Prof. Dr.-Ing. Johannes Weinig, FH Bielefeld - Kanalprofi GmbH

„Neuschöpfung“ der Kanalprofi GmbH Niederlassung Elsdorf, den 27.09.2012 

Herzlichen Glückwunsch zur 

„Neuschöpfung“ der Kanalprofi GmbH 

Niederlassung Elsdorf/ Aachen, am 27.09.2012 

Gefährdung von Boden und Wasserhaushalt 

durch undichte Abwasserkanäle 

Forschungsprojekt mit dem VuSD 

Prof. Dr.-Ing. Johannes Weinig 

Weinig, J.: Gefährdung von Boden und Wasserhaushalt durch undichte Abwasserkanäle 

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1. Einleitung 

2. Herkunft und Verbleib von Wasser/ Abwasser 

3. exfiltriertes Abwasser im Boden und Untergrund 

• Bodenkennwerte 

• Biologisch abbaubare Stoffe 

• Nicht abbaubare Stoffe 

4. Offene Fragen zur Abwasserexfiltration 

5. Eigene Untersuchungen 

6. Diskussion und Ausblick 


Gliederung 

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Wasser und Infrastruktur sind elementare Ingenieuraufgaben 

• Abwasser wird schon immer mehr oder weniger geordnet 

versickert; 

• Epidemiologische Erkenntnisse in der zweiten Hälfte des 19. 

Jahrhundert führt zum Konzept Schwemmkanalisation; 

• Zu Beginn des 20.Jahrhundert zusätzlich Chemikalien im 

Abwasser; 

• Ab der 2.Hälfte des 20.Jahrunherts zusätzlich Arzneimittel im 

Abwasser; 

• Zusätzliches wasserwirtschaftliches Problem in dicht 

besiedelten Industriestandorten; 


Einleitung 

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Herkunft und Verbleib des Abwassers 2010 (NRW) 


Herkunft und Verbleib 

Summe Abwasser in 

Gewässer in NRW 

5.465 x 10 6 m 3 /a 

(= 156 mm/a = 20% des 

Niederschlags) 

Nachrichtlich: 

In ländl. Region 1 – 5% des 

Niederschlags sind Abwasser) 

Zur Orientierung: 

Häusliches Abwasser NRW 

1.425x 10 6 m 3 /a (= 216l/E d 

(incl. Kleingewerbe) 

Quelle: Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen Entwicklung und Stand der 

Abwasserbeseitigung in Nordrhein-Westfalen 15. Auflage. 2010 

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Ökologischer 

Zustand der 

Fließgewässer 

in NRW 

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Chemischer 

Zustand der 

Fließgewässer 

in NRW 

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Anthropogene Stoffe im Grundwasser und …. 

Quelle: Morgenpost Berlin (07.10.2010) 



� Nach einer Studie der Jacobs 

University Bremen wurde das 

Kontrastmittel Gadolinium im 

Trinkwasser von Berlin 

nachgewiesen 

� Gilt als Indikator für die 

wahrscheinlicheAnwesenheit 

anderer Medikamente 

� Wird weder im menschlichen Körper 

noch im Klärwerk abgebaut oder 

umgewandelt 

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….Eintragspfade von Arzneistoffen in die aquatische Umwelt…. 

Aus: www.pharmazeutische-Zeitung (24.11.2010) 

Arzneistoffe und deren 

Metabolite gelangen über die 

natürliche Ausscheidung im Urin 

in das Abwasser. 

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Abschätzungen zur Exfiltration von Abwasser 

• Rate zwischen 0,5 bis 7,42 m 3 /E x a (Westdeutschland); 

Nachrichtlich: Wasserverbrauch pro Einwohner 50 m 3 /E x a; 

• wenige Stunden im Jahr (Starkregenereignisse) bringen 75 % der 

Gesamtexfiltration; 

Quelle: Dohmann u.a. (1999) 



Abschätzung der Verbringung BSB 5-bürtiger Stoffe in die aquatische Umwelt 

aus kommunalen Kläranlagen und durch undichte Hausanschlüsse 

Jährliche BSB 5-Fracht in Gewässer aus kommunalen Kläranlagen, NRW: 

(häuslicheAbwassermenge x Ablaufkonzentration) 

1.425 x 10 6 m 3 /a x 10 mg BSB 5/l = 14.250 t BSB 5/ a 

Jährliche BSB 5-Fracht in Untergrund aus undichten Hausanschlüssen, NRW 

häuslicheAbwassermenge, exfiltriert 10% (s.o.) x Konzentration Rohabwasser 

1.425 x 10 6 m 3 /a x 0,1 x 400 mg BSB 5/l = 53.200 t BSB 5/ a 

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Boden, Untergrund, Kennwerte (Nomenklatur) 

• Boden = oberste verwitterungsfähige Schicht der Erde zur 

Atmosphäre; näherungsweise Luft-Wasser-Wechselzone; 

• Untergrund = unterhalb von Boden, kein Zutritt von Luft- 

Sauerstoff); 

• Durchlässigkeit k f (zwischen 10 -2 bis 10 -6 m/s); 

• Perkolation = Durchsickern, dabei auch „Sickerlaugung“ = 

Herauslösen oder Fällen von Mineralien; 

• Kolmation (u.a. durch Sekundärmineralisierung); 

• Feldkapazität kann Haftwasser (mit 15 bar u. mehr) im Boden 

fixieren, bis die Schwerkraft eine Perkolation ermöglicht; 


Wirkungen im 

Boden und Untergrund 

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Hydrologische und hydraulische Wirkungen 


Wirkungen im 


• Grundwasserneubildung nur etwa 20 % der Niederschlagsmenge (in 

ungestörten Bereichen bis 40%); 

• 60 bis 80 % des Niederschlagswassers werden evapotranspiriert; 

teilweise negative Wasserbilanz (= Austrocknen des Bodens, teilweise des 

Untergrundes); 

Quelle: Sickerversuche an der FH Bielefeld, Campus Minden, 2011 

• Wasser und Abwasserinhaltsstoffe werden im Boden akkumuliert 

und bei 

• Starkregenereignissen ausgespült (perkoliert); 

Quelle: Dohmann u.a. (1999) 

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Biologisch abbaubare Stoffe 

• Kohlenstoff (BSB, CSB, TOC); 

wird in der Luft-Wasser-Wechselzone aerob abgebaut (z.B. 

Pflanzenkläranlage); 

Im überstauten Untergrund (anaeroben Zone) reicht die hydraulische 

Verweilzeit bei 8 Grad C, für anaeroben Abbau bis Erreichen des 

Grundwasserleiters kaum aus;* 

• Stickstoff-Verbindungen (Ges.-N, NH 4, NO 3/ NO 2); 

Ammonium-Stickstoff wird in der Luft-Wasser-Wechselzone nitrifiziert 

– Denitrifikation in der anoxischen Zone unvollständig; 

• coliforme koloniebildende Keime; 

Durch Bodenpassage wurden in Untersuchungen kaum oder keine 

Badegewässerqualität erreicht; 

nachrichtl.: CSB-Raumbelastung: 7,42 m 3 /E x a/365 d x 800 mg CSB/l = 0,016 kg CSB / m 3 d; 

k f-Wert 10 -6 m/s = 8 cm/d; Anteil organisches Material im Boden weniger als 30%; 


Wirkungen im 


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Persistente, biologisch nicht abbaubare Stoffe 

Perkolieren durch Boden und Untergrund, z.B. 

• Schwermetalle; 

• (Haushalts-) Chemikalien; 

• Clofibrinsäure 

(Metabolit, Lipidsenker (Blutfett); bei den Berliner Rieselfeldern wurden 

bis 4.000 ng/l (= 4 µg/l) im Grundwasser gefunden; 

Quelle: Heberer, Th. 1995 


Wirkungen im 


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Die (unkontrollierte) Exfiltration von Abwasser stellt eine 

Gefahr für Boden, Untergrund und Grundwasser dar. Zum 

besseren Verständnis der Wirkmechanismen sind noch 

folgende Fragen ungeklärt: 

• viele Schäden sind nicht oder nicht vollständig dokumentiert; 

• Exfiltrationsrate in Abhängigkeit von der Energielinie im Kanal 

(Torricelli) bei verschiedenen Bettungen; 

• Rücklöseverhalten von persistenten Stoffen bei Überschreiten 

der Feldkapazität des Bodens und bei der dann eintretenden 

Perkolation; 

• Sorptionsverhalten von persistenten Stoffe in der Luft-Wasser- 

Wechselzone; 

• Abbauprozesse im überstauten Untergrund (Anaerob-Reaktor) 

in Böden mit geringer Durchlässigkeit; 


Offene Fragen 

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Messungen zur Sickergeschwindigkeit und Abbaurate 

von organischen Stoffen über die Sickerstrecke: 

• Sickergeschwindigkeit; 

nimmt mit der Zeit um weniger als eine Zehnerpotenz ab; 

• Sickerrate (über die Zeit) differiert um 20 % bei zwei Zehnerpotenzen k f- 

Wert –Differenz; 

Körnungskurve 0/45 (K f= 0,1 m/s) Versickerung 365 mm; 

Körnungskurve 2/45 (K f= 0,001 m/s) Versickerung 294 mm; 

Quelle: Gülzow u.a., 2011. 

• coliforme Keime; 

coliforme koloniebildende Keime von Rohabwasser werden nach 50 cm Sickerweg um 

maximal jeweils eine Zehnerpotenz abgebaut (Rohwasser 10 7 KBE/l, dann 10 6 KBE/l 

bis 10 4 KBE/l nach 1,5m Sickerstrecke; Mittel: Gesamtreduktion um 1 Zehnerpotenz); 

• Kohlenstoffabbau, gemessen als CSB; 

in der anaeroben/anoxischen Bodenzone wurde über den Sickerweg (bis zu fünf 

Tagen hydraulische Verweilzeit bei 19 Grad C) kein Abbau gemessen worden; 

• Mechanismus von Kolmation und Perkolation; 

• Messungen mit Tracern; 


Eigene Untersuchungen 

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Messungen zur Sorption und Perkolation 

von über die Sickerstrecke: 

Magnesiumkonzentration von Abwassers durch Bodenpassage (kf= 1x10 -6 m/s.) 

links Kurve nach 1 Bettvolumen (BV); mitte nach 2 BV und rechts nach 5 BV Sickermenge 



Magnesiumk 

onzentration 

von rohem 

Abwasser (0) 

und nach 50 

cm (1), nach 

100 cm (2) 

und nach 

150 cm 

Sickerweg 

(3) nach 

einem, zwei 

und fünf 

Bettvolumen 

(BV) 

Durchsatz, 

(von links 

nach rechts) 

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Messungen zur Sorption und Perkolation 

von über die Sickerstrecke: 

Leitfähigkeit von Abwassers durch Bodenpassage (kf= 1x10 -6 m/s.) 



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Messergebnisse zur Abwasserversickerung 



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Kurvenschar über die Zeit 



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Rückhaltevermögen des Lysimeters, nach Spülung mit demineralisiertem Wasser, (sandiger Boden) 

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• Die Abwasserexfiltration aus Hausanschlussleitungen ist 

unbestritten; 

Der Schadensumfang ist noch nicht erkundet; 

• Die BSB 5 –Frachten durch Exfiltration sind erheblich; 

Weniger als 2 % Rohwasserexfiltration verfrachtet mehr BSB 5-bürtige 

Stoffe in Untergrund und aquatische Umwelt als der Kläranlagenablauf; 

• coliforme Keime und Nitrat werden in den Untergrund 

eingetragen; 

…und können im Grundwasser erscheinen; 

• Persistente Stoffe werden teilweise im Boden akkumuliert; 

bis sie nach einem Starkregenereignis in den Untergrund und aquatische 

Umwelt perkolieren; 

weitere Untersuchungen helfen uns, die Zusammenhänge 

nach der Exfiltration besser zu verstehen. 


Ausblick 

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Prof. Dr.-Ing. Johannes Weinig, FH Bielefeld - Kanalprofi GmbH

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