INKA (Integrale Regelung von Kanalnetzen und Abwasserreinigungsanlagen)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 492.22.14

Schlüsselwörter (Deutsch)

Regenwetterereignissen, Regenüberläufe, Regenbecken, unbehandeltes Abwasser, Abwasserreinigungsanlagen, ARA, Gewässerbelastungen, dezentrale Rückhalteanlagen, integrale Bewirtschaftung, Abwassersystem, Regenwasserbehandlung

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Bei Regenwetterereignissen leiten Regenüberläufe und überfüllte Regenbecken unbehandeltes Abwasser in Oberflächengewässer, weil die Abwasserreinigungsanlagen (ARAs) an ihre Kapazitätsgrenzen gelangen. Man hat erkannt, dass solche Einleitungen in Gewässer mit hohen Konzentrationen von partikulären und gelösten Stoffen, wie z.B. Pestizide und Biozide, verbunden sind. Vorfluter wie Seen und Fliessgewässer dienen nicht zuletzt auch in grossem Umfang der Trinkwasserversorgung. Die Reduktion solcher Einträge dienen dem vorsorglichen Trinkwasserschutz.

Bislang wird versucht solche Gewässerbelastungen mit teuren baulichen Massnahmen zu reduzieren, indem man beispielsweise dezentrale Rückhalteanlagen oder Speichervolumen in Regenbecken so auslegt, dass kein Überlauf stattfinden kann, um dann die anfallenden Abwässer später der ARA zuzuführen. Zudem ist bei bestehenden Regenbecken oft unklar, ob sie ordnungsgemäss funktionieren, dies im Gegensatz zu den ARAs, welche regelmässig und detailliert kontrolliert werden.

In der Schweiz sind einige dutzend Regenbecken mit lokalen Regelungen in Betrieb. Jedoch ist weitgehend unbekannt, wie die integrale Bewirtschaftung eines gesamten Abwassersystems am effektivsten geplant und umgesetzt werden kann, so dass durch eine integrale Optimierung des Abflussmanagements die ARAs und die Gewässer entlastet werden können.

Es fehlen bis heute Planungshilfen, Methoden zur automatisierten Qualitätskontrolle von Messdaten, transparente Regelungsalgorithmen und benutzerfreundliche Software-Plattformen zur einfachen Bedienung und Wartung.

Mit diesem Projekt sollen für Planer, Gemeinden und Abwasserverbände kosten-effiziente Gewässerschutz-Alternativen zu baulichen Massnahmen zur Regenwasserbehandlung angeboten werden, die gegebenenfalls gleichzeitig die Überflutungssicherheit verbessern können.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1     Eine Anleitung zur Charakterisierung von Einzugsgebieten und stofflichen Verschmutzungsquellen ist in weit verbreitete Werkzeuge implementiert, z.B. Excel-Arbeitsblatt oder Bibliothek in der opensource Programmiersprache „R“.

2     Die Anleitung zum systematischen Screening zur Ermittlung des Regelungspotentials ist durch einen GEP-Ingenieur (Ingenieur für generelle Entwässerungsplanung)   beurteilt und als brauchbar taxiert. Meilenstein1.

3     Der Beschrieb der IT-Infrastruktur und des Bedienungskonzepts sind vorhanden. Ebenso beschreibt die Dokumentation alle notwendigen Schnittstellen und listet die mit der von STEBATEC entwickelten Online-Software „ARAbella“ kompatiblen Fremdsysteme auf.

4     Die Hard- und Software für die Feldmesskampagnen sind installiert und betriebsbereit.

5     Eine Anleitung zum strukturierten Vorgehen zur Entwicklung einer Regelungsstrategie für ein Entwässerungssystem, basierend auf Defizit-Analyse ist erstellt. Defizitanalysen für die Fallbeispiele in VKA, AVA und ZAO sind durchgeführt. Zudem wird die zu erwartete Verbesserung der Gewässerbelastung durch die integrale Regelung für die Fallbeispiele in VKA und AVA (siehe Punkt 4.5 „weitere Partner“) rechnerisch aufgezeigt. Meilenstein 2. Es wird angestrebt, das auch noch für ZAO aufzuzeigen. Aufgrund der sehr kurzen Projektlaufzeit ist das aber ausdrücklich nicht Bestandteil von Meilenstein 2.

6     Die Feldtests und Messkampagnen sind abgeschlossen. Die Stoffbelastungen inRegenwasserabflüssen, bzw. – entlastungen, anhand der Leitparameter sind charakterisiert und ereignisbasierte Frachten sind ermittelt. Die vorhandenen Wissensgrundlagen durch eigene experimentelle Daten im Testeinzugsgebiet ergänzt und verifiziert.

7     Redaktion eines Schlussberichtes mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 6

8     Bereitstellung von Textbausteinen und Illustrationen für die Erstellung eines Publikums-Factsheets

9     Präsentation der Ergebnisse an einem wissenschaftlichen Kolloquium beim BAFU mit entsprechender Power-Point Darstellung

Projektziele (Deutsch)

Im Rahmen dieses Projektes wird eine integrale Regelung von Kanalnetzen und Abwasserreinigungsanlagen als Alternative zu baulichen Massnahmen zur Regenwasserbehandlung entwickelt.

Entwickelte Planungshilfen unterstützen Planer und Entscheidungsträger bei der Implementierung einer Regelungsstrategie für Abwassersysteme mittels Charakterisierung eines Einzugsgebietes und Abwassersystems, der Beurteilung des Regelungspotenzials sowie der Erfassung und Bewertung der aktuellen Leistungsfähigkeit im Ist-Zustand.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

1. Haupt-Resultat des INKA Projektes ist einem marktfähiges Produkt der Firma Stebatec zur Reduktion von Gewässerbelastungen durch die integralen Regelung von Abwassersystemen, welches nicht nur für das Stebatec-eigene ARAbella Leitsystem und die pneumatischen Abflussregler einsetzbar ist, sondern auch die Integration von Komponenten anderer Hersteller ermöglicht und in andere Leitsysteme eingebunden werden kann.
2. Neben der generischen Regelungsstrategie und –software wurden ergänzenden Methoden und Planungshilfen erarbeitet, die eine effiziente Umsetzung der Technologie ermöglichen, indem sie beispielsweise mit Hilfe eines kurzen Fragebogens eine erste Abschätzung des das Regelungspotenzial eines Einzugsgebietes in wenigen Stunden erlauben, oder Defizite in der Datenqualität und dem Abflussverhalten identifizieren.
3. Weiterer Forschungsbedarf besteht in Bezug auf mögliche Chancen und Risiken der fortschreitenden Digitalisierung in der Wasserwirtschaft, da beispielsweise unklar ist, wie der Paradigmenwechsel zum Evidenz-basierten Management unserer Abwassersysteme organisiert werden sollte, und welche Dienstleistungen in Zukunft eher von Automationsfirmen anstelle von beratenden Ingenieurbüros oder Betreibern von Abwasserreinigungsanlagen übernommen werden sollten, z.B. Berichtswesen und Erfolgskontrolle

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Das Ziel des INKA Projektes war es, den Gewässerschutz bei Regenwetter kostengünstig zu verbessern, indem durch einen effektiven Regelungsalgorithmus eine verbesserte Ausnutzung der bereits vorhandenen Infrastruktur erreicht wird. Konkret sollte die Technologie für einen praxistauglichen, verständlich zu kommunzierenden und generischen Regelungsalgorithmus entwickelt werden, der sowohl auf dem STEBATEC-Leitsystem ARAbella, als auch auf fremden Systemen einsetzbar ist. Für die effiziente Umsetzung in der Praxis sollten angepasste Planungswerkzeuge, z.B. zur Potenzialabklärung und Defizitanalyse, und eine benutzerfreundliche Softwareplattform geschaffen werden.

Es hat sich gezeigt, dass vielerorts in der Schweiz ein grosses Potenzial zur besseren Ausnutzung der Infrastruktur vorhanden ist. Zum einen, weil bereits viele Betreiber von Abwasseranlagen Messtechnik installiert haben und daher sowohl gute Planungsgrundlagen, als auch die Voraussetzungen für eine Abflussregelung vorhanden sind. Zum anderen werden die Weiterleitmengen bisher nur selten an die Entwicklung der Einzugsgebiete angepasst. 

Für die untersuchten Fallbeispiele ergibt sich ein grosses Potenzial zur Reduktion der Anzahl Entlastungsereignissen, welche besonders für mittlere und kleine Gewässer relevant sind. Die Reduktion von Entlastungsvolumen bewegt sich im Bereich von 5-25%, für Schmutzfrachten werden in der Regel höhere Reduktionen erwartet. 

Obwohl eine Verallgemeinerung der Resultate schwierig ist, deuten die eher wissenschaftlich-orientierten Resultate darauf hin, dass, erstens, Schmutzfracht-basierte Regelungen anhand von Ersatzparametern wie beispielswiese Temperatur oder Leitfähigkeit möglich sein können. Zweitens scheinen Entlastungsvolumina nicht gut geeignet, um die Leistungssteigerung durch eine Abflussregelung zu bewerten, da sie die Wirkung der Behandlungsanlagen auf den Gewässerschutz vermutlich unterschätzen.

Aufbauend auf den Ergebnissen des Projektes INKA können heute erste Empfehlungen und Erfahrungen zur Installation einer integralen Regelung gegeben werden:

• Eine Abflussregelung ist dort besonders wirksam, wo im Einzugsgebiet Unterschiede in Niederschlag, Schmutzwasseranfall, Speichervolumen und Leistungsfähigkeit der aufnehmenden Gewässer, sowie der Abwassereinigungsanlage besteht.
• Das wirksamste Element einer Abfluss-Regelung ist in der Regel die Abwasserreinigungsanlage (ARA), da deren Kapazität bei Regenwetter bestimmt, welcher Regenwasserabfluss aufgenommen werden kann.
• Daraus werden folgende übergeordnete Regeln abgeleitet, die in jedem System eine gute, wenn auch nicht optimale, Auslastung erzielen:

1. die maximale Kapazität der ARA wird so schnell wie möglich erreicht,
2. die gespeicherte Mischabwassermenge wird gleichmässig über alle Bauwerke verteilt
3. die Mischabwasserentlastungen in die Gewässer werden minimiert
• Das Schmutzabwasser und das entlastete Mischabwasser weisen neben den bekannten Schmutzstoffen auch Mikroverunreinigungen auf, die teilweise deutlich über dem Gewässerschutzgrenzwert sind. Diese sind messtechnisch bislang nur schwierig zu erfassen.
• Untersuchungen zur Verwendung von robusten Proxies zur Abschätzung der Belastung des Mischabwassers zeigen keine eindeutigen Ergebnisse. Obwohl die Nutzung der absoluten Werte schwierig erscheint, könnten relative Unterschiede zwischen einzelnen Speicherbauwerken für eine bessere Regelung eingesetzt werden.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Die Projektergebnisse zur integralen Regelung von Kanalisationen und Abwassererinigungsanlagen haben wichtige und wertvolle Hinweise zur besseren Auslastung der vorhandenen Infrastrktur geliefert und es können nun Empfehlungen zur Potenzialermittlung, zur Planung und Umsetzung von Abflussregelungen gegeben werden. Neben Ergebnissen i) zum deutlichen Regelungs-Potenzial bei den Untersuchten Anlagen, ii) zur Belastung des Regenwassers durch Mikroverunreinigungen und iii) zur Eignung von heutiger Messtechnik zu Schmutzfracht-basierte Regelungen, hat das INKA Projekt auch wichtige Erkenntnisse zum Vorhandensein von Messtechnik in Entwässerungsnetzen und zur Verwendung der Messdaten in der Schweizerischen Siedlungswasserwirtschaft geliefert.

Weitere Entwicklungen der Technologie hin zur Modell-Prädikativen Regelung, z.B. mittels Echtzeitvorhersagen von Abflüssen und Auslastung der Entwässerungsnetze unter Verwendung von Wetter-Prognosen sind von den Praxis-Partnern nach Projekt-Ende eigenständig vorangetrieben worden. Eine Dissertation zur vertieften Analyse der Bewirtschaftung der Abwasserinfrastrukturen durch die Gemeinden bei Regenwetter wird voraussichtlich 2017 starten. Es ist vorgesehen, zu untersuchen, welche Massnahmen und Instrumente auf organisatorisch-politischer Ebene geeignet sind, um den Vollzug des Gewässerschutzes bei Regenwetter in der Schweiz zu verbessern.

Weitere Untersuchungen zur Effizienzsteigerung der Abwasserreinigung durch einen aufeinander abgestimmten und optimierten Betrieb von Kanalnetz und Abwasserreinigungsanlage sind sehr wünschenswert und in Teilen bereits in verschiedenen Projekten angelaufen (Projekte auf der ARA Seewis, auf der ARA Furthof, ARA Sihltal, ARA ProRheno). Weiterer Forschungsbedarf besteht in Bezug auf mögliche Chancen und Risiken der fortschreitenden Digitalisierung in der Wasserwirtschaft. Unklar ist beispielsweise, wie der Paradigmenwechsel zum Evidenz-basierten Management unserer Abwassersysteme organisiert werden sollte, und welche Dienstleistungen in Zukunft eher von Automationsfirmen anstelle von beratenden Ingenieurbüros oder Betreibern von Abwasserreinigungsanlagen übernommen werden sollten, z.B. Berichtswesen und Erfolgskontrolle.

 

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Barberio, Marco, Vivian Hauss, and Markus Gresch. 2016. “PASST.CH: Screening von ARA-Einzugsgebieten Zur Abschätzung Des Potenzials von Abflussregelungen.” In . Rigi-Kaltbad.

Burkhardt, M. 2017. “Den Schatz Im Untergrund Heben!” UMTEC Magazin, 2017.

Garbani Marcantini, Lorenzo, Simon Schegg, Markus Gresch, Benjamin Mischler, and Jörg Rieckermann. 2016. “Ein Hierarchischer Regelungsalgorithmus. Praxistaugliche Abflussregelung von Entwässerungsnetzen.” Aqua & Gas 96 (10): 48–53.

Garbani-Marcantini, Lorenzo, Gea Cereghetti, Dirk Muschalla, Mario Regneri, Simon Schegg, and Jörg Rieckermann. 2017. “Playing the Rain: A Chess-Based Rating Algorithm for the Performance Assessment of Real-Time Control in Urban Drainage Networks.” In 14th IWA/IAHR International Conference on Urban Drainage ICUD 2017. Prague, Czech Republic.

Gresch, Markus, Claudio Manz, Kilian Hesse, and Jörg Rieckermann. 2018. “Praxistaugliche Regelung Von Entwässerungsnetzen -Das Projekt Inka.” In 3. Expertenforum Regenüberlaufbecken, 27.02.2018 in Stuttgart. Stuttgart: DWA-Landesverband Baden-Württemberg.

Hesse, Kilian, Benjamin Mischler, Gabriela Heyde, Hubert Allemann, and Michael Burkhardt. 2017. “Netzoptimierung Und Gewässerschutz Durch Dynamische Kanalnetzsteuerung. Beispiel Einer Praktischen Umsetzung.” In Aqua Urbanica 2017. Graz.

Rieckermann, J., G. Gruber, and H. Hoppe. 2017. “Zukunftsfähige Systeme Zur Regenwasserbehandlung Brauchen Datenbasierte Betriebs-, Planungs- Und Vollzugskonzepte.” In Aqua Urbanica 2017. Graz.