IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 17/1999, Seite 68 ff.

Druckentwässerung von Gebäuden

Dipl.-Ing. Klaus Ackermann*

Im ländlichen Raum ist die Schmutz- und Abwasserentsorgung logischerweise teurer als in städtischen Ballungsgebieten, wo sich die Fixkosten auf mehr Bürger verteilen. Eine herkömmliche Freigefälle-Kanalisation führt bei geringer Siedlungsdichte schnell zu hohen Investitionskosten. Kommen dann noch Probleme mit dem natürlichen Gefälle, hohem Grundwasserstand und/oder ungünstige Untergrundverhältnisse hinzu, müssen alternative Lösungen wie die Vakuum- oder Druckentwässerung gewählt werden. Insbesondere Druckentwässerungs-Systeme bieten dem Installateur aufgrund der dezentralen Technik und der Installation auf dem Privatgrundstück gute Chancen, in ein kontinuierliches Wartungsgeschäft einzusteigen.

Der Normalfall einer Abwasserentsorgung sieht so aus: Regen- und Schmutzwasser werden über eine Grundleitung mit Gefälle aus dem Gebäude in die tiefliegende öffentliche Kanalisation und schließlich zur Kläranlage abgeleitet. Wo Abwasser nicht im freien Gefälle ablaufen kann oder unterhalb der sog. Rückstauebene anfällt - bis auf diese Höhe würde ohne entsprechende Vorkehrungen beispielsweise bei einem Platzregen das Kanalwasser ins Haus eindringen - ist der Einsatz von Pumpen oder Hebeanlagen erforderlich. In Deutschland sind auf diese Weise bereits rund 90% der Wohnbevölkerung an das öffentliche Kanalnetz angeschlossen; rund 8,5 Mrd. m3 Abwasser gelangen kanalisiert zu den Klärwerken.

Prinzipdarstellung einer Druckentwässerung.

Es bleibt also ein Anschlußbedarf für die restlichen 10% der Bevölkerung, die beispielsweise in schwer zu erschließenden Siedlungen leben oder auch in einzelnen Anwesen (Aussiedlerhöfe etc.). Bereits seit Ende 1998 müssen nach den gültigen EU-Richtlinien alle Gemeinden mit mehr als 10.000 Einwohnerwerten (EW) in sog. "empfindlichen" Gebieten mit einer Kanalisation ausgestattet sein. Gemeinden mit mehr als 15.000 EW sollen bis zum 31.12.2000, Gemeinden zwischen 2000 und 15.000 EW bis Ende 2005 über eine Kanalisation verfügen. Nicht unwichtig ist dabei der Artikel 3 in der Richtlinie des Rates vom 21. Mai 1991 [1]: "Ist die Einrichtung einer Kanalisation nicht gerechtfertigt, weil sie . . . mit übermäßigen Kosten verbunden wäre, so sind individuelle Systeme oder andere geeignete Maßnahmen erforderlich, die das gleiche Umweltschutzniveau gewährleisten." Im folgenden werden die verfügbaren Technologien "Freispiegel-Kanalisation", "Dezentrale Klein-Kläranlage" und "Vakuumentwässerung" kurz beschrieben; die weitaus häufiger zum Einsatz kommende "Druckentwässerung" wird ausführlicher behandelt.

Freier Abfluß im Vergleich zu Vakuum oder Druck

Dicht besiedelte Stadtgebiete können per Freispiegel-Abwasserkanal verhältnismäßig kostengünstig entsorgt werden. Dabei sammeln großvolumige, mit zahlreichen Kontrollschächten versehene Abwasserkanäle das anfallende Regen- und Schmutzwasser und leiten es (unterstützt durch große Pumpstationen) zur Kläranlage. Oft werden Regen- und Schmutzwasser in einer Mischkanalisation abgeleitet. Die Freispiegel-Kanalisation wird im städtischen Bereich sicher die bevorzugte Entwässerungstechnologie bleiben (wobei man aber berücksichtigen sollte, daß oft auch hier Pumpstationen erst das Abwasser über die Rückstauebene in den Kanal fördern müssen). Sie scheitert aber im ländlichen Raum meist an den hohen Investitionskosten oder am fehlenden Geländegefälle. Je weiter die einzelnen Gebäude verstreut liegen, desto größer werden die einwohnerspezifischen Kanallängen und damit die einwohnerspezifischen Kosten. Alternativlösungen zur Freispiegel-Kanalisation sind immer dann sinnvoll bzw. sogar erforderlich:

Bei den Druckentwässerungsanlagen Liftstation handelt es sich um weitgehend vormontierte Systeme, bestehend aus Tauchmotorpumpe, Rohrleitungen, Armaturen sowie dem Pumpenschacht.

3-Kammer-Klärung

Die dezentrale Klein-Kläranlage im 3-Kammer-System ist im ländlichen Raum durchaus weiterhin anzutreffen. Dabei läuft das Schmutzwasser langsam durch die einzelnen Kammern, die schweren Bestandteile setzen sich am Boden ab. In den Kammern baut sich eine Mikrobiologie auf, die bei entsprechender Wartung und Kontrolle eine biologische Reinigung ermöglicht. Weil der Betreiber für die Ablaufwerte seiner Kläranlage verantwortlich ist, sollte er entsprechende Wartungsverträge abschließen.

Das so gereinigte Wasser gelangt in den Vorfluter (Bach, Fluß), der abgesetzte Dickstoff wird im allgemeinen durch die Stadt abgefahren und entsorgt. Viele der alten Sicker- und Klärgruben entsprechen natürlich keineswegs mehr dem Stand der Technik, insbesondere ist die Belastung von Flüssen oder Bächen mit derartigen "Nährstoffen" nicht akzeptabel. Die Kosten eines modernen 3-Kammer-Systems sind im übrigen nicht unerheblich: Das Bayerische Landesamt für Wasserwirtschaft rechnet für den Betrieb einer Klein-Kläranlage (schon die Erstinvestition bewegt sich in einer Größenordnung zwischen 10.000 und 20.000 Mark) zur Entsorgung des Schmutzwassers eines 4-Personen-Haushalts mit jährlichen Kosten für die Entschlammung bzw. Wartung bis zu 2000 Mark.

Vakuumentwässerung

Das Herz der Vakuumentwässerung (auch Unterdruckentwässerung genannt) ist die zentrale Vakuumstation [2]. In dieser zentralen Station wird mit Hilfe von Vakuumpumpen in großen Behältern ein Unterdruck erzeugt; dieser Unterdruck wirkt über die Rohrleitungen bis hin zu den Hausanschlüssen. Öffnen die Ventile des Hausanschlusses, werden Schmutzwasser und Luft in das Rohrsystem eingesaugt und durchströmen das Rohr in Richtung Vakuumstation. Der Luftstrom beträgt nach Angaben der ATV (Abwassertechnische Vereinigung) etwa das 3- bis 15fache des Schmutzwasserabflusses. Luft und Abwasser gelangen gemeinsam in die Unterdruckbehälter, wo Vakuumpumpen die Luft absaugen. Die wesentlichen Bestandteile einer Vakuumentwässerung sind demnach

Vorteilhaft ist, daß nur an einer Stelle im gesamten Entwässerungsbereich (Förder-) Energie eingespeist wird - was auf der anderen Seite natürlich im Falle einer Störung in der zentralen Technik zum Ausfall der gesamten Abwasserentsorgung aller angeschlossenen Gebäude führt. Wegen des zentralen Systems ist die Technik relativ anspruchsvoll und die Wartung entsprechend aufwendig; ihr Einsatz bleibt nach [3] auf Einzelfälle beschränkt. Die Vakuumentwässerung ist auch nicht geeignet, Schmutzwasser über längere Entfernungen zu transportieren: Die Reichweite einer Vakuumstation sollte 2 km nicht überschreiten; zudem ist die Ansaughöhe begrenzt. Bisher wurden Entwässerungsanlagen dieser Art für bis zu 1500 EW gebaut.

Bei der Druckentwässerung mit dem System Liftstation kommen Abwasserpumpen der Baureihe AP zum Einsatz.

Druckentwässerung

Zur Abgrenzung gegenüber Abwasserhebeanlagen und Abwasserpumpwerken gibt [3] folgende Definition der Druckentwässerung: "Die Druckentwässerung ist ein grundstücksübergreifendes System, welches das Abwasser über eine größere Strecke fördert, wobei in der Regel mehrere Förderstellen an eine gemeinsame Druckleitung angeschlossen sind." Erstmals im größeren Umfang eingesetzt wurde die Druckentwässerung Ende der 60er Jahre in Hamburg. Im Gegensatz zur Vakuumentwässerung wird die (Förder-) Energie über dezentrale Pumpen an jeder Einleitungsstelle eingebracht; meist werden Tauchmotorpumpen eingesetzt. Druckentwässerungssysteme sind sehr einfach zu verlegen; aufgrund moderner Verfahren der Verlegetechnik sind mehrere 100 m Rohrverlegung pro Tag möglich. Durch unterirdische Verlegung können Straßen recht einfach unterfahren werden. Man kann insbesondere einem nicht ebenen Geländeverlauf folgen (auch ansteigend!), ein aufwendiger Verbau wie bei Freigefälleleitungen oder besondere Leitungsverlegungen ("Sägezahnlinien") wie bei der Vakuumentwässerung sind nicht erforderlich. Bisher wurden Druckentwässerungsanlagen für bis zu 15.000 EW gebaut.

Der Übergang von den Freigefälleleitungen der Hausinstallation auf die Druckentwässerung erfolgt meist in einem Pumpenschacht außerhalb des Hauses. Kleine Pumpen (in der Regel Tauchmotorpumpen) fördern dann das anfallende Schmutzwasser der einzelnen Häuser in ein gemeinsames Druckrohrnetz, welches das verunreinigte Wasser zur weiteren Behandlung ableitet. Es ist möglich, mehrere Wohneinheiten oder Häuser an einen Hausanschluß heranzuführen, um die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen. Haftungsfragen machen es oft jedoch erforderlich, für jedes Haus einen eigenen Anschluß mit eigener Pumpe vorzusehen. Hier bietet sich dem lokalen Installateur die Chance, mit den Hausbesitzern Einzel-Wartungsverträge abzuschließen.

Eine Druckentwässerungsanlage setzt sich im wesentlichen aus folgenden Bestandteilen zusammen:

Wichtig ist es, die Mindestfließgeschwindigkeit in der Druckleitung von 0,7 m/s einzuhalten. Nur so können Ablagerungen am Leitungsboden verhindert und Feststoffe sicher transportiert werden. Bei sehr langen Leitungsstrecken (Straßendorf) kann es erforderlich sein, Zwischenpumpstationen einzurichten, um die Drücke bei den Hausanschlüssen nicht zu sehr anwachsen zu lassen; Drücke bis zu 3 bar sind heute üblich. Zusätzlich können die Fließvorgänge innerhalb des Druckrohrnetzes durch Druckluftspülstationen unterstützt werden. Sie sind jedoch bei kurzer Verweilzeit und ausreichender Fließgeschwindigkeit nicht unbedingt erforderlich. Aufgrund des dezentralen Systems ist die Wartung einfach, insbesondere hat der Ausfall einer Pumpe keinen Einfluß auf das Gesamtsystem. Weil sich die Druckentwässerung auch für kleine Abwassermengen anbietet, ist sie in besonderer Weise für das Trennverfahren geeignet.

Kernstück der Schneidwerkspumpen APG ist das Schneidsystem aus einem spezialgehärteten Edelstahl.

Bei der Druckentwässerung sollen nach ATV [2] Tauchmotorpumpen mit steiler Kennlinie, einem elektrischen Anschlußwert möglichst nicht über 2,2 kW und einer maximalen Förderhöhe bis zu 35 m verwendet werden, wofür in der Regel ein Drehstromanschluß erforderlich ist. Pumpen mit freiem Kugeldurchgang von mindestens 50 mm oder mit Zerkleinerungsvorrichtung haben sich nach ATV in der Praxis bewährt; Ex-Schutz ist erforderlich.

Der Markt bietet zunehmend komplette Pumpenschächte an, in denen die erforderlichen Armaturen und Förderaggregate bereits montiert bzw. zur Montage vorbereitet sind. Diese Vorgehensweise (Fertigteilschacht und Förderaggregat aus einer Hand) garantiert eine optimale Abstimmung des Schachtes mit den Einbauteilen.

Schneiden, ohne zu zerstören

Bei den Druckentwässerungsanlagen Liftstation von Grundfos handelt es sich um weitgehend vormontierte Systeme, bestehend aus Tauchmotorpumpen der Baureihe AP, Rohrleitungen und Armaturen sowie dem Pumpenschacht aus Beton (Liftstation B) oder Kunststoff (Liftstation PE). Die Technik ist relativ einfach und hat sich in einer Vielzahl von Installationen bewährt, die Wartungs- und Serviceaufwendungen sind gering. Die elektrische Steuerung ist in einem separaten Schaltschrank installiert. Der Kunststoff-Fertigschacht "Liftstation PE" ist wegen des niedrigen Gewichtes leicht zu transportieren und einzubauen - die notwendigen Arbeiten an der Baustelle beschränken sich auf den Anschluß von Zulauf, Druckleitung und Stromversorgung der Pumpen. Die generellen Vorteile solcher Pumpstationen auf einen Blick:

Auswahlkriterien für die Pumpe

Welche Kriterien sind bei der Wahl einer für die Druckentwässerung geeigneten Abwasserpumpe zu beachten? In erster Linie muß die Pumpe verstopfungsfrei arbeiten, es ist auf ausreichend große freie Durchgänge der Hydraulik zu achten. Weil sich Fäkalgase entwickeln können und auch das Eindringen von explosionsgefährlichen Medien (Benzin) nicht ausgeschlossen werden kann, ist eine Ex-geschützte Pumpe erforderlich. Da im Abwasser immer auch abrasive Feststoffe vorkommen, müssen die Pumpen so gebaut sein, daß sie auch hier weitgehend unempfindlich gegen Verschleiß sind.

Ein wichtiger Punkt ist die Gewährleistung einer kontinuierlichen, reibungslosen Entsorgung. Denn nur wenn das Abwasser kontinuierlich abgepumpt wird, bleiben die Verweilzeiten im Rohrnetz kurz und das Abwasser kann nicht anfaulen. Fauliges Wasser ist nicht nur wegen der Geruchsbelästigungen unerwünscht. Hinzu kommt ein technisches Problem: fauliges Abwasser greift durch die Sulfid-Bildung Beton bis zu seiner völligen Zerstörung an. Nicht zuletzt führen zu hohe Standzeiten im Rohrnetz zu Ablagerungen, die Verstopfungen hervorrufen. Deshalb sollte der Betreiber immer eine ausgereifte Pumpentechnik wählen.

Einbau eines Abwasserschachtes im Spreewald.

Es kommen bei der Druckentwässerung mit dem System Liftstation meist Schneidwerkspumpen APG zum Einsatz. Kernstück dieser Pumpen ist das Schneidsystem aus einem spezialgehärteten Edelstahl: Es besteht aus einem feststehenden Schneidring mit vier Schneidbacken, in dem ein Schneidkopf mit zwei diagonalen Klingen rotiert (23.000 Schneidvorgänge pro Minute). Der "Versatz" von 4 : 2 verhindert ein Blockieren und erhöht die Betriebssicherheit; das volle Drehmoment konzentriert sich durch die diagonalen Schneidkanten im Schnittpunkt. Das besondere an diesem Schneidsystem ist, daß die anfallenden Abwasserinhaltsstoffe zwar zerschnitten, aber nicht breiähnlich zerkleinert werden. Die Festteile des Abwassers behalten also eine gewisse Größe und eine gewisse Konsistenz und lassen sich so in der Kläranlage vorteilhafter behandeln.

Diese Spezialpumpen erlauben auf der Druckseite die Verwendung von Rohren mit engen Querschnitten ab DN 40/DN 50. Das reduziert die Materialkosten ebenso wie die Verlegekosten. Ein Vorteil, der besonders in Gebieten mit weiträumiger Besiedelung und in schwierigem Gelände zum Tragen kommt. Die Vorteile der APG-Pumpen auf einen Blick:

Die Motoren bieten in Standardanwendungen eine günstige P2-Leistung von 0,6 bis 3,1 kW im Ex-geschützten Bereich und verbrauchen weniger Strom als herkömmlich angebotene Pumpen. Für Transportleitungen über mehrere Kilometer stehen Pumpen mit Leistungen bis zu 9,2 kW und einer Förderhöhe bis 68 m zur Verfügung.

Energiekosten summieren sich jedes Jahr neu - und das ist neben der Verläßlichkeit der Anlagentechnik ein entscheidender Punkt, bei Druckentwässerungs-Systemen diese Pumpentechnik zu bevorzugen.

Praxisbeispiel Lehde: Kanalanschluß gesucht

In Lehde, einem im Spreewald gelegenen Ortsteil von Lübbenau, hat der zuständige Zweckverband alle Anwesen per Druckentwässerung an die Kanalisation angeschlossen. Die Häuser besaßen zur Abwasserentsorgung bislang 3-Kammer-Gruben mit einem Überlauf in die Spree, ein Anschluß ans Klärwerk existierte nicht. Nach der Wende plante man in Lehde zunächst eine Vakuumentwässerung. Die Baumaßnahmen konnten aufgrund der besonderen Bodenverhältnisse aber nicht zu Ende geführt werden. Denn eine Vakuumentwässerung bedingt die absolut präzise Verlegung einer sog. Sägezahnprofil-Leitung; das war bei den vorliegenden Untergrundverhältnissen (Grundwasserspiegel 30 cm unter der Oberfläche!) nicht machbar. Die Planung wurde deshalb auf eine Druckentwässerung umgestellt.

Zum Einsatz kamen Kunststoff-Fertigschächte Liftstation PE von Grundfos, die wegen des niedrigen Gewichtes leicht zu transportieren und einzubauen waren - das war wichtig, kam doch im Fall Lehde eine technische Besonderheit hinzu: Die Schächte, inklusive Zubehörteile, durften pro Transport nicht mehr als 120 kg wiegen, um sie überhaupt transportieren zu können. Denn es gibt in der ganzen Ortschaft nur eine einzige richtige Straße, hinzu kommen kurze Gassen. Deshalb können die meisten Grundstücke nur über die Wasserseite betreten werden. Der gesamte Verkehr, das gesamte Leben in diesem Ortsnetz funktioniert über die Wasserstrecken, sprich Kähne. Und somit mußte auch die Druckentwässerungstechnik über mehr oder weniger schwankende Kähne angelandet werden.

Der hohe Grundwasserspiegel verlangte von den Monteuren im übrigen eine Verlegetechnik mit exaktem Timing: Praktisch mit dem ersten Baggeraushub strömte Grundwasser in die Grube. Es mußte also alles bereitstehen, um sofort nach dem Erdaushub mit der Installation zu starten. Um ein Aufschwimmen der Schächte zu verhindern, wurden die Füße der Kunststoffschächte durch eine zusätzliche Auflage aus Zement beschwert. Insgesamt wurden im Spreewald 79 Pumpstationen installiert.

Alle Pumpen fördern die Abwässer zunächst in Übergabeschächte, aus denen das Abwasser über eine Freigefälleleitung in ein Hauptpumpwerk und aus diesem wiederum in die Kläranlage nach Lübbenau gefördert wird. Es sind zudem - jeweils an den Enden der vier Hauptstränge - vier Druckluftspülstationen eingerichtet, welche die Rohrleitungen mehrmals täglich freiblasen. Das ist notwendig, um Ablagerungen in den Rohrleitungen sowie eine vorzeitige Fäulnisbildung zu verhindern.

*) Dipl.-Ing. Klaus Ackermann, Marktsegmentmanager Gebäudetechnik, Grundfos GmbH, Wahlstedt

L i t e r a t u r :

[1] Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaften, Richtlinie des Rates, 21. Mai 1991.

[2] ATV Arbeitsblatt A 116, September 1992.

[3] Handbuch Wasser 4: Druckentwässerung, Landesanstalt für Umweltschutz, Baden-Württemberg, 1996.

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