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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.
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 RĂĽckhaltevolumen ist ebenfalls ein Bestandteil des integralen Managements [12–14]. Dank einer solchen EchtzeitÂkontrolle ist ein operatives Management des Abwassersystems unter BerĂĽcksichtigung wirtschaftlicher (z. B. Pumpenkosten), ökologischer (z. B. einzuhaltende Maximalkonzentrationen) und sozialer (z. B. Abfälle durch RegenĂĽberläufe, hygienische Bedingungen an Stränden) Kriterien möglich. Ziele hierbei sind, die RĂĽckhaltekapazitäten im Netz und Aufbereitungskapazitäten bei gleichzeitiger Reduktion der Belastung und der Betriebskosten zu maximieren, ohne deshalb in neue Infrastrukturen investieren zu mĂĽssen.
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].
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].
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.
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 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].
MĂĽsste somit alles neu aufgebaut werden? Sicher nicht. Das System kann sich nur weiterentwickeln, sofern nachfolgende Punkte, die auch fĂĽr den Erhalt des bestehenden Systems relevant sind, nicht hemmend wirken:
1) Zugang zu Wasserressourcen, insbesondere im Zusammenhang mit Klimaveränderungen
2) ausreichend Platz fĂĽr Wasseraufbereitungsanlagen
3) Energiepolitik und Energiekosten (z. B. 2000-Watt-Gesellschaft)
4) Kostenmanagement fĂĽr die Instandhaltung und Erneuerung von Anlagen
5) Komplexität des Managements
6) Kostenentwicklung der Rohstoffe (insbesondere DĂĽngemittel)
7) technologische Neuerungen bei dezentralen Systemen
Die ARA der Zukunft kann Wasser von sehr hoher Qualität liefern, das nötigenfalls auf verschiedene Weise wiederverwendet werden kann.
Der Einsatz kompakter technischer Verfahren.
Eine energieautarke oder energieproduzierende ARA [29, 30].
Das Finanzmanagement für die Infrastrukturen wird üblicherweise durch die GEP festgelegt und auf verbindlichen Rechtsvorschriften beruhen (Prinzip «l’eau paie l’eau»).
Viele IngenieurbĂĽros und ARA-Betreiber, die sich den neuen Herausforderungen stellen.
Die ARA des Jahres 2050, die eine Verwertung der im Abwasser enthaltenen Stoffe ermöglicht. Bekanntlich ist die Rückgewinnung von Phosphor bereits gesetzlich verankert.
Neuerungen sind mit dem aktuellen System durchaus kompatibel.
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.
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.
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.
[1] Chaix, O. (2013): «Gestion intégrée des eaux: Exemples de réalisation en Suisse – Exposé dans le cadre du forum VSA/ARPEA du 18 septembre 2013 «Gestion intégrée des eaux: Comment réussir une régionalisation par bassin versant?»
[2] Global Water Partnership (2013): The role of decision support systems and models in integrated river basin management. Stockholm: Global Water Partnership (GWP)
[3] Molle, F. (2008): «Nirvana concepts, narratives and policy models: insights from the water sector», Water Alternatives 1(1), p. 131–156
[4] Agenda 21 pour l’eau (éd) (2011): «Gestion par bassin versant – Idées directrices pour une gestion intégrée des eaux en Suisse»
[5] Schaffner, M. et al. (2009): «Gestion des eaux en Suisse 2007 – Situation actuelle et thèses – Résultats de l’enquête». OFEV, Agenda 21 pour l’eau
[6] OFEV, (2013): «Guide de coopération eau pour les communes»
[7] OFEV (2012): «Gestion par bassin versant – Volet 3: Prise d’initiative»
[8] Bach, P. M. et al. (2014): «A critical review of integrated urban water modelling – Urban drainage and beyond», Environmental Modelling & Software, vol. 54, p. 88–107
[9] Schütze, M. et al. (2004): A. Campisano, H. Colas, W. Schilling, et P. A. Vanrolleghem, «Real time control of urban wastewater systems – where do we stand today?», Journal of Hydrology, vol. 299, no 3–4, p. 335–348
[10] Bach, M.; Ostrowski, M. (2013): «Analysis of intensively used catchments based on integrated modelling», Journal of Hydrology, vol. 485, p. 148–161
[11] Descoins, N. e al. (2012): «Energy efficiency in waste water treatments plants: Optimization of activated sludge process coupled with anaerobic digestion», Energy, vol. 41, no 1, p. 153–164
[12] Vanrolleghem, P.; Benedetti, L.; Meirlaen, J. (2005): «Modelling and real-time control of the integrated urban wastewater system», Environmental Modelling & Software, vol. 20, no 4, p. 427–442
[13] Fiorelli, D. et al. (2013): «Optimised real time operation of a sewer network using a multi-goal objective function», Urban Water Journal, vol. 10, no 5, p. 342–353
[14] Zacharof, A. I. (2004): «Screening for real-time control potential of urban wastewater systems», Journal of Hydrology, vol. 299, no 3–4, p. 349–362
[15] Hydrique Ingénieurs (2012): «Users Guide RS 3.0»
[16] VSA (2007): Rejets pluviaux urbains dans les eaux de surface (STORM). Directive pour la planification conceptuelle de mesures de protection (classeur et CD). VSA, ZĂĽrich: Suisse
[17] Rauch, W. et al. (2002): «Deterministic modelling of integrated urban drainage systems», Water science and technology, vol. 45, no 3, p. 81–94
[18] Razurel, J.-B. (2016): «Optimisation du système d’assainissement des eaux urbaines Réseau –STEP – Milieu récepteur par une approche de gestion intégrée». Master EPFL
[19] Grant, M.; Boyd, S. (2015): «The CVX Users’ Guide – Release 2.1»
[20] OFEV (20129: «Gestion par bassin versant – Volet 1: Gestion par bassin versant et gestion des eaux en Suisse»
[21] Schallenberg, M. (2013): «Ecosystem services of lakes», Ecosystem services in New Zealand: conditions and trends. Manaaki Whenua Press, Lincoln, p. 203–225
[22] Costanza., R. et al. (1997): «The value of the world’s ecosystem services and natural capital», Nature, vol. 387, no 6630, p. 253–260
[23] Muschalla, D. et al. (2008): «The HSG guideline document for modelling integrated urban wastewater systems», in 11th International Conference on Urban Drainage
[24] Marlow, D. R. (2013): «Towards sustainable urban water management: A critical reassessment», Water Research, vol. 47, no 20, p. 7150–7161
[25] Howe, C. A. (2011): «SWITCH – Sustainable Water Management in the City of the Future»
[26] Bracken, P. (2007): «The road not taken: how traditional excreta and greywater management may point the way to a sustainable future», Water Science & Technology: Water Supply, vol. 7, no 1, p. 219
[27] Maurer, M. et al. (2012): Abwasserentsorgung 2025 in der Schweiz. Eawag
[28] Hering, J. G. et a. (2013): «A Changing Framework for Urban Water Systems», Environmental Science & Technology, vol. 47, no 19, p. 10721–10726
[29] VSA; suisse énergie (2008): «Guide de l’optimisation énergétique des stations d’épuration des eaux usées»
[30] Frijns, J.; Hofman, J.; Nederlof, M. (2013): «The potential of (waste)water as energy carrier», Energy Conversion and Management, vol. 65, p. 357–363
[31] Paglia, G. (2015): «Towards Solar Decathlon: Concepts for a Sustainable Urban Water Management in a new eco-district». Master EPFL
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