer die Einarbeitung eines Gewässerschlauches im Gebiet durchgeführt und die Aufnahme hydraulisch relevanter Oberflächenstrukturen ermöglicht wurde. Im Rahmen der sich auf diese Grundlagen stützenden Sensitivitätsanalysen wurden verschiedene Parameter und Ansätze, wie Rauheit, Versickerung, Gitter-Detaillierungsgrad im digitalen Geländemodell, Nutzung von Bruchkanten und die Berücksichtigung des „Schluckvermögens“ der Kanalisation untersucht und dargestellt.

Die Arbeit befasst sich mit der Hydraulik des Abwassernetzes der Waldstadt der Gemeinde Kleinostheim, welche im Trennsystem betrieben wird.  Eines der Ziele ist es herauszufinden, ob und wenn ja, in welchem Umfang ein Über- oder Rückstau in den Schächten und eine damit verbundene Überflutung der Straße stattfindet.

Der Leistungsnachweis und die Simulation der Kanalisation erfolgt mit dem Programm STANET des Ingenieurbüros Fischer-Uhrig aus Berlin. Die Kanalstammdaten liegen in Form einer von der Gemeinde Kleinostheim zur Verfügung gestellten .dwg-Datei inklusive Flurkarte vor, woraus ein graphisch basierter Import nach STANET realisiert wurde. Die Lage und Größe der Einzugsflächen, Haltungen und Schächte basieren ausschließlich auf den Daten der übergebenen .dwg-Datei. Die Angaben zu Durchmesser und Länge der Haltungen wurden vor Ort auf ihre Richtigkeit überprüft.

Für die Abfluss-Simulation wurde einerseits ein Modellregen, erzeugt aus den KOSTRA-Starkregen-Daten und anderseits eine Langzeitsimulation mit realen Regendaten der Stadt Kaiserslautern, verwendet. Auch der Einfluss von unterschiedlich gewählten Netzparametern, wie der pauschale oder individuelle Ansatz der betrieblichen Rauheit wurde betrachtet. Die betriebliche Rauheit ist maßgebend für die Höhe der Strömungswiderstände und Energiehöhenverluste im Kanalnetz.

Im Zuge einer umfangreichen grabenlosen Sanierung der Kanalisation mittels Schlauchliner-Technik, die im Sommer 2020 stattfand, wurde anschließend eine erneute Betrachtung der Netzhydraulik durchgeführt. Es wurde ermittelt, ob die Dimensionsverringerung der Kanäle durch den Einbau der Schlauchliner einen nennenswerten Einfluss auf die Hydraulik des Abwassernetzes hat.

Im Mittelpunkt der europäischen Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) steht unter anderem das Ziel, einen guten ökologischen und chemischen Zustand der Gewässer zu erreichen. Um im Zuge der Maßnahmenumsetzung der WRRL die Qualität des Vorfluters zu verbessern, werden in Gewässerbewirtschaftungsplänen in Hessen bisher eine Ablaufreduktion von Phosphor fokussiert. Bei Betrachtung der Orientierungswerte der allgemeinen chemisch-physikalischen Parameter in Wasserkörpern zeigt sich, dass nicht nur für Phosphor, sondern auch für den Parameter Stickstoff (Ammonium und Nitrit) potenzieller Maßnahmenbedarf besteht. Es ist davon auszugehen, dass zukünftig auch die Grenzwerte hinsichtlich der Stickstoffelimination weiter verschärft werden.

Im Rahmen dieser Arbeit soll unter anderem Betriebsdaten von Kläranlagen hinsichtlich der Ammonium-Ablaufkonzentrationen ausgewertet sowie ergänzenden praktische Untersuchungen durchgeführt werden, um mögliche betriebliche Optionen oder nachgeschaltete Verfahren zur weiteren Reduzierung der Ammonium-Ablaufwerte zu diskutieren und zu bewerten.

Voraussetzung für eine sachgemäße Berechnung der Belüftungseinrichtung ist die Ermittlung einer aktuellen Dimensionierungsgrundlage. Belüftungseinrichtungen werden auf die erforderliche Sauerstoffzufuhr (SOTR) und den erforderlichen Luftvolumenstrom (Q_L) nach dem DWA-Merkblatt 229-1 (2017) ausgelegt. Zur Berechnung dieser beiden Parameter ist wiederum der Sauerstoffverbrauch (OV) Voraussetzung, der nach dem DWA-Arbeitsblatt 131 (2016) für unterschiedliche Lastfälle zu bemessen ist.

Im Jahr 2016 ist das DWA-Arbeitsblatt 131 mit zwei wesentlichen Änderungen zur Vorgängerversion neu erschienen. Der Bemessungsansatz bezieht sich seitdem auf den Leitparameter CSB und seine gelöste, partikuläre sowie abbaubare und nicht-abbaubare Fraktionen und nicht mehr auf den Leitparameter BSB₅. Zudem ist der Stickstoff-Stoßfaktor messtechnisch zu ermitteln.

Im Zuge der Masterarbeit werden die Betriebsdaten der zurückliegenden Jahre ausgewertet und ein zweiwöchiges Sondermessprogramm aufgestellt, durchgeführt und ausgewertet. Es soll gezielt die CSB-Bilanz, der Stoßfaktor für die Stickstoffelimination sowie die Eliminationsleistung der Vorklärung untersucht werden. Ziel ist es in Kombination aus den Betriebsdaten und dem Sondermessprogramm die bemessungsrelevanten Frachten zu ermitteln, die Dimensionierungsgrundlage zu definieren sowie die Belüftungseinrichtung für die Kläranlage zu dimensionieren.

Zur hydraulischen Bemessung von Wasserverteilungsnetzen wird der zugrunde zu legende Wasserbedarf anhand von statistisch ermittelten Spitzenfaktoren bestimmt, welche im DVGW Arbeitsblatt W410 definiert sind. Diese Faktoren werden in Abhängigkeit der Einwohnerzahl sowie des Verbrauchsverhaltens abgeleitet und sollen siedlungsstrukturelle Eigenschaften widerspiegeln. Der Ansatz lässt allerdings externe Faktoren wie klimatische, demographische und infrastrukturelle Aspekte mit maßgeblichem Einfluss auf das Verbrauchsverhalten außen vor. Es herrscht eine Diskrepanz zwischen bemessungsrelevanten Lastfällen in Rohrnetzmodellen und tatsächlich auftretendem Verbrauch.

Die Arbeit verfolgt das Ziel, standardmäßig erhobene Daten eines Wasserversorgers sowie frei verfügbare Daten mit Bezug zum Wasserverbrauch zu analysieren und eine gebietsspezifische Prognose zu erstellen. Die Daten sollen genutzt werden, um dem Wasserversorger eine plausible Handlungsgrundlage für kurz- und langfristige Entscheidungen zu geben. Es soll geprüft werden, welche Aussagen mithilfe dieser limitierten Datenlage über den Wasserbedarf getroffen werden können und ob sich daraus spezifische Prognosen mit belastbarer Aussagekraft ableiten lassen. Dazu werden zunächst Grundlagen zur Zusammensetzung des Wasserbedarfs und der Einflussfaktoren ermittelt. Darauf aufbauend werden die theoretischen Hintergründe zu verschiedenen Prognoseverfahren erläutert und im Hinblick auf den Prognosehorizont eingeordnet. Die vorliegenden Rohdaten werden aufbereitet und miteinander verschnitten. Anhand eines ausgewählten Untersuchungsgebietes werden die definierten Einflussfaktoren hinsichtlich Stärke und Wirkrichtung auf den Wasserbedarf bewertet und bilden damit die Grundlage für die Bedarfsprognosen. Es wird die langfristige Bedarfsentwicklung sowie Modelle zur Tages- und Monatsprognose erarbeitet und bewertet.

Die Diskussion über eine bestmögliche Netzstruktur von Infrastrukturnetzen im Rahmen der Indstandhaltungs- und Rehabilitationsstrategien und die damit einhergehenden Potentiale für eine Kostenminimierung wird seit mehreren Jahren geführt. Dabei werden oftmals Erdgas- und Wasserversorgungsnetze gemeinsam erwähnt, da für diese Netze gleichermaßen eine intelligente Leitungsführung sowie die Wahl eines passenden Leitungsdurchmessers ausschlaggebend sind. Nur so können Netzlänge und Netzvolumen bei Erfüllen der Versorgungsaufgabe und somit auch die Kosten für Netzrehabilitationen und -betrieb minimiert werden.

Im Rahmen der Abschlussarbeit wird anhand eines realen Wasserversorgungsnetzes eine Zielnetzplanung in Bezug auf eine Trassen- und Nennweitenoptimierung sowie für eine optimierte Standortwahl von Hydranten und Absperreinrichtungen möglichst weitgehend softwaregestützt durchgeführt. Die ermittelten Ergebnisse der Software werden einer ingenieurmäßigen Planung gegenübergestellt und bewertet.

Die Modellierung von Versorgungssystemen z.B. für die Medien Wasser, Gas oder Fernwärme ist heutzutage Stand der Technik. Durch beispielsweise schnell schließende Sicherheitsventile oder das An- oder Abschalten einer Pumpe (bspw. bei Stromausfall) können transiente Zustände im Netz in Form von Druckschwingungen entstehen, die mitunter erhebliche Schäden an Rohrleitungen, Armaturen und Einbauten verursachen können. Dieses als Druckstoß bezeichnete instationäre Phänomen ist Gegenstand der Untersuchungen.

Das Interesse an detaillierten·Analysen des Druckstoß-Phänomens·in Versorgungsnetzen hat mit den verbesserten Möglichkeiten der EDV und mit zunehmender Rechenleistung in den letzten Jahren stark zugenommen. Insbesondere erhöhte Anforderungen an die Versorgungssicherheit zwingen viele Versorger, sich detaillierte Kenntnisse über Ihre Netze anzueignen und potenzielle Störgrößen zu beseitigen. Auch dies führt dazu, dass Netze vertieft analysiert und Druckstoßanalysen im Rahmen der Betrachtung von Havarieszenarien durchgeführt werden. Aber auch Probleme mit Druckstößen im täglichen Betrieb sind oftmals Gegenstand von Analysen.

Im Rahmen des BMBF-Forschungsvorhabens „HypoWave“ zur Wasserwiederverwendung in der Landwirtschaft wird ein hydropanisches System zur Pflanzenproduktion untersucht. Ein Schwerpunkt dieses Projektes ist die Betrachtung der Wasserwiederverwendung Inform von Fallstudien u.a. ist eine dieser Untersuchungsregionen das Hessische Ried. In Anlehnung an den Ansatz der Pilotierungsanlage des Forschungsvorhabens, welche mithilfe verschiedener abwassertechnischer Komponenten Bewässerungswasser erzeugen soll, wird in der Masterarbeit ein verfahrenstechnisches Konzept zur Abwasser(teilstrom-)behandlung für die Kläranlage Griesheim (50.000 EW) entwickelt.

Diese Arbeit untersucht, wie Stickstoffemissionen in die Gewässer durch kommunale Kläranlagen weiter verringert werden können und blickt dabei besonders auf die geforderten Qualitätsverbesserungen durch die Wasserrahmenrichtlinie. Die Anforderungen an die Einleitung von behandeltem Abwasser werden steigen und neben dem Einsatz neuer Technologien wird die Optimierung bestehender Anlagen eine bedeutende Rolle spielen.

Mit Hilfe der dynamischen Simulation können Auswirkungen von Umbauten oder betriebliche Veränderungen vorhergesagt werden und eine Umplanung der Kläranlagen kann zielgerichtet erfolgen. Die dynamische Simulation bietet vor allem die Möglichkeit, ein realitätsnahes Bild der ablaufenden Behandlungsprozesse im Vergleich zu statistischen Berechnungen zu erstellen.

In Abhängigkeit der jeweils auf einer Kläranlage vorhandenen Verfahrenstechnik und in Kombination mit den anstehenden hohen Anforderungen an den Parameter Phosphor ist v.a. in Hessen eine Erweiterung der Kläranlagen i.d.R. durch eine Flockungsfiltration zu erwarten. Im Rahmen der Masterarbeit werden Voraussetzungen, Randbedingungen und Grenzen der Flockungsfiltration erarbeitet und anhand von Betriebsdaten verschiedener Kläranlagen verifiziert.

Die auf dem Markt verfügbaren Verfahren zur Flockungsfiltration werden an einem konkreten Beispiel vordimensioniert und verglichen. U.a. werden vereinfachte Verfahrensfließbilder dargestellt und ein Komponentenkatalog für die erforderliche Maschinen- und Messtechnik zusammengestellt. Neben den technischen Kriterien wird auch die Wirtschaftlichkeit auf Basis von Jahreskosten betrachtet.

Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer zustandsorientierten Rehabilitationsstrategie und der Umsetzung mit Hilfe der Brownfield-Optimierung, welche die Einbeziehung vieler unterschiedlicher Gesichtspunkte erfordert. Das Rehabilitationstool Brownfield-Optimierung wird im Zuge dieser Arbeit untersucht, Programmfehler identifiziert und weiterentwickelt. Die 2015 aktuelle Version unterstützt den Nutzer insbesondere bei der Umsetzung der Rehabilitationsmaßnahmen. Durch den Einbezug eines Risikofaktors folgt das Tool zudem der Forderung nach einer risikoorientierten Netzbewertung. Im Zuge der Umsetzung werden Optimierungspotenziale identifiziert und die kostengünstigste Lösung durch einen genetischen Algorithmus berechnet.

Das Land Hessen hat 2012 eine Neufassung des „Leitfadens zum Erkennen ökologisch kritischer Gewässerbelastungen durch Abwassereinleitungen in Hessen“ herausgegeben. Dieser Leitfaden besteht aus einer Handlungsanleitung mit Begleitband sowie aus einem Softwarepaket. Ziel des Leitfadens ist die Umsetzung des Leitgedankens der WRRL durch eine kombinierte Emissions- und Immissionsbetrachtung, die hessischen Gewässer vor einer zu starken Belastung durch Einleitungen aus Siedlungsgebieten zu schützen. Während bei der Vorgängerversion des Leitfadens aus dem Jahr 2004 die Auswirkungen der Abwassereinleitungen auf vergleichsweise einfachen Ansätzen basierte, ist bei der aktuellen Fassung eine deutlich kompliziertere Abbildung des Gesamtsystems Kanalnetz – Kläranlage – Gewässer enthalten. Da die Algorithmen wesentlich aufwändiger geworden sind, soll dem Anwender zukünftig auch ein Softwarepaket zur Verfügung gestellt werden, mit dem die im Leitfaden geforderten Untersuchungen und Bewertungen durchgeführt werden können.

Ziel der Masterarbeit war die Beschreibung der im Leitfaden geforderten Vorgehensweise und die Anwendung des Softwarepaketes anhand eines realen Praxisbeispiels. Hierbei wurden auch die tatsächlichen Projektdaten geändert, um die Sensitivitäten des Modells zu untersuchen. Neben den Eingabedaten wurden auch die im Programmpaket implementierten und durch den Anwender zugänglichen „Standardwerte“ innerhalb von physikalisch sinnvollen Bereichen variiert und eine entsprechende Ergebnisanalyse durchgeführt.