Siedlungswasserwirtschaft

Wasser ist eines der Grundelemente menschlichen Lebens und ist daher symbolbehafteter Bestandteil der Architektur. Auch in Deutschland sind die Brunnen an öffentlichen Plätzen Sammelpunkte für Menschen aller Altersgruppen.

An Gewinnung und Transport des Trinkwassers werden hohe Ansprüche bezüglich Zusammensetzung und Hygiene gestellt. Niemand aber spricht gerne von dem Wasser, was der Mensch verbraucht hat. Es soll so schnell wie möglich verschwinden: Unterirdisch wird es durch Kanalleitungen Kläranlagen zugeführt und von dort aus wieder dem natürlichen Wasserkreislauf zugeführt. Ins Gerede kam dieses System erst, als Untersuchungen belegten, dass die jahrzehntelange Vernachlässigung durch öffentliche und private Betreiber zu einem gewaltigen Instandsetzungsbedarf geführt haben. Eine hohe Trinkwasserqualität kann aber auf Dauer nur gewährleistet werden, wenn kein Abwasser unkontrolliert und unbehandelt über undichte Abwasserleitungen ins Grundwasser gelangt.

Die Bauindustrie bietet schon seit vielen Jahren Systeme an, die auf der einen Seite auf der Dauerhaftigkeit des Baustoffs Beton beruhen und auf der anderen Seite durch einfache Überwachbarkeit und Instandsetzungsmöglichkeiten in allen Bereichen der Siedlungswasserwirtschaft überzeugen:

Zementgebundene Werkstoffe haben sich seit Jahrhunderten in allen Bereichen der Trinkwasserversorgung bewährt [2]. Im Bereich der Trinkwasserversorgung werden Betonbauteile für Trinkwasserbehälter und für Druckrohrleitungen eingesetzt.

Trinkwasserbehälter werden üblicherweise in Stahlbeton- oder Spannbetonbauweise gemäß DIN EN 1992-1-1, DIN EN 2016-1/DIN 1045-2 und den Anforderungen der Richtlinie "Wasserundurchlässige Bauwerke aus Beton (WU-Richtlinie)" des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton (DAfStb) erstellt. Das Arbeitsblatt W 300 der Deutschen Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e.V. () beschreibt als funktionale Anforderungen an Trinkwasserbehälter, dass sie so zu planen, zu bauen und zu betreiben sind, dass Verunreinigungen oder sonstige chemische, physikalische und biologische Einflüsse, die die Wasserqualität beeinträchtigen, vermieden werden. Beton erfüllt im Allgemeinen diese Auflagen einwandfrei [3].

Gemäß DVGW-Arbeitsblatt W 300 ist es sowohl für die Hygiene als auch für die Reinigung von Trinkwasserbehältern besonders wichtig, dass die Innenflächen glatt und porenfrei sind: Raue Oberflächen, Kiesnester und Poren begünstigen das An- und Ablagern von Stoffen und damit das Keimen von z. B. Bakterien. Ein wasserundurchlässiger Betonbehälter mit einer glatten Oberfläche an der Innenseite bedarf gemäß DVGW-Arbeitblatt keiner Innenbeschichtung. Für den Bau von Trinkwasserbehältern aus Beton und die Auskleidung von Trinkwasser-Druckrohrleitungen gelten folgende Regeln: Der für den Bau von Trinkwasserbehältern verwendete Beton muss den Anforderungen der DIN EN 206-1/DIN 1045-2 für wasserundurchlässigen Beton entsprechen und gemäß DVGW-Arbeitsblatt W 300 einen Wasserzementwert von höchstens 0,50 aufweisen. Betone, die den Grundanforderungen entsprechen, besitzen erfahrungsgemäß einen hohen Hydrolysewiderstand und sind auch bei ständigem Kontakt mit Wasser dauerhaft [4]. Das DVGW-Arbeitsblatt W 300-4 führt eine zusätzliche Expositionsklasse XTWB für Beton in Kontakt mit Trinkwasser ein und gibt Empfehlungen für einzuhaltende Grenzwerte der Betonzusammensetzung. Untersuchungen an 15 Jahre alten Innenflächen von Trinkwasserbehältern haben gezeigt, dass sich die Forderung nach glatten Innenflächen unter Verwendung von Wasser abführenden Schalungsbahnen dauerhaft erfüllen lässt [5].

Organische Baustoffe und Bauhilfsstoffe (zum Beispiel Fugenmaterial, Anstriche, Beschichtungen) müssen den Leitlinien des Umweltbundesamts (UBA) entsprechen. Ihre mikrobielle Eignung ist entsprechend dem DVGW-Arbeitsblatt W 270 nachzuweisen [2].

Eine leistungsfähige Abwasseranlage bedarf eines funktionstüchtigen Entwässerungssystems, das die häuslichen, gewerblichen und industriellen Abwässer sowie ggf. das Niederschlagwasser sammelt und zum Klärwerk transportiert. Neben Ortbetonbauteilen werden als Bauelemente der Abwasserableitung überwiegend Rohre aus Beton, Stahlbeton, Spannbeton und Faserzement mit den dazugehörigen Kurven-, Verbindungs- und Absturzbauwerken verwendet.

Rohrleitungen müssen den Beanspruchungen aus Verlegung, Einbau, Gebrauch, Betrieb und Wartung standhalten. Hieraus ergeben sich die Leistungskriterien aus mechanischer, dynamischer, chemischer, thermischer und hydraulischer Beanspruchung.

Bei den Anforderungen an den Rohrwerkstoff stehen Dichtheit, Stand- und Lagesicherheit sowie vor allem Robustheit – also Festigkeit, Schlagzähigkeit und Kerbunempfindlichkeit – im Vordergrund. Erst in zweiter Linie stehen die Forderungen nach hydraulischer Glätte, Verschleißwiderstand und chemischen Widerstand.

Hochwertige Rohre aus Beton und Stahlbeton sind in der Lage, in nahezu allen Anwendungsfällen die oben genannten Anforderungen zu erfüllen, wenn sie sachgerecht verlegt wurden. Spannbetonrohre, in der Regel als Spannbetondruckrohre, kommen aus technischen und wirtschaftlichen Gründen bei hohen Belastungen und großen Nennweiten zum Einsatz.

Schäden treten nur auf, wenn planerische Grundsätze verletzt werden, z. B. wenn die Abwässer Beton angreifende Medien über den festgelegten Grenzwerten enthalten. Korrosion im Gasraum von Abwasseranlagen infolge biogener Schwefelsäurekorrosion lassen sich durch planerische und betriebliche Maßnahmen sicher vermeiden:

Beton- und Stahlbetonrohre sind biegesteif. Verformungen treten weder bei der Lagerung noch beim Einbau oder beim Betrieb auf. Querschnittsform, Wanddicke und/oder Bewehrung lassen sich an jeden Belastungsfall und jede Einbaubedingung anpassen.

Für die Betriebsfähigkeit von Freispiegelleitungen mit ihren unterschiedlichen Füllungsständen ist die Lagestabilität von entscheidender Bedeutung. Lageabweichungen können sowohl bei der Verlegung (Einbau, Verdichtung) als auch bei der Nutzung (Auftrieb) auftreten. Bedingt durch das hohe Eigengewicht besitzen Beton- und Stahlbetonrohre eine sehr gute Lagestabilität.

Abwasserbauwerke müssen dauerhaft funktionssicher und dicht sein. Es dürfen keine Stoffe in das Grundwasser (oder den Boden) gelangen, noch darf Grundwasser (oder Boden) in das System eindringen. Die Anforderungen der FBS-Qualitätsrichtlinie übertreffen noch die entsprechenden Anforderungen in der zugehörigen Rohrnorm DIN V 1201. Mit ihren z. B. fest eingebauten Dichtungen aus Elastomeren mit dichter Struktur sind sie dauerhaft dicht und sicher gegen Wurzeleinwuchs.

Beton zeigt sich aufgrund seiner homogenen Werkstoffstruktur und seiner Materialfestigkeit sehr widerstandsfähig gegenüber Abrieb, auch bei größeren Sandfrachten im Abwasser. Beton und Stahlbetonrohre nach FBS-Qualitätsrichtlinie sind für hohe Fließgeschwindigkeiten bis zu 10 m/s geeignet. Im Gegensatz zu Rohren aus anderen, weicheren Werkstoffen sind bei Hochdruck-Spülreinigungen Drücke bis über 300 bar möglich.

Üblicherweise sind Abwasserkanäle für Abflusstemperaturen bis 35 °C ausgelegt. Beton- und Stahlbetonrohre bleiben auch bei höheren Temperaturen formstabil. Kurzfristige Abwassertemperaturen bis zu 95 °C beeinträchtigen weder Belastbarkeit noch Tragfähigkeit. Kommt es zu einem Unfall mit entzündlichen Flüssigkeiten im Kanal, brennen Betonrohre nicht. Rohre aus Beton empfehlen sich daher besonders für den Einsatz im Bereich von Tankstellen, Umfüllplätzen, Flughäfen, Straßen und Autobahnen.

Beton- und Stahlbetonrohre sind beständig gegenüber chlorierten und aromatischen Kohlenwasserstoffen (CKW / AKW), die über Löse- und Reinigungsmitteln sowie Treib- und Schmierstoffe ins Abwasser gelangen können. Für die Ableitung von Industrieabwässern mit niedrigeren pH-Werten stehen Rohre aus Hochleistungsbeton zur Verfügung.

Zu den Rohren hat die Beton- und Stahlbetonrohrindustrie ein umfangreiches Formstückprogramm bestehend aus Abzweigen bzw. Zuläufen, Krümmern, Passstücken, Gelenkstücken, Anschlussstücken für den gelenkigen Anschluss, Übergangs- oder Reduzierstücken sowie Böschungsstücken entwickelt, die zur Rationalisierung der Arbeiten auf der Baustelle und zur Steigerung der Qualität und Dauerhaftigkeit dienen.

In Freispiegelleitungen aus Beton gilt für Rohre DIN EN 1916 und für Schächte DIN EN 1917. Beide Normen sind stets gemeinsam mit den zugehörigen nationalen Ergänzungsnormen DIN V 1201 bzw. DIN V 4034-1 anzuwenden. Für Druckrohre aus Beton und Stahlbeton gelten DIN EN 639, DIN EN 640 und DIN EN 641.

In DIN V 1201 und DIN V 4034-1 sind zwei Typen von Rohren und Schachtbauteilen aus Beton, Stahlfaserbeton und Stahlbeton genormt:

• Typ 1: Widerstandsfähig gegen einen Angriff von außen, der einer chemisch „schwach“ angreifenden Umgebung entspricht (Expositionsklasse XA1).
• Typ 2: Mit erhöhten Anforderungen. Widerstandsfähig gegen einen Angriff von außen, der einer chemisch „mäßig“ angreifenden Umgebung (Expositionsklasse XA2) entspricht und zusätzlich einer starken Verschleißbeanspruchung widersteht (Expositionsklasse XM2).

Rohre aus Beton und Stahlbeton werden in offenen Baugruben oder im Vortriebsverfahren eingebaut.

Beton ist der einzige Baustoff, der den vielfältigen Anforderungen im Bau- und Betriebszustand von Kläranlagen auf Dauer genügt. Becken in Kläranlagen müssen tragfähig, gebrauchstauglich (z. B. wasserdicht) und dauerhaft sein und sind daher heute fast ausschließlich Betonbauwerke. Vom Beton wird Wasserundurchlässigkeit, hoher Widerstand gegen chemischen Angriff (z. B. Sulfatangriff) oder bei Wandkronen hoher Frost-Tausalz-Widerstand (Winterbetrieb) erwartet. Die Praxis zeigt, dass Betonbauwerke in Kläranlagen wirtschaftlich herzustellen sind und bei sachgerechter Planung, Herstellung und Betrieb auch nach jahrelanger Nutzung keinen wesentlichen Unterhaltungsaufwand erfordern [6].

Die DAfStb-Richtlinie „Wasserundurchlässige Bauwerke aus Beton“ (WU-Richtlinie) enthält zahlreiche Hinweise, die auch auf Klärbecken übertragbar sind. Bei der Bemessung von Bauteilen sind alle Einwirkungen zu berücksichtigen, z. B. der Wasserstand sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenseite der Becken (Bemessungswasserstand).

Risse in Stahlbetonbauteilen lassen sich nicht vermeiden und sind nicht grundsätzlich schädlich. Ihre Breite muss jedoch auf ein unschädliches Maß beschränkt werden, um die Wasserundurchlässigkeit gewährleisten zu können. Andernfalls sind die Risse planmäßig zu schließen. Risse sind überwiegend auf Zwangbeanspruchung (z. B. durch Abfließen der Hydratationswärme oder Schwinden) zurückzuführen. Solche Beanspruchungen können entweder durch konstruktive Maßnahmen vermieden bzw. gering gehalten oder durch Bewehrung aufgenommen werden. Hierfür stehen folgende Bauweisen zur Verfügung [1]:

• Reduzierung der Zwangspannungen durch betontechnologische Maßnahmen und durch  Anordnung von Fugen
• Begrenzung der Rissbreite durch eine hierfür bemessene Bewehrung
• Spannbeton-Behälter
• Zulassen von Trennrissen mit im Entwurf vorgesehenen Dichtmaßnahmen

Zwangsspannungen lassen sich bei massigen Bauteilen durch die Wahl eines Zements mit niedriger Hydratationswärmeentwicklung und durch gezielte konstruktive Durchbildung des Bauwerks vermindern. Dazu gehören [1]:

• Vermeidung großer Querschnittsänderungen in Sohle und Wänden
• Vermeidung von Verzahnungen im Erdreich (z. B. Sohlversprünge)
• Vermeidung von Kerbspannungen (z. B. bei Aussparungen)

Bei Abwasseranlagen werden aus betriebstechnischen Gründen für alle Wände, die mit Abwasser in Berührung kommen, glatte Oberflächen bevorzugt. Glatte Stahlschalungen oder glatte, filmbeschichtete Schalungen sind nicht saugend und begünstigen im Kontaktbereich von Schalung und Frischbeton Mörtelanreicherungen und eine Erhöhung des Wasserzementwerts an der geschalten Betonoberfläche. Das kann Verschleiß- und Frostwiderstand beeinträchtigen. Daher sind im Allgemeinen Wasser saugende Holzschalungen vorteilhafter. Um doch die für eine leichte Reinigung in der Wasserwechsel- und Spritzwasserzone erwünschte glatte Wandoberfläche zu erhalten, kann ein in diesem Bereich umlaufender, wenige Dezimeter breiter Anstrich (z. B. mit Epoxidharz-Kombinationen) aufgebracht werden [1].

Der Umfang der Überwachung und Prüfung auf der Baustelle wird vor allem durch die Überwachungsklassen für den Beton bestimmt. Kläranlagentypische Bauteile gehören in die Überwachungsklassen 2 oder 3 mit Überwachung durch das Bauunternehmen (Anhang B der DIN 1045-3) und mit einer Überwachung durch eine dafür anerkannte Überwachungsstelle (Anhang C der DIN 1045-3) [1].

Die von den Laufrädern der Räumer- und Lüfterbrücken als Fahrbahnen benutzten Wandkronen der Becken werden auch als Räumerlaufbahnen bezeichnet, An die Konstruktion werden folgende Anforderungen gestellt [1]:

• Störungsfreier Betrieb
• Oberfläche eben, frei von Ausbrüchen und Graten und bei jeder Witterung griffig
• Ausbildung der Raumfugen so, dass sie schadlos für Räumerbrücke und Bauwerk vom Laufrad überrollt werden können.

Zusätzlich zum Widerstand gegen Beanspruchungen, die auf ein Außenbauteil einwirken, müssen sie den Druck- und Schubkräften der Laufräder und den Einwirkungen von Hilfsmitteln widerstehen, die zur Eisfreihaltung im Winter eingesetzt werden. Das verlangt besondere konstruktive Überlegungen zur Vermeidung von schädlichen Rissen und zur Ausbildung betriebssicherer Raumfugen, eine auf die Anforderungen abgestimmte Betonzusammensetzung und spezielle betontechnische Maßnahmen beim Einbau des Betons [2]. Der bewehrte Beton für Räumerlaufbahnen ist vier Expositionsklassen zuzuordnen: XC4, XD3, XF4 und XM2.

Die aufgeführten Anforderungen an die Räumerlaufbahn haben zur Grundlage, dass das Räumerrad die vertikale Lastabtragung des Räumers (Druck) und horizontale Lastabtragung durch den Antrieb (Schub) übernimmt. Das wird derzeit als die kostengünstigste Bauweise angesehen und ist deshalb in der Regel in Kläranlagen anzutreffen. Räumer mit Antrieben z. B. über Triebstock (Zahnstangen) oder mit Zentralantrieb (bei Rundbecken) sind unempfindlicher gegenüber Unebenheiten und Glätte der Fahrspur [1].

Beim Betonieren von Wänden stellen sich fast zwangsläufig Mörtelanreicherungen im oberen Wandbereich ein, die einen hohen Wassergehalt und damit eine hohe Porosität sowie eine niedrigere Festigkeit und Dichtigkeit als die übrigen Wandbereiche aufweisen. Damit die Wandkrone als Räumerlaufbahn dennoch den erforderlichen hohen Widerstand gegen mechanische Beanspruchung aufweist, können folgende Verfahrensweisen empfohlen werden [1]:

• Der obere Teil der Wandkrone – von der frostfreien Tiefe bis zur Oberkante – wird mit einem Beton der Konsistenz F2 (oberer Bereich) mit geringem Mörtelanteil frisch in frisch hergestellt. Sofern nicht das gesamte Bauwerk in Luftporenbeton ausgeführt wird, sollten die betroffenen Teilbereiche damit ausgeführt werden.
• Wand und Wandkrone werden in einem Arbeitsgang hergestellt. Der nachverdichtete Beton steht rund 3 cm bis 5 cm höher als das Sollmaß. Der Beton ist anschließend auf das Sollmaß abzuziehen, womit die mörtelreiche obere Schicht entfernt wird.
• Die Wände werden bis max. 20 cm unter Oberkante betoniert. Darauf wird frisch in frisch ein Beton steiferer Konsistenz (ggf. Splittbeton) mit möglichst geringem Mörtelgehalt eingebracht und verdichtet.
• Die Wandkrone wird als separater Ortbetonbalken hergestellt. Hierzu wird die Beckenwand über die geplante Wasserspiegelhöhe, jedoch nur 30 cm bis 40 cm unter die spätere Oberkante der Räumerlaufbahn, geschalt, betoniert, verdichtet, nachverdichtet und abgerieben.
• Die Wand wird bis ca. 20 cm unter Oberkante betoniert und die eigentliche Räumerlaufbahn als Fertigteil aufgesetzt.

Hohe Belastung und hoher Abrollwiderstand erfordern besondere Maßnahmen bei der Fugenkonstruktion: Eine spezielle Ausbildung der Fugenübergänge ist zweckmäßig und einer Fugenpanzerung in Erwägung zu ziehen.

Im Winter können Schnee- und Eisglätte dazu führen, dass die Räder durchdrehen und der Betrieb empfindlich gestört wird. Die in der Regel vor dem Räumerrad angebrachten Vorrichtungen wie Schneeräumer aus Stahlblech, Gummischrapper und Besen reichen für einen störungsfreien Betrieb oft nicht aus. Zu den weiteren Maßnahmen zum Entfernen des Eis zählen die zusätzliche mechanische Entfernung, das Auftauen mit Heißluftgeräten, Infrarotstrahlern oder einbetonierten Heizdrähten sowie der Einsatz von Taumitteln. Die daraus entstehenden Beanspruchungen für den Beton sind zu berücksichtigen.

In vielen Gemeinden wird für Neubauten vorgeschrieben, Niederschlagswasser auf dem Grundstück zu versickern. Den Vorteil, den die Gemeinden durch die Entlastung des öffentlichen Kanalnetz haben, geben sie über Gebührenreduzierungen (Versiegelungsabgabe) an die Hauseigentümer weiter, die funktionsfähige Versickerungsanlagen betreiben. Die Nutzung des Regenwassers als Brauchwasser z. B. in der Toilettenspülung, verschafft dem Hausbesitzer weitere Vorteile durch die Reduzierung des Verbrauchs von teurem Trinkwasser.

Die Anforderungen an Versickerungsanlagen sind im DWA-Arbeitsblatt 138 „Planung, Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser“ der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. (DWA) festgelegt. Für die dort aufgeführte Schachtversickerung werden erfolgreich Systeme aus Beton eingesetzt, die gleichzeitig auch eine Nutzung des Niederschlagswassers als Brauchwasser ermöglichen. Der Baustoff Beton sorgt dabei für eine hohe Tragfähigkeit, die eine hohe Erdüberdeckung und Befahrbarkeit ermöglicht, und Dauerhaftigkeit. Behälter aus Beton müssen im Gegensatz zu anderen Systemen bei Verfüllung und Verdichtung des Arbeitsraums nicht mit Trinkwasser gefüllt werden.

Weitere Informationen zu Anlagen zur Regenwassernutzung und –versickerung aus Beton finden Sie hier.

[1]    Kampen, Rolf; Bose, Thomas; Klose, Norbert:
Betonbauwerke in Abwasseranlagen, Verlag Bau+Technik, Düsseldorf 2011

[2]    Breit, Wolfgang; Spanka, Gerhard:
Zementgebundene Werkstoffe im Trinkwasserbereich. beton 11-2008. S. 492

[3]    Ebeling, Karsten:
Hinweise zur Erstellung eines Leistungsverzeichnisses beim Neubau von Trinkwasserbehältern. beton 4-2007 S. 146

[4]    Boos, Peter:
Herstellung dauerhafter zementgebundener Oberflächen im Trinkwasserbereich - Korrosionsanalyse und technische Grundanforderungen. Schriftenreihe der Zementindustrie Heft 64. Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf 2003

[5]    Merkl, Gerhard:
Mit Schalungsbahnen erstellte Trinkwasserbehälter. beton 3-2009 S. 94

[6]    Rendchen, Karsten:
Beton im Kläranlagenbau. Beton-Informationen 4-1996, S. 57

[7]    Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e.V. (DVGW): DVGW-Arbeitsblatt W 300 "Trinkwasserbehälter" mit:
DVGW W 300-1: Planung und Bau
DVGW W 300-2: Betrieb und Instandhaltung
DVGW W 300-3: Instandsetzung und Verbesserung
DVGW W 300-4: Werkstoffe, Auskleidungs- und Beschichtungssysteme – Grundsätze und Qualitätssicherung auf der Baustelle
DVGW W 300-5: Werkstoffe, Auskleidungs- und Beschichtungssysteme – Anforderungen und Prüfung