Charakterisierung von Grauwasser

Band 37

Jan Christian Sievers

Kurzübersicht


 


Die gewachsene Struktur der Siedlungswasserwirtschaft genügt nicht den Kriterien der Nachhaltigkeit und Ressourceeneffizienz, da sie systemimmanente ökologische und ökonomische Defizite aufweist. Als Alternative bzw. Ergänzung zur bestehenden (Ab-) Wasserinfrastruktur kommen Neuartige Sanitärsysteme (NASS) in Betracht, die auf dem Leitgedanken des Stoffstrommanagements basieren. Damit NASS ihre Potentiale vollständig entfalten können, setzt die Separation von Schwarz- und Grauwasser qualifizierte Behandlungsoptionen voraus. Geeignete Lösungsansätze für Grauwasser fehlen indes, obwohl die Vorteile dieses Teilstroms, wie eine geringere organische Belastung und große Volumenströme mit einem relativ hohen Temperaturniveau, evident sind. Im Rahmen der Arbeit wurde daher eine umfangreiche Literaturrecherche durchgeführt und die erhobenen Literaturdaten bezüglich ihrer Qualität bewertet und statistisch ausgewertet. Im Rahmen der Messkampagnen konnte eine Vielzahl neuer Erkenntnisse zu Grauwassermenge und -zusammensetzung gewonnen und einwohnerspezifische Frachten hinsichtlich der relevanten Abwasserparameter CSB, BSB5, TN, TP und TS ermittelt werden.

ISBN: 9783941216952
ISSN: 1862-1406
Veröffentlicht: 31.05.2018, 1.. Auflage, Einband: Broschur, Abbildung und Tabellen: zahlr., viele davon farbig, Seiten 336, Format DIN B5 170x240 mm, Gewicht 1 kg
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Details

Jan Christian Sievers

Charakterisierung von Grauwasser

Band 37 der Schriftenreihe des Bauhaus-Instituts für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is).

19. Jahrgang 2018

2018. Format B5. Hardcover. 230 Seiten. Zahlreiche Tabellen und Abbildungen, viele davon farbig. ISBN 9783941216952. Preis 38,50 Euro.

RHOMBOS-VERLAG, Berlin 2018

Zugl. Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.)
an der Fakultät Bauingenieurwesen der Bauhaus-Universität Weimar

Gutachter:

1. Univ. Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong (BUW)

Bauhaus-Universität Weimar, Professur Siedlungswasserwirtschaft

http://www.uni-weimar.de/Bauing/siwawi/home/_home.htm

2. Prof. Dr.-Ing. Martin Oldenburg, Fachgebiet Biologische Abwasserreinigung und Abwasserverwertung Hochschule OWL Höxter

https://www.hs-owl.de/fb8/fachgebiete/biol-abwasserreinigung-u-abwasserverw/personen/leitung.html

3. Prof. Dr.-Ing. Matthias Barjenbruch (TU Berlin)

Fachgebiet für Siedlungswasserwirtschaft, TU Berlin

http://www.siwawi.tu-berlin.de/menue/mitarbeiter/fachgebietsleiter/prof_dr_ing_matthias_barjenbruch/

Tag der Disputation 19. Januar 2018

 

Herausgeber der Schriftenreihe:

Bauhaus-Institut für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is)

http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/institute/bis/

Das Bauhaus-Institut für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is) verfolgt das Ziel, die Kooperation der beteiligten Professuren Siedlungswasserwirtschaft, Biotechnologie in der Ressourcenwirtschaft und Urban Energie Systems zu intensivieren, um Lehr-, Forschungs- und Beratungssaufgaben auszubauen. So sind beispielsweise die Weiterentwicklung von Studiengängen, gemeinsame Doktorandenkolloquien oder gemeinsame Forschungs- und Entwicklungsaufgaben angedacht.

Das "Bauhaus-Institut für zukunftsweisende Infrastruktursysteme" (b.is) will sich deutlich sichtbar im Bereich der Infrastrukturforschung aufstellen. Die Forschung und Lehre in diesem Bereich orientiert sich am medienübergreifenden Modell der nachhaltigen Gestaltung von Stoff- und Energieflüssen, die verbindendes Konzept der Kernprofessuren des Instituts sind.

Dem b.is gehören an:

Professur Biotechnologie in der Ressourcenwirtschaft (Prof. Dr.-Ing. Eckhard Kraft)

http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/professuren/biotechnologie-in-der-ressourcenwirtschaft/

Professur Siedlungswasserwirtschaft (Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong)

http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/professuren/siedlungswasserwirtschaft/

Junior-Professur Urban Energy Systems

http://www.uni-weimar.de/Bauing/energy/index.html

Professur Technologien urbaner Stoffstromnutzungen (Kommissarischer Leiter: Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong)

http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/professuren/technologien-urbaner-stoffstromnutzung/

Professur Verkehrssystemplanung (Prof. Dr.-Ing. Uwe Plank-Wiedenbeck)

http://www.uni-weimar.de/de/bauingenieurwesen/professuren/verkehrssystemplanung/


Honorarprofessor Dr.-Ing. U. Arnold

http://www.ahpkg.de/index.php?id=93

Schlagworte (Deutsch)

  1. Grauwasser
  2. Grauwassercharakterisierung
  3. Grauwasserbeschaffenheit
  4. einwohnerspezifische Grauwasserfrachten
  5. Grauwasserfeststoffe
  6. Neuartige Sanitärsysteme
  7. NASS
  8. Bemessungsvorschläge
  9. Stoffstromtrennung
  10. volumeproportionale Probenahme
  11. Literaturdatenbewertung

Keywords

  1. greywater (graywater)
  2. greywater solid (graywater solids)
  3. inhabitant specific greywater loads
  4. new alternative sanitation systems
  5. ecological sanitation
  6. design values
  7. greaywater characterization
  8. evaluation of literature data
  9. material flow separation

Kurzfassung

Die gewachsene Struktur der Siedlungswasserwirtschaft genügt nicht den Kriterien der Nachhaltigkeit und Ressourceeneffizienz, da sie systemimmanente ökologische und ökonomische Defizite aufweist. Als Alternative bzw. Ergänzung zur bestehenden (Ab-) Wasserinfrastruktur kommen Neuartige Sanitärsysteme (NASS) in Betracht, die auf dem Leitgedanken des Stoffstrommanagements basieren. Damit NASS ihre Potentiale vollständig entfalten können, setzt die Separation von Schwarz- und Grauwasser qualifizierte Behandlungsoptionen voraus.

Geeignete Lösungsansätze für Grauwasser fehlen indes, obwohl die Vorteile dieses Teilstroms, wie eine geringere organische Belastung und große Volumenströme mit einem relativ hohen Temperaturniveau, evident sind. Im Rahmen der Arbeit wurde daher eine umfangreiche Literaturrecherche durchgeführt und die erhobenen Literaturdaten bezüglich ihrer Qualität bewertet und statistisch ausgewertet. Um den mangelnden Kenntnisstand hinsichtlich der Grauwassercharakteristik zu ergänzen, wurden die Quantität und chemisch-physikalische Zusammensetzung von häuslichem Grauwasser an vier Standorten untersucht. Die umfangreichen Messreihen führten zu einer maßgeblichen Verbreiterung der Datengrundlage hinsichtlich Grauwasserquantität und -charakteristik. Während der 56 Messtage wurde eine spezielle Probenahmekonstruktion eingesetzt, die eine volumenproportionale Probenahme mit vorgeschalteter Feststoffeentnahme ermöglichte. Mit dieser Probenahmetechnik konnte eine vollumfängliche Erfassung und Bilanzierung des Grauwassers inklusive aller Feststoffe gewährleistet werden.

Im Rahmen der Messkampagnen konnte eine Vielzahl neuer Erkenntnisse zu Grauwassermenge und -zusammensetzung gewonnen und einwohnerspezifische Frachten hinsichtlich der relevanten Abwasserparameter CSB, BSB5, TN, TP und TS ermittelt werden. Es wurde festgestellt, dass hinsichtlich der organischen Frachten von Grauwasser ein CSB : BSB5-Verhältnis < 2 angenommen werden darf. Die BSB5-Frachten waren höher, als die Literaturwerte und der Orientierungswert des DWA-A 272 (2014) vermuten ließen. Das CSB-Frachtmittel entspricht gut 45 % der Fracht häuslichen Rohabwassers. Für die Makronährstoffe Stickstoff und Phosphor wurden Frachten ermittelt, die in ähnlichen Größenordnungen wie die Literaturdaten liegen. Die Stickstoff- und Phosphorfrachten von Grauwasser sind aufgrund des Fehlens von Urin und Fäzes deutlich geringer als in häuslichem Abwasser. Das BSB5 : TN : TP-Verhältnis von Grauwasser belief sich auf 100 : 3,2 : 1,2 und wies eine theoretische Stickstofflimitation und folglich eine suboptimale Nährstoffverteilung für eine biologische Abwasserbehandlung auf. Grundsätzlich konnten die Hauptanteile von CSB, BSB5, TN und TP in der Flüssigphase des Grauwassers nachgewiesen werden. Der Beitrag der Grauwasserfeststoffe mit Partikelgrößen > 200 µm an der Gesamtfracht lag, bezogen auf die Parameter CSB, TN und TP, zwischen 3 – 8 %. Neben den Parametern hinsichtlich der Organik- bzw. Nährstofffrachten wurden die Grauwasservolumenströme und -temperaturen ermittelt. Mit rd. 21 °C besitzt Grauwasser eine höhere Durchschnittstemperatur als kommunales Abwasser. Zwischen der Temperatur und dem Volumenstrom konnte ein mittlere bis starke positive Korrelation nachgewiesen werden.

Insgesamt ermöglichen die aus den Messkampagnen abgeleiteten Zulauffrachten eine genauere Bemessung von Grauwasserbehandlungsanlagen sowie eine bessere Abschätzung des Nutzungspotentials von Grauwasser und sind daher von praktischer Relevanz.

Abstract

The present infrastructure for water supply and wastewater disposal does not meet the criteria of sustainability and resource efficiency because of its systemic ecological and economic deficits. Sustainable ecological sanitation systems, based on the concept of the material flow management, are considered as an alternative and enhancement to conventional water infrastructure. The separation of black- and greywater requires appropriate treatment options, so that these ecological sanitation systems can develop to their full potential.

Appropriate solutions for greywater are often lacking, although the benefits of greywater like lower organic pollution and high volume flow rates with a relatively high temperaturelevel are known. For this reason, an extensive literature research was conducted and the collected data were evaluated in terms of their quality and then statistically analyzed.

To improve the current state of knowledge with regard to greywater characteristics, the quantity and chemical and physical composition of greywater were investigated at four experimental sites with domestic greywater. The extensive measurement campaigns have led to a significant improvement of the data basis for greywater quantity and characteristic. During the 56 sampling-days a new sampling technique was used, which allows a flow-proportional sampling with an upstream solid-separation unit.

In these sampling-campaigns new knowledge about greywater quantity and composition could be gained and the inhabitant specific loads for the wastewater parameters COD, BOD5, TN, TP and TSS could be determined. For the organic greywater parameters a COD : BOD5-ratio < 2 was found. However, the BOD5 load was significantly higher than given literature for instance in comparison to the orientation value of DWA-A 272 (2014). The average COD load is corresponding to over 45% of the average COD-load of domestic wastewater. The loads of the macronutrients nitrogen and phosphorus were in a similar range like values given by literature. Due to the lack of urine and faeces the nitrogen and phosphorus loads of greywater are substantially lower compared to domestic wastewater. The BOD: TN : TP-ratio was about 100: 3.2: 1.2 and has a theoretical nitrogen deficiency and therefore a sub-optimal nutrient distribution. All in all, the majority of the COD, BOD5, TN and TP can be detected in the liquid phase of the greywater. The contribution of the greywater solids with particle sizes over 200 microns in relation to the total inhabitant-specific load was approximately 3 – 8% depending on the parameter. In addition to the organic- and nutrient-loads, the greywater volume flows and temperatures were determined. With about 21 °C greywater has higher average temperatures than domestic sewage. Furthermore, a moderate to strong positive correlation could be found between the parameters temperature and volume flow. Overall, the design-values derived from the sampling-campaigns allow a more accurate dimensioning of greywater treatment systems, as well as a better assessment of possible uses of greywater.

Zusammenfassung und Ausblick

Die seit über 100 Jahren gewachsene Struktur der Siedlungswasserwirtschaft muss sich zunehmend neuen Herausforderungen stellen, da sie nicht den Kriterien der Nachhaltigkeit genügt und systemimmanente ökologische und ökonomische Defizite aufweist. Als Alternative bzw. Ergänzung zu zentralen End-of-Pipe Systemen werden neuartige Sanitärsysteme (NASS) diskutiert, die auf dem Leitgedanken des Stoffstrommanagements basieren und den Anforderungen einer nachhaltigen und ressourceneffizienten Entwicklung entsprechen. Damit NASS ihr Potential vollumfänglich entfalten können, ist das Gesamtsystem zu betrachten und für alle Teilströme sind praktikable Behandlungsoptionen zu finden. Für Grauwasser fehlen häufig geeignete Lösungsansätze, obgleich die Vorteile dieses Teilstroms wie eine geringere organische Belastung und große Volumenströme mit einem relativ hohen Temperaturniveau in der Literatur eingehend diskutiert wurden.

Aufgrund der defizitären Datenbasis hinsichtlich der Charakteristika und Volumenströme von Grauwasser fehlen Planungsgrundlagen und Auslegungskenngrößen für Grauwasseranlagen. Diese sind jedoch eine Voraussetzung für die Umsetzung von NASS. Bemessungsgrundlagen sollten nicht auf Grundlage von Literaturdaten abgeleitet werden, da die Angaben zu Grauwasservolumenstrom und -beschaffenheit aufgrund unterschiedlicher Studiendesigns eine erhebliche Schwankungsbreite aufweisen. Eine Verdichtung der lückenhaften Datenbasis für den Stoffstrom Grauwasser war daher dringend geboten, um Unsicherheiten im Zusammenhang mit der Auslegung von Grauwasserrecyclinganlagen und -speichern zu verringern. In der vorliegenden Arbeit wurden kritische Punkte und Wissenslücken identifiziert und die bestehende Datenbasis konnte in Bezug auf Beschaffenheit, Volumenstrom und das Temperaturniveau von Grauwasser deutlich verbreitert werden. Auf Grundlage der erhobenen Daten wurden abschließend Aussagen zu relevanten Auslegungskenngrößen formuliert.

Zur Charakterisierung von Grauwasser wurde eine umfangreiche Literaturrecherche mit einem Fokus auf europäische Daten angefertigt (Kapitel 3), die mit zusätzlichen empirischen Daten zum Stoffstrom Grauwasser untermauert wurde (Kapitel 6). Im Verlauf der Literaturdatenrecherche und -auswertung zeigte sich, dass die ermittelten Literaturwerte kein homogenes Qualitätsniveau besaßen, da unterschiedliche Probenahmetechniken, Probenarten und -anzahlen sowie verschiedene chemische Analysemethoden nicht ohne Weiteres miteinander vergleichbar waren. Darüber hinaus wird der Begriff Grauwasser in der internationalen Literatur nicht einheitlich verwendet und Auslegungskennwerte anderer Staaten können nicht uneingeschränkt auf andere Randbedingung übertragen werden.

Aufgrund der Unsicherheit der Literaturdatenlage war eine Bewertung der Daten erforderlich. Im Rahmen der Literaturrecherche wurden daher neben quantitativen Daten, wie Konzentrationen und Frachten, auch qualitative Daten sowie Metainformationen erfasst, um den Datenbestand weiter differenzieren und bewerten zu können. Weil die Datenerhebung und das Untersuchungsdesign in vielen Literaturquellen unzureichend dokumentiert sind, war eine nachgelagerte Plausibilitätsprüfung der Literaturdaten kaum möglich. Eine Beurteilung konnte nur auf Grundlage der veröffentlichten Informationen erfolgen. Folglich konnte sich die Bewertung nicht auf die tatsächliche Qualität einer Studie beziehen, sondern nur auf die Qualität der Dokumentation der Untersuchungen. Der entwickelte Bewertungsansatz sieht eine Klassifizierung der Literaturdatensätze in drei Qualitätslevel vor, um die Defizite der heterogenen Datenqualität zu kompensieren. Für die Bewertung wurde eine Differenzierung der Datensätze nach definierten Kriterien vorgenommen, um Datensätze hoher Qualität zu identifizieren. Die gewählten Kriterien wurden operationalisiert und mittels einer Paarvergleichsmatrix gegeneinander gewichtet, um deren Priorität zu ermitteln und eine Rangfolge festzulegen. In Abhängigkeit der Priorität wurde die Punkteverteilung für die Einzelkriterien festgelegt. Die eigentliche Bewertung eines Literaturdatensatzes ergab sich durch Addition der den Kriterien zugeordneten Einzelbewertungen zu einer Gesamtpunktzahl. Die Einteilung in die drei Qualitätslevel A, B und C wurde anhand des prozentualen Erfüllungsgrades bezogen auf die Gesamtpunktzahl vorgenommen. In einem abschließenden Bearbeitungsschritt wurden die Qualitätsstufen zuerst separat statistisch analysiert und anschließend zu einem gewichteten Mittelwert aggregiert (Kapitel 3.5.4). Um die Eignung der entwickelten Bewertungsmethode zu validieren, wurde zusätzlich zu der gewichteten eine ungewichtete Literaturdaten-analyse des selektierten Datensatzes durchgeführt. Die Ergebnisse der gewicheten und ungewichteten Literaturdatenauswertung sind in Kapitel 3.6 gegenübergestellt.

Im praktischen Teil – der empirischen Datenerhebung – wurden an unterschiedlichen Standorten volumenproportionale Rohgrauwasserproben entnommen. Grundlage für die Testkampagnen war eine Bestandsanalyse von Standorten mit Grauwasseranlagen. Im Rahmen dieser Voruntersuchung konnten deutschlandweit 64 Anlagen ermittelt werden, von denen 23 den Grauwassergesamtstrom erfassen. Alle recherchierten Standorte wurden systematisch, vor dem Hintergrund ihrer baulichen Randbedingungen zum Einsatz der vorgesehenen Probenahmetechnik, bewertet. Ein weiteres wichtiges Kriterium war die Anbindung einer möglichst hohen Nutzerzahl an der Grauwasser-anlage. Im Ergebnis der Bewertung wurden die drei Grauwasseranlagen Berlin „Block 6“ (BB6), Lübeck „Flintenbreite“ (LFB) sowie die „Ökologische Siedlung am Moorwiesengraben“ in Kiel (KMG) für die Testkampagnen ausgewählt (Kapitel 4). Eine zusätzliche Untersuchung konnte in einem Weimarer Einfamilienhaus realisiert werden. Die Untersuchungsergebnisse der drei Siedlungsgebiete konnten daher mit dem Grauwasser des Einfamilienhauses verglichen werden.

Im Rahmen der Messkampagnen wurden Daten zur Menge und Beschaffenheit von Rohgrauwasser erhoben, um die Zulaufbelastungen von Grauwasserbehandlungsanlagen abzuschätzen. Zu Entnahme von Proben repräsentativer Zusammensetzung wurde eine volumenproportionale Probenahme mit vorgeschalteter Feststoffentnahme eingesetzt. Die umfassende Beschreibung der Probenahmekonstruktion, Probenahmestrategie und der analytischen Methoden ist in Abschnitt 5 erläutert. Durch umfangreiche Messreihen an den drei Standorten BB6, LFB und KMG sowie dem Einfamilienhaus in Weimar konnte die Datengrundlage zur Grauwasserquantität und -charakteristik maßgeblich verbreitert werden. Die 85 %-Perzentile der einwohnerspezifischen Frachten für die Parameter TS, CSB, BSB5 sowie die Nährstoffe TN und TP wurden in Anlehnung an das ATV-DVWK-A 198 (2003) ermittelt. Des Weiteren wurde der 85 %-Perzentilwert des Grauwasservolumenstroms bestimmt und der Stundenspitzenfaktor XQ,max für den Grauwasserabfluss berechnet, so dass auch diesbezüglich konkrete Auslegungsempfehlungen vorliegen. Betriebstechnisch relevant sind auch die Erkenntnisse zum Grauwassertemperaturniveau sowie zu den pH-Werten (Kapitel 6).

Eine Abschätzung der Fehlerhöchstgrenzen für die oben genannten einwohnerspezifischen Frachten bzw. Volumenströme erfolgte in Kapitel 5. Insgesamt ermöglichte die solide Datengrundlage die Empfehlung von Auslegungskennwerten, welche die hydraulische und stoffliche Bemessung von Grauwasserbehandlungsanlagen sowie eine bessere Abschätzung der Nutzungspotentiale von Grauwasser erlauben. Die wesentlichen Ergebnisse in Bezug auf die Literaturdatenanalyse, die Untersuchungsergebnisse sowie eine Beurteilung des Probenahmesystems werden in den folgenden Abschnitten dieser Zusammenfassung kurz dargelegt.

Literaturdatenbewertung und -analyse

Die Literaturdatenrecherche zeigte für die meisten abwasserrelevanten Parameter eine relativ dichte Datenlage. Das zentrale Problem der Literaturstudie war die inhomogene Datenqualität mit weiten Schwankungsbereichen, eine lückenhafte Dokumentation sowie die uneinheitliche Definition des Begriffes Grauwasser, wodurch die Vergleichbarkeit von Literaturwerten erschwert
wurde. Eine Charakterisierung des Stoffstromes Grauwasser war in den wenigsten Publikationen das übergeordnete Ziel der Studien. Durch die Bewertung der Literaturdatenbasis konnte eine Differenzierung der Daten hinsichtlich ihrer Qualität erreicht werden, so dass Datensätze höherer Qualität bei der Mittelwertbildung stärker gewichtet und entsprechend ihrer Bedeutung stärker im Gesamtergebnis berücksichtigt werden konnten. Eine Validierung der gewichteten Literaturdatenanalyse erfolgte, indem die selektierten Datensätze ohne Gewichtung statistisch ausgewertet und die Ergebnisse gegenübergestellt wurden. Die Wesentlichen Ergebnisse mit Bezug auf die Literaturdatenanalyse sind:

  • Die Bewertung von Literaturdaten und damit auch die Aussagekraft des Ergebnisses ist maßgeblich von der Dokumentation der Einzelstudien abhängig.
  • Der entwickelte Ansatz ist geeignet, heterogene Literaturdaten gewichtet zu bewerten und eine Differenzierung von Datensätze entsprechend ihrer Dokumentationsqualität vorzunehmen.
  • Die gewählten Bewertungskriterien sind zur Bewertung der Literaturdaten geeignet, wenn auch einige der Bewertungsfaktoren relativ schwache Kriterien sind.
  • Der entwickelte Ansatz ist flexibel gegenüber einer Erweiterung des Kriterienkataloges, wodurch eine weitergehende Differenzierung der Datensätze erreicht werden kann.
  • Durch die Clusterung der Daten in die Qualitätslevel A, B und C konnte ein Heterogenitätszuwachs von A nach C festgestellt werden. In 43 % aller Fälle variierten die Daten von Qualitätslevel A weniger um den Mittelwert als die der Qualitätsstufen B oder C.
  • Die Datenerfassung, -aufbereitung und -analyse ist aufwendiger, da neben den Zahlenwerten zusätzliche (Meta-) Informationen zu erfassen sind.
  • Die mathematische Berechnung ist komplexer und aufwendiger im Vergleich zu einer ungewichteten Literaturdatenanalyse. Dieser Schwachpunkt der Bewertungsmethode könnte durch eine weitgehende Automatisierung der Auswertung abgefangen werden.
  • Die Gewichtung der Literaturdatensätze hat nur einen geringen Einfluss auf das Ergebnis der statistischen Analyse. Die Mittelwerte der gewichteten und ungewichteten Literaturdaten zeigten vergleichbare Größenordnungen und wichen um durchschnittlich 6,9 % voneinander ab. Der höhere Berechnungsaufwand der gewichteten Analyse ist nicht gerechtfertigt, da er keinen zusätzlichen Mehrwert erzeugt. Insgesamt kann festgehalten werden, dass sich das Werkzeug einer gewichteten Datenanalyse für diesen Anwendungsfall nicht bewährt hat.
  • Auf die Ergebnisse der Literaturrecherche in Bezug auf die einwohnspezifischen Frachten und Durchflüsse sowie pH-Wert und Temperatur soll an dieser Stelle nicht dezidiert eingegangen werden, da diese Werte in knapper Form in Tabelle 3−11 (Kapitel 3.7) dargelegt sind. Die Erkenntnisse der Literaturdatenanalyse können folgendermaßen zusammengefasst werden:
  • Im Vergleich zum DWA-A 272 (2014) wurden im Rahmen der Literaturdatenanalyse etwas höhere Werte für den Durchfluss und den TS-Gehalt festgestellt. Die einwohnerspezifische CSB-Fracht der gewichteten und ungewichteten Literaturdaten waren dagegen niedriger als der im DWA-Arbeitsblatt angegebene Orientierungswert. Für die BSB5-, TN- und TP-Frachten zeigte sich eine gute Übereinstimmung zwischen den Literaturdaten und den Angaben des DWA-A 272 (2014).
  • Das mittelwertbezogene CSB : BSB5-Verhältnis der Literaturdaten beträgt 2,3 und lag etwa in der Größenordnung kommunalen Abwassers.
  • Im Vergleich zu kommunalem Rohabwasser ist das BSB5:TN:TP-Verhältnis von Grauwasser mit 100 : 6,7 : 2,6 niedriger. Es entspricht in guter Näherung einem BSB5 : TN : TP-Verhältnis von 100 : 5 : 1, so dass von einer guten aeroben biologischen Abbaubarkeit ausgegangen werden kann. Die Makronährstoffe Stickstoff und Phosphor liegen in einem geringen molaren Überschuss vor.

Beurteilung der Probenahmekonstruktion

Im Rahmen der Messkampagnen wurde eine Probenahmekonstruktion zur vollumfänglichen Erfassung und Bilanzierung von Grauwasser inklusive aller Feststoffe verwendet. Während der Probenahme erfolgte die Separation des Abwasserstroms in eine feststoffreiche (Filterrückstand) und feststoffarme Phase (Filtratablauf). Jeder Tagesmischprobe-Filtratwasser stand eine korrespondierende Tagesmischprobe Filterrückstand gegenüber, wodurch die beiden separierten Teilströme getrennt bilanziert werden konnten. Eine ausführliche Beschreibung der Probenahmekonstruktion ist Kapitel 5 zu entnehmen. Die Erfahrungen mit der Probenahmetechnik, werden im Folgenden kurz zusammengefasst:

  • Insgesamt konnte die Betriebssicherheit der Probenahmekonstruktion als gut eingeschätzt werden, sofern keine außergewöhnlichen Betriebszustände (Extremdurchflüsse) vorlagen. In diesen Fällen war teilweise ein Rückstau in das Kanalnetz zu verzeichnen, so dass eine exakte volumenproportionale Probenahme – aufgrund der langen Ansprechzeiten des Probenehmers – nicht gewährleistet werden konnte.
  • Eine volumenproportionale Probenahme ist in Grauwassersystemen aufgrund der stark variierenden Volumenströme problematisch. Das grundsätzliche Problem besteht in der Erfassung niedriger Durchflüsse (Messrohre mit geringen Durchmessern) und der Gewährleistung der Betriebssicherheit des Probenahmesystems.
  • Aufgrund der geringen Feststoffmengen (vgl. Kapitel 6) ist die separate Erfassung der Feststoffe mit einem Beutelfilter sehr aufwendig und nicht erforderlich. Im Rahmen erneuter Messprogramme sollte das Hauptaugenmerk auf eine mengen- bzw. volumenproportionale Probennahme aus dem homogenisierten Grauwasserabfluss gelegt werden.
  • Die Nutzung von zwei Durchflussmessgeräten hat sich als vorteilhaft herausgestellt, da Fehler bei der Durchflussmessung bzw. der Messwertaufzeichnung frühzeitig erkannt werden konnten.
  • Geräteunvollkommenheiten des Probenehmers wie bspw. die fehlende Kalibrierung des Dosierrohres führen zu Abweichungen von den Soll-Probenahmevolumina.
  • Verunreinigungen des Probenahmesystems (Dosiersystem, Biofilmbildung in den Probenehmerschläuchen, etc.) waren während der Messphasen nicht zu vermeiden, so dass eine regelmäßige Wartung bzw. Reinigung während der Messkampagne geboten ist.
  • Bei niedrigen Fließgeschwindigkeiten sedimentierten in der Dükerung des Probenahmesystems Feststoffe, was zu einem Minderbefund bei der Feststoffmenge führen kann.

Charakterisierung von Grauwasser

Auf Basis der erhobenen Daten wurden Bemessungsgrundlagen für die abwasserrelevanten Parameter abgeleitet. Die ermittelten Auslegungsempfehlungen sind unter dem Vorbehalt der in Kapitel 5.4 erläuterten Fehlerklassen zu betrachten. Es ist von einem Fehler von etwa ± 10 % auszugehen. Die wichtigsten Ergebnisse werden folgendermaßen zusammengefasst:

•        Bei der Auslegung von Grauwasseranlagen kann ein einwohnerspezifischer Grauwasservolumenstrom von 82 l/(E•d) angenommen werden (85%-Perzentil). Im Median betrug die Grauwassermenge 67 l/(E•d). Dieser Wert lag etwa 11 % unter dem Medianwert des DWA-A 272. Die Tagesgrauwassermenge war durch hohe Spitzenabflüsse gekennzeichnet. Der Mittelwert des Stundenspitzenfaktors XQ,max betrug 7,8. Die einstündliche Spitzenzuflüsse ergaben sich zu 0,12 l/s bzw. 0,003 l/(E•s).

•        Das Mittel der Grauwassertemperatur betrug rd. 20,6 °C und war damit höher als jenes von kommunalem Abwasser. Zwischen der Temperatur und dem Volumenstrom wurde ein mittelstarke bis starke positive Korrelation (rxy = 0,648 – 0,892) nachgewiesen. Damit ergab sich ein theoretisches Wärmenutzungpotential für Grauwasser von etwa 8 – 10 Kelvin, ohne dass eine nachgeschaltete biologische Behandlung maßgeblich beeinträchtigt würde. Aufgrund der geringen Grauwassermengen sollten bevorzugt dezentrale Wärmerückgewinnungssysteme eingesetz werden, um Wärmeverluste zu minimieren.

•        Das Grauwasser wies neutrale bis leicht alkalische Milieubedingungen mit einem pH-Wert von 7 – 8 auf. In Bezug auf den pH-Wert sind betriebstechnische Probleme in einer nachgeschalteten Grauwasserbehandlungsanlage nicht zu erwarten.

•        Auf Basis der 85%-Perzentile wurden für die Zulauffrachten der organischen Parameter CSB und BSB5 56 g/(E•d) und 37 g/(E•d) vorgeschlagen. Das CSB-Frachtmittel entsprach gut 45 % der Fracht häuslichen Rohabwassers. Die 85%-perzentil- und mittelwertbezogenen CSB : BSB5-Verhältnisse betrugen 1,5 bzw. 1,8 und waren etwa geringer als in kommunalem Abwasser. Negative Auswirkungen auf die aerobe biologische Behandlung sind daher kaum zu erwarten. Bezogen auf die CSB-Gesamtfracht hatte der Feststoffanteil mit Partikelgrößen > 200 µm einen Anteil von 6,3 %. Etwa 94 % der CSB-Fracht entfielen auf die flüssige Phase des Grauwassers. Der Großteil der CSB-Fracht von ca. 60 % lag in gelöster Form vor.

•        Für den Makronährstoff Stickstoff wird eine TN-Fracht von 1,25 g/(E•d) als Bemessungsgrundlage für Behandlungsanlagen empfohlen. Die

NH4-N-Frachten in Grauwasser liegen, bezogen auf das 85%-Perzentil, in einer Größenordnung von ca. 0,28 g/(E•d). Mit 92 % wurde der Hauptteil der Stickstofffracht in der homogenisierten Grauwasserflüssigphase nachgewiesen. Etwa 8 % der Gesamtstickstofffracht entfielen auf die Partikelgrößenfraktion > 200 µm. Gelöste Stickstoffverbindungen hatten einen Anteil von 22 % an der Gesamtstickstofffracht.

•        Die Auslegungsempfehlung für den Parameter Gesamtphosphor beträgt 0,5 g/(E•d). Hinsichtlich der PO4-P-Fracht kann von 0,15 g/(E•d) ausgegangen werden (85 %-Perzentil). Das Gros der Phosphorfracht von etwa 97 % war in der flüssigen Phase des Grauwassers vorhanden. Der partikuläre Phosphoranteil der Fraktion > 200 µm betrug im Mittel 3,1 %, der Anteil gelösten ortho-Phosphat-Phosphors 26,2 %.

•        Die 85%-perzentil- und mittelwertbezogenen BSB5 : TN : TP-Verhältnis der aggregierten BSB5-, TN und TP-Frachtwerte beliefen sich auf 100 : 3,6 : 1,4 bzw. 100 : 3,2 : 1,2. Das BSB5 : TN : TP-Verhältnis wies ein rechnerisches Stickstoffdefizit und damit eine suboptimale Nährstoffverteilung für eine biologische Grauwasserbehandlung auf.

Forschungsbedarf und Ausblick

Sowohl die Ergebnisse der Literaturrecherche als auch die Messergebnisse zeigten, dass von der Anwendung der Bemessungswerte des ATV-DVWK-A 131 (2000) bei der Auslegung von Grauwasserbehandlungsanlagen abgesehen werden muss. Der Datenbestand zum Stoffstrom Grauwasser konnte durch das Messprogramm wesentlich verbreitert werden, so dass eine umfangreiche Charakterisierung von Grauwasser und die Abschätzung von Bemessungswerten auf einer dichten Datenbasis ermöglicht wurde. Nun gilt es diese Bemessungsfrachten durch weiterführende Untersuchungen und die praktische Umsetzung von Grauwassersystemen zu validieren. In diesem Kontext sollte unter anderem untersucht werden, ob und inwiefern die theoretische errechnete Stickstofflimitation in der praktischen Anwendung relevant ist.

Abwasserreinigungstechnologien sind in der Praxis zu erproben und zu adaptieren, um die Behandlungsmöglichkeiten für alle Abwasserteilströme zu optimieren, damit NASS ihre Potentiale vollständig entfalten können. Vor diesem Hintergrund spielt die Skalierbarkeit zweckmäßiger Behandlungsverfahren bzw. Systemkomponenten eine entscheidende Rolle. Insbesondere in Bezug auf kleine Wohneinheiten (EFH) besteht eine lückenhafte Datengrundlage und Forschungsbedarf, da das Grauwasser aufgrund individueller Lebensverhältnisse größeren fracht- und volumenbezogenen Schwankungen unterworfen ist.

Es gilt auch die Nutzungskonzepte für Grauwasser weiterzuentwickeln und parallel die normativen und rechtlichen Rahmenbedingungen zur Grauwasser- bzw. Betriebswassernutzung zu schaffen, in denen die Qualitätsanforderungen für aufbereitetes Grauwasser zur Wiederverwendung festgelegt werden. Hinsichtlich der Wärmerückgewinnung aus Grauwasser existieren bereits erfolreiche Pilotprojekte zur Rückgewinnung thermischer Energie aus Grauwasser. Verschiedene Hersteller bieten Systeme zur lokalen oder dezentralen Wärmerückgewinnung an, welche sich jedoch auf dem Markt bis dato nicht durchgesetzt haben. Die Nutzung dieser Energiequelle sollte im Rahmen der Umsetzungen von NASS-Projekten grundsätzlich berücksichtigt werden, um die bereits vorhandenen Wärmerückgewinnungssysteme weiter zu optimieren und damit die Vorteile von NASS vollständig auszuschöpfen. Ferner sollte die Entwicklung geeigneter Betreiberkonzepte für dezentrale Systeme bis hin zu Kleinstanlagen in Einfamilienhäusern intensiviert werden. Verschiedene Literaturquellen berichten über Mikroschadstoffe in Grauwasser [vgl. u.a. Donner et al, 2008; Eriksson et al., 2003; Eriksson et al., 2009; Hernández Leal, 2010]. Aufgrund der Vielzahl verwendeter Substanzen in Körperpflegemitteln und anderen Haushaltschemikalien existieren auf diesem Gebiet dennoch erhebliche Wissenlücken. Zu den emittierten Frachten von Mikroschadstoffen aus Grauwasser liegen für den deutschsprachigen Raum nur wenige Daten vor, so dass Spurenstofffrachten und in der Folge die ökologischen Auswirkungen kaum abgeschätzt werden können. Vordringlich ist in diesem Zusammenhang auch die Festlegung von Leitsubstanzen. Für die verwendeten Spurenstoffe fehlen häufig Angaben zu ökotoxikologischen Kennwerte (bspw. PBT, CMR, PNEC etc.), so das eine Abschätzung des ökotoxikologischen Risikos kaum möglich ist. Forschungsbedarf besteht ferner hinsichtlich der Problematik des Mikroplastiks bspw. aus Kosmetikprodukten (Microbeads), da bzgl. der Umweltauswirkungen und Frachten von Mikroplastik aus Grauwasser keine belastbare Datengrundlage vorliegt.

Da NASS derzeit nicht die a.a.R.d.T. repräsentieren sondern bestenfalls S.d.T. sind, sollten (großmaßstäbliche) Pilotprojekte umgesetzt werden, um die praktischen Erfahrungen zu erweitern und die Ressourceneffizienz von NASS belastbar zu quantifizieren. Die Erstellung bzw. Anpassung des normativen Regelwerks und der rechtlicher Rahmenbedingungen sollte vor diesem Hintergrund intensiviert werden, um Hemmnisse bei der Realisierung von NASS-Projekten zu überwinden und zugleich die Investitionssicherheit für die Projektträger sicherzustellen.

Inhaltsverzeichnis

Danksagung V

Kurzfassung  VII

Abstract       IX

Inhaltsverzeichnis   XI

Tabellenverzeichnis          XVI

Abbildungsverzeichnis       XXI

Abkürzungen und Symbole         XXX

1        Einleitung     1

1.1     Veranlassung und Untersuchungsgegenstand  1

1.2     Hintergrund und Problemstellung         4

1.3     Zielsetzung und Schwerpunkte   5

1.4     Struktur der Arbeit 6

2        Grundlagen – Grauwasser und Probenahme   7

2.1     Trinkwasserverbrauch und Grauwassermenge          7

2.2     Definitionen von Grauwasser      8

2.3     Inhaltsstoffe und Herkunftsquellen von Grauwasser  9

2.3.1  Grauwasser aus dem Sanitärbereich     10

2.3.2  Waschmaschinengrauwasser      11

2.3.3  Grauwasser aus dem Küchenbereich    13

2.4     Technisches Regelwerk zu Grauwasser 15

2.5     Probenahme 18

2.5.1  Technisches Regelwerk zur Probenahme        19

2.5.2  Probenarten 19

2.5.3  Fehler bei der Probenahme        21

2.6     Zusammenfassung 22

3        Literaturstudie zur Charakterisierung von Grauwasser        24

3.1     Anlass der Literaturdatenerhebung       24

3.2     Datenerhebung      24

3.3     Datenquellen          25

3.4     Strukturierung des Datenbestandes      26

3.5     Beschreibung des Datenbestandes        27

 

XII     Inhaltsverzeichnis

3.6     Bewertung von Literaturdaten    29

3.6.1  Ansätze zur Literaturdatenbewertung   29

3.6.1.1         Klassische Gütekriterien bei der Datenerhebung       29

3.6.1.2         General Assessment Factors der USEPA          30

3.6.1.3         Bewertungsansatz nach Tielemanns et al. (2002)     31

3.6.2  Diskussion und Übertragbarkeit der Ansätze zur Datenbewertung . 32

3.6.3  Herausforderungen bei der Datenbewertung und -analyse  34

3.6.4  Bewertungsmethode für die erhobenen Literaturdaten       37

3.6.4.1         Selektionskriterien 39

3.6.4.2         Operationalisierung der Bewertungskriterien  39

3.6.4.3         Gewichtung der Bewertungskriterien    41

3.6.4.4         Einteilung in Qualitätslevel         44

3.7     Literaturdatenauswertung 45

3.7.1  Selektion der Daten         46

3.7.2  Tests auf Normalverteilung und Ausreißer      47

3.7.3  Darstellung der Ergebnisse         49

3.7.4  Ergebnisse und Diskussion der Literaturdatenauswertung   49

3.7.4.1         Grauwasservolumenstrom          50

3.7.4.2         Chemisch-physikalische Parameter und Inhaltsstoffe          51

3.7.5  Diskussion der Bewertungsmethode     58

3.8     Zusammenfassung der Literaturdatenanalyse 60

4        Auswahl geeigneter Probenahmestandorte     62

4.1     Methodik zur Auswahl der Untersuchungsstandorte   62

4.2     Bestandsanalyse und Auswahl der Untersuchungsstandorte 62

4.3     Beschreibung der Untersuchungsstandorte      66

4.3.1  Berlin „Block 6“      67

4.3.2  Lübeck ökologische Siedlung „Flintenbreite“    69

4.3.3  Kieler Scholle e.G. – Ökologische Siedlung am Moorwiesengraben 70 4.3.4  Einfamilienhaus in Weimar         71

5        Probenahme und Analytik 72

5.1     Probenahmekonstruktion  72

5.1.1  Probenahmekontruktion BB6 l    72

5.1.2  Probenahmekonstruktion BB6 ll  75

5.1.3  Direkte volumenproportionale Probenahme    75

5.1.4  Probenahmetechnik im Weimarer Einfamilienhaus    80

5.2     Probenahmeregime (Probenahmestrategie)   81

5.3     Probenvorbehandlung und Analytik       82

5.3.1  Vereinigung der Laborproben     82

5.3.2  Probenlagerung, -konservierung und -vorbehandlung         83

5.3.3  Laborgeräte, Analyseparameter und -methoden       84

5.3.4  Ablaufschema – Probenahme und Analytik      86

5.4     Fehleranalyse der Probenahme und Analytik  88

5.4.1  Fehleranalyse Probenahme        89

5.4.2  Imperfektionen bei der Probenvereinigung     96

5.4.3  Unzulänglichkeiten bei der Probenvorbereitung        97

 

Inhaltsverzeichnis   XIII

5.4.4  Analytikfehler         98

5.4.5  Kombinierte Fehleranalyse – Worst-Case-Szenario   99

5.5     Zusammenfassung 103

6        Ergebnisse und Diskussion          105

6.1     Darstellung der Ergebnisse         105

6.2     Mathematisch-statistische Vorgehensweise     105

6.3     Grauwasservolumenstrom          106

6.3.1  Berlin „Block 6“      106

6.3.2  Lübeck „Flintenbreite“      111

6.3.3  Kieler Scholle e.G   116

6.3.4  Einfamilienhaus Weimar   119

6.3.5  Aggregierter Grauwasservolumenstrom         123

6.3.6  Grauwasservolumenstrom – Zusammenfassung und Diskussion   127

6.4     Pysikalische und chemisch-physikalische Kenngrößen         132

6.4.1  Grauwassertemperatur    132

6.4.1.1         Berlin „Block 6“      132

6.4.1.2         Lübeck „Flintenbreite“      136

6.4.1.3         Kieler Scholle e.G   139

6.4.1.4         Einfamilienhaus Weimar   140

6.4.1.5         Aggregierte Grauwassertemperaturen  142

6.4.1.6         Grauwassertemperatur –Zusammenfassung und Diskussion. 144 6.4.2 pH-Wert        148

6.4.2.1         Berlin „Block 6        148

6.4.2.2         Lübeck „Flintenbreite“      149

6.4.2.3         Kieler Scholle e.G   151

6.4.2.4         Einfamilienhaus Weimar   152

6.4.2.5         Aggregierte pH-Werte      153

6.4.2.6         pH-Wert – Zusammenfassung und Diskussion 154

6.5     Grauwasserinhaltsstoffe   156

6.5.1  Systematik der Bilanzierung       156

6.5.2  Trockensubstanzgehalt und Glühverlust          158

6.5.2.1         Berlin „Block 6        158

6.5.2.2         Lübeck „Flintenbreite“      161

6.5.2.3         Kieler Scholle e.G   162

6.5.2.4         Einfamilienhaus Weimar   163

6.5.2.5         Aggregierte Trockenmassen und Glühverluste          165

6.5.2.6         Feststoffgehalte – Zusammenfassung und Diskussion         167

6.5.3  Chemischer Sauerstoffbedarf      169

6.5.3.1         Berlin „Block 6“      169

6.5.3.2         Lübeck „Flintenbreite“      172

6.5.3.3         Kieler Scholle e.G   174

6.5.3.4         Einfamilienhaus Weimar   176

6.5.3.5         Aggregierte CSB-Frachten          177

6.5.3.6         CSB – Zusammenfassung und Diskussion       179

6.5.4  Biochemischer Sauerstoffbedarf  181

 

XIV     Inhaltsverzeichnis

6.5.4.1         Berlin „Block 6“      181

6.5.4.2         Lübeck „Flintenbreite“      183

6.5.4.3         Kieler Scholle e.G   184

6.5.4.4         Einfamilienhaus Weimar   185

6.5.4.5         Aggregierte BSB5- und BSB20-Frachten          186

6.5.4.6         BSB – Zusammenfassung und Diskussion        187

6.5.5  Gesamt- und Ammoniumstickstoff        188

6.5.5.1    

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