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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 grossflächigen Bewuchs am Seegrund auf mit messbaren Konsequenzen für die Gewässerökologie. 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 rückgängig gemacht werden und es bleibt zu hoffen, dass sich ein ökologisches Gleichgewicht einstellt, das neben der dominanten Quaggamuschel genug Raum für einheimische Arten lässt.
Auf technischer Seite gilt es, den Schaden durch die Quaggamuschel möglichst 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 geschützt, und zwar durch die kontinuierliche oder periodische Dosierung von Chlorverbindungen ins Rohwasser, oder aber mechanisch gereinigt.
Die mechanische Reinigung von Rohrleitungen erfolgt dabei über das Durchstossen eines oder mehrerer Kunststoffzapfen («Molch» genannt), der einen geringfügig grösseren 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.
Künftig wird die Dosierung von Chlor zum Rohwasser von Seiten der zuständigen kantonalen Behörden teilweise nicht mehr bewilligt. Auf der deutschen Seite des Bodensees ist dieses Vorgehen schon heute gänzlich unzulässig. 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 können mechanische Reinigungssysteme nicht in jedem Werk installiert werden, da zur Einführung des Molches in die Rohrleitung eine entsprechende Schleuse vorhanden sein muss. Ausserdem darf die Entnahmeleitung weder Klappen noch Bögen mit engem Radius aufweisen. Guss- oder Stahlleitungen, die durch eine Bitumen-, Zement- oder Kunststoffschicht vor Korrosion geschützt werden, laufen Gefahr - je nach Situation und eingesetztem Molch bzw. Reinigungsgerät -, dass der Korrosionsschutz durch die Reinigung beschädigt wird. Faserverstärkte Kunststoffleitungen können durch die mechanische Einwirkung unerwünschte Fasern freisetzen. Eine Inspektion der Rohrleitungen durch Tauchroboter kann hier Gewissheit verschaffen.
Die Entnahmekörbe (Seiher) von Rohwasserleitungen haben in der Regel einen grösseren Durchmesser als die Rohrleitungen. Dadurch strömt das Wasser im Seiher am Molch vorbei, weshalb der Seiher innen nicht durch den Molch gereinigt werden kann. Für die Rohrleitungsreinigung müssen 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 können.
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.
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 zugehörig sind zwei neue Rohwasserleitungen DN700 à je 750 m Länge, die im Winter 2022/23 im See verlegt wurden. Die Rohwasserentnahme befindet sich in ca. 38 m Tiefe. Ziel der Überlegungen 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 Taucheinsätze mit Risiken verbunden und jeder Einsatz, der vermieden werden kann, ist ein Zugewinn an Sicherheit für den Betrieb.
Als Grundlage für die Entwicklung des Reinigungssystems wurden folgende Überlegungen getroffen, die sich von konventionellen Rohrreinigungssystemen unterscheiden:
Im Folgenden werden die einzelnen Komponenten des Reinigungskonzepts vorgestellt.
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 Rohrstücke von 12 m Länge produziert und per Spiegelschweissung aneinandergefügt. 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 verfügt über einen separaten Entnahmekorb und kann so unabhängig für 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 hinausgeführt: die Rückführleitung für das Zurückpumpen des Reinigungsgerätes (s. u.) und ein Futterrohr zum Schutz der Hydraulikleitungen zum Aus- und Einfahren des Seihers sowie die Signalkabel für die Magnetsensoren zur Positionsbestimmung des Reinigungsgeräts. Die beiden Begleitleitungen werden ebenfalls von den Ballastelementen umfasst, beschwert und an Ort und Stelle gehalten.
Das Reinigungsgerät wurde von der Firma Reinhart Hydrocleaning SA eigens für den ESB entwickelt (Fig. 2). Teile davon wurden patentiert. Das Gerät ist auf die bidirektionale und häufige Reinigung hin optimiert. Die Reinigung läuft in den beiden Richtungen unterschiedlich ab: Auf dem Weg in den See hinaus wird das Gerät mit einem höheren Durchfluss nach aussen gepumpt. Eine speziell angefertigte Platte am Kopfteil des Geräts lässt einen Teil des Wassers so passieren, dass ein sogenannter Hydrojet entsteht, also Wasserstrahlen, die den gelösten Schmutz aus der Leitung vor dem Gerät hertreiben, um einen Stau des aus der Leitung abgelösten Materials vor dem Gerät zu vermeiden. Bei der Rückfahrt werden die Öffnungen in der Kopfplatte durch Rückschlagventile verschlossen und das Gerät kann mit weniger Durchfluss vom See zurück ins Werk gestossen werden. Das Gerät besteht aus zwölf 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 Gerät ist etwa 2 m lang und hat ein Gewicht von etwa 1,5 Tonnen.
Am Reinigungsgerät sind Magneten befestigt, mit deren Hilfe die Position im Rohr an bestimmten Stellen durch Sensoren erfasst werden kann. So lässt sich die Geschwindigkeit des Geräts in der Leitung einschätzen und die Ankunft im Seiher bzw. auf dem Rückweg im Werk antipizieren.
Um das Reinigungsgerät in die Rohrleitung einzuführen, benötigt es eine Startschleuse, die druckfest verschlossen werden kann und von der aus der Druck aufgebaut wird, durch den sich das Gerät vorwärtsbewegt. Das Gerät wird in ein Transportrohr (in Figur 3 gelb dargestellt) eingeführt und dann mitsamt dem Transportrohr in die Startschleuse geschoben. Das Transportrohr erleichtert den Transport im Werk und in die Schleuse und schützt das Gerät vor mechanischen Beanspruchungen ausserhalb der Schleuse bzw. der Leitung. Zudem hat das Transportrohr eine integrale hydraulische Funktion beim Start sowie beim gebremsten Einlauf des Reinigungsgerätes aus bzw. in die Schleuse.
Die Startschleuse hat einen grösseren Durchmesser als die Rohrleitung, so dass das Reinigungsgerät samt Transportrohr hineinpasst. Bei der Reinigungsfahrt sorgt der dann angesetzte Druck dafür, dass das Gerät 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 beträgt bis zu 1200 m3/h. Bei der Rückfahrt schwankt der Druck zwischen 2 und 3 bar, der Durchfluss ist jedoch geringer mit
ca. 300 m3/h.
Zur Seewasserentnahme für die Trinkwassergewinnung oder zur Nutzung von Fernwärme/-kälte kommen im See sogenannte Seiher zum Einsatz. Diese Entnahmekörbe 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 grösseren Durchmesser als die Rohwasserleitung auf. Ihre Oberfläche ist von schlitzförmige Öffnungen durchzogen, durch die das Wasser eindringen kann. Konventionelle Seiher können nicht gemeinsam mit der Leitung durch Reinigungsgeräte gesäubert werden, weil einerseits der Durchmesser von dem der Leitung abweicht und andererseits der Schlupf des Wassers durch die Öffnungen ein Vorantreiben des Geräts in den Seiher unmöglich macht.
Das Ziel des ESB war, alle Komponenten der Rohwasserentnahme vollautomatisch reinigen zu können. Der Seiher ist eine patentgeschützte Entwicklung des ESB und wurde in Zusammenarbeit mit dem Konstruktionsbüro Hersche entwickelt. Er weist folgende Besonderheiten auf
(Fig. 4 und 5):
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.
Das Untergeschoss des Werks liegt tiefer als der Seespiegel. Für 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 müssen oder der Entnahmekorb für eine Inspektion geöffnet oder entfernt werden muss.
Um die Neuentwicklungen (Seiher, Schleuse, Transportrohr und Reinigungsgerät) vorab zu testen, wurde eine Pilotstrecke im Massstab 1:1 auf dem Gelände der Firma Reinhart Hydrocleaning SA in Courroux aufgebaut (Fig. 7). Rohrleitungsbögen, eine Startschleuse, ein Transportrohr, das Reinigungsgerät sowie einer der Seiher wurden vor Ort getestet. Das Gerät 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 nötigen Druck und Durchfluss für die Fahrt des Reinigungsgeräts. Ausserdem wurde die Funktionalität der Überdruckklappe und die Positionsmessungen über die Magnetsensoren getestet.
Mit Ausnahme der nachfolgend aufgeführten Punkte konnte die Funktionalität des Konzeptes und der Anlageteile erfolgreich getestet werden:
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.
Die Quaggamuschel ist gekommen, um zu bleiben. Ihre Ausbreitung hat weitreichende gewässerökologische Konsequenzen. Daneben stellt sie Betreibende von Seeentnahmeinfrastrukturen vor Herausforderungen. Kreative Lösungen sind gefragt, um technische Anlagen zu schützen und den Ressourcenaufwand für Reinigungsarbeiten im überschaubaren 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 Reinigungsvorgänge sind für die Zeit nach der Inbetriebnahme der beiden neuen Rohwasserleitungen zu Beginn 2025 geplant.
[1] Haltiner, L. et al. (2022): The distribution and spread of quagga mussels in perialpine lakes north of the Alps. Aquatic Invasions 17(2): 153–173. https://doi.org/10.3391/ai.2022.17.2.02
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