Analyse von Transformationspfaden zur Ableitung von Handlungsempfehlungen für die Abwasserentsorgung im ländlichen Raum.

Abstract

Ziel der Arbeit ist die Ableitung von Handlungsempfehlungen zur Unterstützung der notwendigen Anpassungsprozesse der Abwasserentsorgung ländlicher Gemeinden. Dazu werden verschiedene Transformationspfade für Abwassersysteme aufgezeigt und analysiert. In der Arbeit wird ein softwaregestütztes Entscheidungs- und Optimierungssystem angewendet und evaluiert, dass optimale Anpassungsmöglichkeiten aufzeigt. In Szenarien werden zukünftige Entwicklungen der Bevölkerung, der Siedlungsstruktur, des Wasserbedarfs, der Kosten technischer Anlagen und des Klimawandels berücksichtigt. Eine beispielhafte Anwendung des Modells erfolgt für zwei repräsentative ländliche Modellkommunen in Rheinland-Pfalz. Durch eine detaillierte Auswertung und Evaluierung ausgewählter Kombinationen von Szenarien und Bewertungskriterien kann das Spektrum an möglichen Transformationspfaden von der Erhaltung des zentralen Systems bis hin zu dezentralen und ressourcenorientierten Systemen aufgezeigt werden. Sensitivitätsbetrachtungen zeigen, dass die Auswahl und Gewichtung der Bewertungskriterien und die lokalen Randbedingungen der Gemeinde einen größeren Einfluss auf die resultierende Transformationspfade haben als die Auswahl der Szenarien. Der Zustand des Entwässerungssystems wie der Anteil alter Kanäle, ein großer Anteil Mischsystem, große Durchmesser und eine große Kanallänge pro Einwohner sowie eine niedrige Siedlungsdichte fördern dezentrale Strukturen und sind geeignete Voraussetzungen für einen Systemwechsel. Bei der Priorisierung der Ziele Flexibilität, Wasserbilanz und Wasserrecycling wird die Dezentralisierung eines Systems mit Kleinkläranlagen favorisiert. Ein ressourcenorientiertes System mit einer Grau- und Schwarzwassertrennung ist nur zukünftig vorteilhaft, wenn die Ziele Wasserrecycling, Nährstoffrecycling und/oder Energieeffizienz priorisiert werden. Wenn ein Systemwechsel vollzogen werden soll, müssen auch die Auswirkungen auf die Wasserversorgung und Abwasserreinigung untersucht werden. Fazit ist, dass bei einer abnehmenden Bevölkerung dezentrale und ressourcenorientierte Systeme im ländlichen Raum eine Alternative darstellen.Adaptations of water supply and wastewater systems in rural areas may be necessary due to a variety of challenges such as demographic change, changes in the settlement structure or climate change. By adapting an existing system the sustainability and resource efficiency can also be increased. The objective of this thesis is to derive recommendations for the required adaptation processes of wastewater systems in rural areas. Various transformation paths for wastewater systems are identified and analysed. A software-based decision support and optimisation system to demonstrate optimal adaptation possibilities is used. The mixed-integer linear model calculates optimal transformation paths for each municipality, depending on the selected scenario and given objectives. The chronological and spatial implementation of adaptation measures is shown. Considered scenarios take into account future developments of population, settlement structure, water demand, costs of the technical facilities, and climate change. The objective function consists of the weighted sum of economic, ecological, and social evaluation criteria. The model is applied to two rural municipalities in Rhineland-Palatinate. By means of a detailed analysis and evaluation of selected combinations of scenarios and objectives, possible transformation paths can be shown. The existing system can be maintained or it can be transformed to a decentral or a resource-oriented system. Sensitivity analyses show that the selection and weighting of the objectives and the local boundary conditions of the municipality have a greater influence on the resulting transformation path than the selection of scenarios. The condition of the drainage system, such as the proportion of old sewers, a higher share of combined sewers, large sewer diameters and a large sewer length per capita as well as a low population density support decentralised structures and are suitable prerequisites for a system change. By prioritising the objectives flexibility, water balance, and water recycling, the decentralisation of a system with small wastewater treatment plants is favoured. A resource-oriented system with a grey- and blackwater separation will only be advantageous in the future if the objectives water recycling, nutrient recycling, and/or energy efficiency are prioritised. If a wastewater system is changed, the effects on water supply systems and the wastewater treatment plant have to be examined. It can be shown that with a declining population, decentralised and resource-oriented systems in rural areas represent an alternative. To accompany transformation processes, the use of an adequate methodology to identify different system alternatives (e. g. mathematical optimisation) is purposeful.