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Leistungsindikatoren
Um die Vorteile der integralen Bewirtschaftung beurteilen zu können, sind Leistungsindikatoren erforderlich. Ein Indikator ermöglicht es, eine Eigenschaft eines untersuchten Systems zu bewerten. Ausserdem wird er verwendet, um mehrere Elemente des Systems miteinander zu vergleichen und anschliessend festzustellen, ob eine Störung vorliegt, d. h. die ursprünglichen Ziele des eingeführten Systems nicht erreicht wurden. Der Leistungsindikator kann auch eine Mindernutzung bestimmter Elemente des Systems aufdecken. Der Indikator wird genutzt, um eine globale Betrachtung des Systems zu ermöglichen. Im Anschluss müssen dann genauere Analysen an den als kritisch eingestuften Orten durchgeführt werden.
Für jedes Teilsystem der Entwässerung werden Indikatoren entwickelt, mit dem Ziel, die Leistung des gesamten Systems beurteilen zu können.
In Bezug auf das Abwassernetz müssen die verschiedenen Elemente des Siedlungseinzugsgebiets berücksichtigt werden. Die Leistung des Netzes hängt in erster Linie vom Durchlaufvolumen, der Kapazitäten der Kanalisation und der Funktion der Sonderbauwerke (Regenüberlauf, Regenbecken, Abwasserhebeanlage etc.) ab. Das sind die Elemente, die gesteuert werden können. Die Leistungsindikatoren der ARA zeigen ihrerseits die Effizienz der Reinigungsverfahren. Das Gewässer wird jedoch anhand von Indikatoren zur Qualität des Wassers und der Morphologie analysiert (physiologische, biologische und chemische Merkmale), die kombiniert werden, um potentielle Risiken bei einer Einleitung in dieses Gewässer abschätzen zu können. Mithilfe allgemeinerer Indikatoren, die mehrere andere Indikatoren vereinen, lässt sich eine Bilanz aus dem untersuchten System ziehen. Das ist zum Beispiel der Fall bei einem Indikator wie der Gesamtauslastung des Siedlungssystems.
Die Auswahl der Indikatoren erfolgt danach, ob sie in ihrer Qualität und Kapazität für die Erreichung der Ziele geeignet sind. Die definierten Indikatoren werden gemäss den RACER-Kriterien Bonhote, 2016 bewertet:
- „R“ für „relevant“: Der Indikator ist an ein klares Ziel gebunden.
- „A“ für „akzeptiert“: Der Indikator wird von Fachleuten üblicherweise eingesetzt und dokumentiert.
- „C“ für „glaubwürdig“ (engl. credible): Der Indikator ist unzweideutig und basiert auf zuverlässigen Daten.
- „E“ für „einfach“: Die für den Indikator erforderlichen Daten sind einfach zu messen.
- „R“ für „robust“: Der Indikator kann nicht manipuliert werden und ist wenig anfällig für externe Einflüsse.
Es ist auch möglich, die Indikatoren Netz/ARA/Gewässer dynamisch zu kombinieren, um ein optimales Ergebnis zu erreichen. Das ist das Ziel von Optimierungsalgorithmen. Sie ermöglichen es, die optimale Lösung zu finden, um ein durch eine Zielfunktion (oder Kostenfunktion) vorgegebenes Leistungskriterium zu erfüllen. Es stehen zahlreiche Optimierungsmethoden zur Verfügung, zum Beispiel: Schutze et al., 2002, Jordan, 2007b, Bieri 2012.
Dynamische Optimierungsprozesse sind in anderen Bereichen sehr üblich (z. B. Optimierung der Energieerzeugung durch Wasserkraftwerke in Abhängigkeit von Niederschlägen und Temperaturen). Im Bereich der Entwässerung sind sie weniger geläufig.
Beispiel ERM
In Beispiel 1 wurde ein relativ einfaches dynamisches Optimierungstool getestet (CVX, entwickelt von Matlab). In diesem Fall wurden mehrere Leistungsindikatoren und eine Zielfunktion definiert, um die Auswirkungen eines Regenüberlaufs, der in einer Abwasserhebeanlage installiert wurde, zu minimieren. Der Algorithmus optimiert folgende Ziele zeitgleich:
- Einleitungen in Gewässerrichtung minimieren.
- Retentionsvolumen oberhalb der Abwasserhebeanlage maximieren.
- Abflussmenge in Richtung ARA maximieren.
- Verunreinigungen des Gewässers begrenzen, wenn die Ammonium-Konzentration einen Schwellenwert (2 mg/l) übersteigt.
- Stromverbrauch der Pumpen minimieren.
- Kosten für die Behandlung von zusätzlichem Wasser an der ARA minimieren.
- Auswirkungen von zusätzlichem Wasser an der ARA auf die Effizienz der Phosphorbehandlung minimieren (mithilfe des Verhältnisses behandeltes Volumen/Abscheideleistung).
Das Ergebnis der Optimierung für diese Abwasserhebeanlage (Simulation über einen Zeitraum von fünf Jahren) zeigt, dass das Potenzial der Funktionsoptimierung begrenzt ist und sie es nicht ermöglicht, die festgelegten Ziele zu erreichen. Eine Veränderung der Abwasserhebeanlage ist notwendig (z. B. Retentionsvolumen hinzufügen). Der Optimierungsprozess ermöglicht es, unter Berücksichtigung der Kostenfunktionen der unterschiedlichen Lösungen und der zu pumpenden/zurückzuhaltenden Wassermengen, das optimale Retentionsvolumen festzustellen.
Indem er gleichzeitig an den Kriterien für Netz, ARA und Gewässer ansetzt, kann eine optimale, integrale Lösung gefunden werden.
Abwasserhebeanlage an einem kleinen Gewässer, optische Auswirkungen unterhalb der Station: Dank integraler Bewirtschaftung, welche die Kapazitäten der ARA, des Netzes und die Empfindlichkeit des Gewässers kombiniert, lässt sich eine optimale Lösung finden.