Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1606
Main Title: Potenziale von Regenwasserversickerung, Speicherung, Urinseparation und Pumpwerkssteuerung für den Gewässerschutz - Dynamische Langzeitsimulation von Kanalnetz und Kläranlage und multikriterielle Ergebnisanalyse
Translated Title: Potentials of Stormwater Infiltration, Storage, Urine Separation and Real Time Control to Minimize River Impacts Dynamic Long Time Simulation of Sewer Network and Waste Water Treatment Plant and Multi-Criteria Analysis
Author(s): Peters, Christian
Advisor(s): Jekel, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Schlagwörter: Integrierte Modellierung, Langzeitsimulation, Entscheidungsunterstützung,Multikriterielle Bewertungsverfahren, Abkopplung, Regenwasserversickerung, Urinseparation,Echtzeitsteuerung, Abwassertemperatur, Druckrohrleitungen, regenbürtiges Fremdwasser Um nachhaltige und effiziente Lösungen für die Probleme eines Flusseinzugsgebietes zu finden, ist es wichtig, sich nicht bereits zu Beginn einer Planung auf eine Maßnahme festzulegen. Stattdessen sollte man sich zunächst ein möglichst vollständiges Bild über die Ziele und Probleme im Einzugsgebiet machen, dann mehrere unterschiedliche Szenarien zur Verbesserung der Situation entwickeln, deren Wirkungen quantifizieren und im Hinblick auf die Ziele bewerten. Eine entsprechende Systematik wird entwickelt und für das Einzugsgebiet der Panke (Berlin) angewendet. Die Panke leidet unter hydraulischen Spitzenbelastungen und stofflichen Belastungen aus der Misch- und Trennkanalisation. Im Schmutzwasserkanal der Trenngebiete gibt es Probleme mit regenbürtigem Fremdwasser (z. B. durch Fehlanschlüsse), das u. a. zu Notauslässen führt. Das Abwasser des Einzugsgebietes wird über Druckrohrleitungen zur Kläranlage gepumpt, die deswegen bei Mischwasserförderung durch erhebliche Frachtstöße belastet wird. Zur Verbesserung der Situation werden die Szenarien Speicherbau im Trennsystem (für regenbürtiges Fremdwasser), Abkopplung versiegelter Flächen vom Kanal und Versickerung des Regenwassers, Urinseparation und globale Echtzeitsteuerung der Pumpwerke betrachtet. Um die Auswirkungen zu quantifizieren, wird ein integriertes Modellsystem bestehend aus Kanalnetz (Mischsystem und Schmutzwasserkanal des Trennsystems), Pumpwerken (7), Druckrohrleitungen und Kläranlage aufgestellt. Aus den Zielen und Problemen werden Kriterien zum Vergleich der Szenarien abgeleitet. Das multikriterielle Bewertungsverfahren der Belastungsanalyse wird aus der Nutzwertanalyse entwickelt und angewendet. Aufgrund der hohen zeitlichen Variabilität des Niederschlages wird eine zeitlich hoch aufgelöste (5 min) dynamische Langzeitsimulation durchgeführt. Zur Abbildung der beschriebenen Problematik sind folgende Modellentwicklungen erforderlich: Verfahren zur detaillierten Modellierung des (regenbürtigen) Fremdwassers, Verfahren zur Modellierung der Abwassertemperatur bei Mischwasserzufluss zur Kläranlage (Einfluss auf die Nitrifikation), Modellbaustein für Druckrohrleitungen (Frachtstoß). Vergleichsrechnungen bestätigen die Wahl der Langzeitsimulation und die Notwendigkeit der entwickelten Modellkomponenten. Ebenso stellt sich eine detaillierte, biochemische Kläranlagenmodellierung als notwendig heraus. Zur Simulation der Szenarien wird eine zentrale Szenarienverwaltung entwickelt, die Verzeichnisse, Modelldateien und Modellparameter verwaltet sowie Simulationen, Datenimporte und -exporte und die Datenaggregation automatisiert ausführt. Die Abkopplung hat das größte Potenzial zur Verringerung der Gewässerbelastung, die um bis zu 24 % gesenkt wird, obwohl aufgrund begrenzter Versickerungsflächen im Mischsystem nur 24 % der versiegelten Flächen abgekoppelt werden und obwohl Trennsysteme (nur Schmutzwasserkanal modelliert) den größten Teil des Einzugsgebietes ausmachen. Urinseparation bei allen Einwohnern des Einzugsgebietes hat ein ähnlich großes Potenzial und führt zur stärksten Entlastung der Kläranlage. Die Abkopplung ist jedoch deutlich effektiver: Die Abkopplung eines gewissen Anteils der versiegelten Fläche im Mischsystem hat 4,6-mal so starke positive Auswirkungen als Urinseparation bei dem gleichen Anteil der Einwohner. Speicher im Trennsystem (für regenbürtiges Fremdwasser) führen zwar zu keiner signifikanten Mehrbelastung der Kläranlage, benötigen jedoch große Volumina, um die gleiche Reduktion der Notauslässe zu erzielen wie eine Abkopplung fehlangeschlossener Flächen. Die Abkopplung führt darüber hinaus zu einer deutlichen Entlastung der Kläranlage. Steuerungsszenarien, die nicht nur die Speicherauslastung optimieren, sondern auch eine Steuerung der Förderwege beinhalten, können zu einer deutlichen Gewässerentlastung (bis zu 8 %) führen, die mit der Abkopplung von etwa 12 % der versiegelten Fläche im Mischsystem vergleichbar ist.
Keywords: Integrated modelling, long time simulation, decision support, multi-criteria analysis, stormwater infiltration, urine separation, real time control, wastewater temperature, pressure pipes In order to find sustainable and effective solutions for the problems of a river basin, it is essential not to decide on one approach at the beginning, but to investigate a number of different approaches. Therefore one should firstly get an overview on the objectives and problems of the catchment, then develop different scenarios to improve the situation, quantify their effects and finally evaluate them. An appropriate methodology is developed and applied for the catchment of the river Panke (Berlin, Germany). River Panke suffers from hydraulic peak loads and pollutant loads from separate sewers and combined sewer overflows (CSOs). Stormwater, that unintendedly enters the separate systems’ wastewater sewers (e. g. due to incorrect connections), leads to emergency overflows. Pumping the wastewater through long pressure pipes causes extreme pollutant peak loads to the wastewater treatment plant (WWTP) during stormwater events. In order to improve the situation an integrated simulation study is carried out, assessing the potentials of real time control (RTC), stormwater infiltration, storage of unintended stormwater from wastewater sewers and urine separation. The model system includes sewers (2 combined systems and wastewater sewers of 5 separate systems), pumping stations (7), pressure pipes and the WWTP. Based on the objectives and problems criteria for the assessment are derived. The multi-criteria analysis method “impact analysis“ is developed from “utility analysis“ and applied. Because rainfall is subject to high temporal variations, dynamic long-time simulations are carried out (30 years, 5 min time step). In order to depict the described problems the following model components are developed: method for modelling unintended stormwater in wastewater sewers; method for modelling wastewater temperature during stormwater events (effect on nitrification); model component for pressure pipes (peak loads on WWTP). Comparative simulations prove the necessity of the model developments and the advantages of long time simulations. Detailed biochemical WWTP modelling also proved to be necessary. A central scenario management tool is developed, that administers directories, model files and model parameters and automatically runs simulations, data conversions and data aggregation. Stormwater infiltration has the highest potential to reduce river impacts (up to 24 %), even though the combined systems can provide only a limited area for infiltration (so that maximal 24 % of the impervious area can be disconnected from the sewer) and even though separate systems (only wastewater sewer depicted) account for most of the catchment area. Taking into account those limitations for infiltration, urine separation has a similar potential. It causes the strongest benefits at the WWTP. However, infiltration is much more effective: Disconnecting a certain percentage of the impervious area from the combined sewer reduces the river impacts 4.6 times as much as separating the urine of the same percentage of inhabitants. Storage tanks in separate systems (for unintended stormwater from wastewater sewers) have only minor influence on the WWTP. However, large volumes are required in order to reduce emergency overflows to the same amount that can be achieved by disconnecting wrongly connected areas and infiltrating the stormwater. Moreover, disconnection leads to significant benefits at the WWTP. RTC strategies, that do not only aim for optimal storage usage, but also switch between different conveying paths, can lead to a significant reduction of river impacts (up to 8 %; comparable to disconneting 12 % of the impervious area in the combined systems).
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-15594
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1903
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1606
Exam Date: 27-Apr-2007
Issue Date: 25-May-2007
Date Available: 25-May-2007
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Abwassertemperatur
Druckrohrleitungen
Integrierte Modellierung
Multikriterielle Bewertungsverfahren
Regenwasserversickerung
Urinseparation
Integrated modelling
Multi-criteria analysis
Pressure pipes
RTC
Stormwater infiltration
Urine separation
Wastewater temperature
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Notes: gedruckt erschienen im Papierflieger Verlag Berlin, ISBN 3-89720-843-1, ISSN 1864-5984
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