ARA Hochdorf LU

Kontext

Der Ausbau der Abwasserreinigungsanlage (ARA) Hochdorf führte zur Reduzierung der Zuflussmenge der ARA von 350-400 l/s auf 200 l/s. Durch den Verzicht auf die Entlastung nach dem Vorklärbecken wird eine grosse Menge Abwasser in den Bach Ron eingeleitet. Zudem werden erheblich stärkere Einleitungen im Bereich des Regenüberlaufbeckens (RB) direkt oberhalb der ARA erwartet. Eine Studie zeigte, dass ein zusätzliches Speichervolumen (1‘000 bis 2‘500 m³) erforderlich wären, um diese Auswirkungen zu beschränken. Eine weitere Studie sprach sogar von einer zusätzlichen Speicherung von 3000 m³ vor der ARA Hochdorf.

Dieses auf 3 bis 6 Millionen CHF geschätzte Projekt warf Fragen seitens der Behörden auf, da das Kanalisationsnetz schliesslich bereits über vier Regenüberlaufbecken (RB) verfügt: RB ARA (440 m³), RB 1 Nutritec/Calomil (592 m³), RB 2 Sagenbach/Ziegelei (510 m³) und RB 4 Baldegg (150 m³). Es ist nun zu prüfen, ob eine Optimierung der Funktion dieser RÜB und der Einleitungen vor dem Bau neuer Speichervolumen möglich ist.

Der Fokus liegt hier daher auf einer ganzheitlichen Betrachtung des Systems. In der Tat zeigen mehrere Studien zur Ron und zum Baldeggersee, neben den technischen Überlegungen zur ARA und zum Entwässerungsnetz, den Einfluss des Menschen auf das aquatische System hinsichtlich der Verschlechterung der Qualität des Wassers, der Fauna und der Morphologie. Da der Entlastungskanal des RB oberhalb der ARA gleichzeitig auch der Auslasskanal der ARA Hochdorf ist, lässt sich der Einfluss der Abwassereinleitungen in das Gewässer bei Regenwetter nicht vom Aspekt der aquatischen Ökologie getrennt betrachten. Frühere Studien zeigen eine deutliche Verschlechterung der Gewässerqualität unterhalb der Abwasserreinigungsanlage Hochdorf. An den Einleitungsstellen der anderen RB des Netzes erfolgte noch keine explizite Analyse zur Gewässerqualität.

Infolge der Diskussionen mit den kantonalen Behören (Kanton Luzern) wurde festgelegt, dass das jährliche Gesamtvolumen an Einleitungen und Belastungen sämtlicher Bauwerke vor dem Ausbau der ARA  (350-400 l/s) und nach dem Ausbau (200 l/s) in etwa unverändert bleiben soll. Dies liegt daran, dass die jeweiligen Einleitungsstellen der vier RB in den Gewässern die gleiche Empfindlichkeit aufweisen und daher gleich behandelt werden können. Diese Hypothese ist angemessen, da gemäss GEP sämtliche Gewässer gleich zu behandeln sind und der Sagenbach und der Brunnenmöslibach nach kurzer Zeit in die Ron fliessen.

 

Situation der verschiedenen, im Rahmen der Studie analysierten Einleitungsstellen, mit Position der verschiedenen Gewässer. Die blauen Punkte entsprechen den Einleitungsstellen, die rosafarbenen Punkte den Messstellen. Quelle: AquaPlus AG (2018).

 

In diesem Beispiel wird die Strategie verfolgt, die Werte der STORM-Richtlinie für die Ron (in den das Mischabwasser eingeleitet wird) mit grosser Wahrscheinlichkeit einzuhalten. Dazu wird das mögliche zusätzliche Speichervolumen oberhalb der ARA genutzt.

 

Eine integrale Bewirtschaftung für Hochdorf: Weshalb?

Die Analyse des Befüllungs-/Enteerungsverhaltens der Regenüberlaufbecken in Hochdorf zeigte ein beträchtliches Optimierungspotenzial für die Funktion der im Gemeindegebiet vorhandenen Speichervolumen. Die Analyse und Auswertung hochaufgelöster Daten einzelner Regenereignisse verdeutlichte, dass die Entleerung der RB nicht koordiniert erfolgt. Häufig leeren sich die RB oberhalb von Baldegg und des Sagenbachs bereits, obwohl das RB vor der ARA noch entlastet. Um dies zu vermeiden, dürfen die Becken erst geleert werden, wenn die Eingangskapazität der ARA wieder ausreicht.

Wie oben erwähnt, verursachen die Einleitungen in die Gewässer (Ron, Baldeggersee) eindeutig bestimmte Auswirkungen. Aufgrund des Ausbaus der ARA Hochdorf ist eine voll dynamische Bewirtschaftung des Kanalisationsnetzes nicht erforderlich, da die Dimensionierungskapazität der ARA nach dem Ausbau erneut erhöht werden konnte.

Dank der bestehenden Verbindung der Sonderbauwerke mit dem Überwachungssystem der ARA Hochdorf lassen sich sämtliche RB und Pumpen des Kanalisationsnetzes zentral kontrollieren. Im ausgewählten Konzept sind die auf Regeln basierenden Entleerungsparameter der RB so definiert, dass die Speichervolumen 10 bis 12 Stunden nach Regenende vollständig geleert werden.

Das Ziel der integralen Wasserbewirtschaftung in diesem Beispiel besteht daher in der Optimierung des vorhandenen Systems und der Funktion der Regenbecken, ohne das Gewässer und die Funktion der ARA zu beeinträchtigen.

Schema der Funktionsweise des Entwässerungssystems Hochdorf. Quelle: HOLINGER AG.

 

Verwendete Daten

Die Daten des Prozessleitsystems der ARA wurden für den Zeitraum vom 04.08.2015 bis 13.11.2016 mit einer zeitlichen Auflösung von 5 Minuten ausgewertet. Die verwendeten Daten enthalten sämtliche Messdaten in die Regenüberlaufbecken, Wasserhöhen und Abflüsse sowie Informationen zur Funktion der Pumpen.

Analyse der Messdaten an verschiedenen Stellen des Netzes. Quelle: HOLINGER AG

 

Die Optimierung des Entwässerungssystems von Hochdorf erfolgte mithilfe von zeitlich vorgeschalteten, gewässerökologischen Analysen vor Ort, die sich auf die Immissionen in die Gewässer konzentrierte (Büro AquaPlus). Diese Analyse deckt sowohl die Fliessgewässer als auch das Ufer des Baldeggersees ab. Die Analysen wurden im Sommer 2017 (Baldeggersee) bzw. im Herbst 2017 (Fliessgewässer) durchgeführt und ermöglicht unter anderem, die jeweiligen Auswirkungen der Einleitungen des Entwässerungssystems in die Gewässer entsprechend ihrer Bedeutung zu gliedern und Handlungsprioritäten festzulegen.

Verwendete Instrumente

Für die Modellierung des Abwassersystems von Hochdorf wurden die Instrumente WaterElements (Emissionen), REBEKA 2 (Immisionen), SIMBA (dynamische Optimierung) und REBEKA DIM eingesetzt. WaterElements ist ein mit SAMBA, CityDrain oder KOSIM vergleichbares hydraulisches Simulationsmodell, das eine vereinfachte Modellierung eines Kanalisationsnetzes mit mehreren Einleitungsstrukturen ermöglicht und Zusatzoptionen wie in den genannten vergleichbaren Programmen bietet. Die Software SIMBA wurde in diesem Beispiel zur dynamischen Optimierung des Systems verwendet.  Die Immissionen in das Gewässer wurden mit REBEKA 2 modelliert. REBEKA DIM ermöglicht es, die hydraulische Dimensionierung eines RB zu kontrollieren, und dient hier zur Analyse der Notwendigkeit einer Vorentlastung oberhalb der jeweiligen RB.

Die STORM-Richtwerte für die Ron (in die das Mischabwasser eingeleitet wird), sind mit grösstmöglicher Wahrscheinlichkeit einzuhalten. Der Fokus wird auf die Toxizität von NH4+ gelegt, da nachgewiesen wurde, dass es sich dabei um den einzigen kritischen Parameter der Berechnung mit dem Instrument REBEKA handelt. Es ist darauf hinzuweisen, dass zur Analyse der Auswirkungen angenommen wurde, dass die Einleitungen der vier RB in Absprache mit der zuständigen kantonalen Behörde in die Ron geleitet werden. Die Ron wird als Hauptgewässer betrachtet und entsprechend modelliert, obwohl die einzelnen RB in kleinere Nebenbäche der Ron (Sagenbach, Brunnenmösliach) oder in den Stägbach geleitet werden.

Die Emissionen aus den verschiedenen Einzugsgebieten wurden mithilfe von WaterElements modelliert. Im Gegensatz zu REBEKA 2 lassen sich komplexere Abwassersysteme mit mehreren Einleitungen durch eine einzige Simulation berechnen. Es ist, anders als bei REBEKA 2, nicht erforderlich, das System in einzelne Untersysteme mit einer einzigen Einleitungsstelle zu unterteilen. Eine Untersuchung der Varianten mit WaterElements ist daher sehr viel einfacher. Dennoch war eine stochastische Berechnung der Immissionen bis dato nicht möglich. Daher musste für diese Aufgabe auf REBEKA 2 zurückgegriffen werden.

Zur Kalibrierung und Validierung der Simulation mit WaterElement wurde der Messzeitraum für die Systemdaten in zwei Zeiträume unterteilt: einer für die Kalibrierung, der andere für die Validierung. Mit den kalibrierten und validierten Modellen wurden verschiedene Varianten berechnet und die Emissionen und Immissionen bestimmt.

 

PASST-Analyse

Die PASST-Analyse zum Entwässerungssystem Hochdorf liefert folgendes Ergebnis: „Im Einzugsgebiet wird die dynamische Wasserbewirtschaftung nicht empfohlen“.

PASST-Analyse für die Bewertung des Potenzials einer Regulierung der verschiedenen Bauwerke für das Beispiel Hochdorf. Quelle: VSA

 

Dieses Ergebnis stimmt nicht direkt mit den durchgeführten Analysen überein: Eine Regulierung der verschiedenen Bauwerke durch einen Regelsatz ermöglicht es, die festgelegten Ziele zu erreichen, ohne zwingend auf ein dynamisches Flussmanagement zurückgreifen zu müssen. Die Bewertung zeigt, dass PASST für eine erste, stark vereinfachte Bewertung des Potenzials hilfreich ist. Letztlich sind jedoch spezielle Überprüfungen erforderlich, um das tatsächliche Potenzial erfolgreich einzuschätzen.

Integraler Ansatz für Hochdorf

Hinsichtlich der integralen Wasserbewirtschaftung ist das Beispiel Hochdorf ein Sonderfall, da der Fokus hauptsächlich auf der Bewirtschaftung auf der Ebene Netz-ARA-Gewässer liegt, die in diesem Beispiel perfekt integriert ist.

Die anderen Bereiche gingen praktisch nicht in die Überlegungen ein, die zu einer dynamischen und optimierten Bewirtschaftung des Entwässerungssystems im weiteren Sinne führten. Wie sich nachfolgender Abbildung entnehmen lässt, wurden nur die Bereiche „Fischfang“ und „Freizeit und Erholung“ geringfügig in die Überlegungen einbezogen (Gesamtbeurteilung).

Abbildung der verschiedenen Bereiche der integralen Wasserbewirtschaftung, die von den verschiedenen Beispielen dieses Standorts betroffen sind: innerer Ring, NAG-Bereich, äusserer Ring: weitere betroffene Bereiche

 

Hinsichtlich des fischereilichen Aspekts gilt es insbesondere, die globalen Ziele zum Schutz des Baldeggersees zu verfolgen, indem die Nährstoffeinträge, vor allem Phosphor, minimiert werden. Die Ufer des Sees sind bei der Bevölkerung beliebt, weshalb selbstverständlich Rückhaltelösungen für Grobstoffe angestrebt werden.

Dieses Beispiel verdeutlicht den Rahmen des VSA-Ansatzes gut: Es ist durchaus möglich, sich nur auf die Aspekte Netz-ARA-Gewässer zu konzentrieren, um ökonomische und effiziente Lösungen zu erzielen, ohne deshalb eine komplexe, multiattributive Bewirtschaftung umzusetzen.

Zusammenfassung

Dank der kritischen Analyse des GEP von Hochdorf und den detaillierten Untersuchungen der Systemdaten des Prozessleitsystems der ARA Hochdorf wurde ein besseres Verständnis des Systems Netz-ARA-Gewässer erreicht.

Es wurden verschiedene Varianten berechnet, um das ursprünglich erforderliche zusätzliche Speichervolumen für Mischabwasser oberhalb der ARA Hochdorf zu prüfen.

Auf Grundlage der Ergebnisse und in Zusammenarbeit mit den kantonalen Behörden, dem Personal der ARA und der Gemeindeverwaltung wurden Sofortmassnahmen umgesetzt, um die Funktion der Rückhaltebauwerke zu optimieren und so die eingeleiteten Ströme zu verringern.

Die Emissions-/Immissionsanalyse mithilfe von REBEKA zeigt, dass die Grenzwerte der STORM-Richtlinie mit den bereits umgesetzten oder vorgeschlagenen Varianten eingehalten werden können (Wahrscheinlichkeit > 65 %) und dass es daher nicht erforderlich ist, ein zusätzliches Speichervolumen zu bauen.

Die Zuflussmenge der ARA wurde infolge der Analyse der Systembelastungen von dimensioniert 200 l/s auf optimiert 250 l/s erhöht. Hierzu waren nur steuerungstechnische Anpassungen auf der ARA notwendig.

Das Gesamtvolumen der Einleitungen sowie die Gesamtbelastungen für Phosphor, Schwebstoffe und NH4-N lassen sich im Vergleich zur ursprünglichen Situation vor dem ARA Ausbau leicht verringern.

Ein zusätzliches Regenbeckenvolumen von 500 m³ (analysierte zusätzliche Variante) ermöglicht keine deutlich besseren Ergebnisse, was die Emissionen und Immissionen für das gesamte System angeht.

Unter der Annahme, dass die ARA Hochdorf gegen 2035 geschlossen und das Abwasser in einer zentralen ARA zusammengeführt wird, ist, in Absprache mit den kantonalen Behörden, bis dahin kein zusätzliches Speichervolumen erforderlich, es sei denn, die Überwachung der Immissionen und Emissionen zeigt, dass weitergehende Massnahmen ausnahmsweise angebracht sind.

Die Umsetzung alternativer Massnahmen wie eine dynamische Bewirtschaftung des Kanalisationsnetzes (mit regulierten Abflüssen, basierend auf Regeln mit Ober- und Untergrenzen) ist vorgeschlagen und umgesetzt worden. Die PASST-Analyse zeigt, dass die „statische“ Regulierung durch einen Regelsatz angeraten ist: Es wird interessant sein, zu beobachten, ob sich die Situation durch die dynamische Bewirtschaftung verbessern lässt.

Die Installation eines Rechens für das RB ARA wird zur Beschränkung der visuellen Auswirkungen im Falle eines Betriebsausfalls der Hebepumpen empfohlen und umgesetzt.

Die Ergebnisse dieses Beispiels basieren auf kalibrierten Simulationen: Es ist wichtig, sie durch Messungen zu validieren. Empfehlenswert ist die Installation einer zusätzlichen Niveausensoren am Überlauf des RB ARA, verbunden mit einem zentralen Steuersystem. Die Installation eines Trübungssensors nach dem Filtrationsschritt in der ARA wird ebenfalls empfohlen, um das Verhalten der ARA bei Regenwetter besser verstehen zu können. Die Daten spielen eine Schlüsselrolle in diesem Beispiel!

Die Analyse REBEKA DIM der vorhandenen RB im Kanalnetz zeigt, dass die geometrischen Spezifikationen für den Sedimentationsbereich gemäss den VSA-Richtlinien praktisch nicht erfüllt werden können. Dennoch gelten bauliche Veränderungen dieser RB aus technisch-ökonomischer Sicht als nicht verhältnismässig (wie beispielsweise der Bau einer Vorentlastung).

Das gesamte Konzept der integralen Bewirtschaftung wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Kanton erarbeitet, dessen Vertreter regelmässig an den Sitzungen teilnahmen. Die gewählten Lösungen sind kosten-nutzen-optimiert,  pragmatisch und partizipatorisch.

Eine vollständige Analyse der Wirksamkeit der Massnahmen, insbesondere für das Gewässer, ist geplant.

Die integrale Wasserbewirtschaftung im Fall Hochdorf, durch Optimierung der Funktionsfähigkeit der vorhandenen Infrastruktur, zeigt klar die Vorteile dieses Ansatzes.

 

Informationsquellen:

• Kanton Luzern, Umwelt und Energie (2014). Zuflüsse zum Baldeggersee – Belastete Einleitungen 2012/2013.
• HOLINGER AG und Fankhauser GEP Data Consulting (2017). Technischer Bericht Variantenstudium RÜB ARA Hochdorf.
• HOLINGER AG (2017). Technischer Bericht Optimierung Entleerungsregime Aussenbauwerke ARA Hochdorf.
• AquaPlus AG (2018). Kurzbericht Siedlungsentwässerung Hochdorf – Gewässerökologische Abklärungen.
• HOLINGER AG (2019). Technischer Bericht Bewirtschaftungskonzept Aussenbauwerke ARA Hochdorf.