Special: Rohre & Kanäle
Analyse des Verstopfungsverhaltens von Vliestüchern im Abwasser (Teil 2)

Wie im ersten Teil dieser Serie beschrieben (veröffentlicht in wwt 11-12/2019), verursachen die zunehmenden Mengen an Vliestüchern (umgangssprachlich Feuchttücher) im Abwasser Betriebsprobleme für Abwassernetzbetreiber in der ganzen Welt. Eine Studie der TU Berlin aus dem Jahr 2018 belegte, dass die Abwasserpumpen am stärksten betroffen sind, da sie durch die Vliestücher verstopfen können /1/. Dies gefährdet nicht nur die Funktionalität der kritischen Abwasserinfrastruktur, sondern verursacht für die Betreiber auch beachtliche Mehrkosten, da die Verstopfungen mit hohem Zeit- und Personalaufwand beseitigt werden müssen. Daher wurde im ersten Teil dieser Serie eine Studie zu den in Pumpenverstopfungen vorkommenden Vliestucharten vorgestellt. Es konnte gezeigt werden, dass der Hauptbestandteil der Pumpenverstopfungen für den Hausmüll bestimmte Feuchttücher sind, wie Baby-, Reinigungs- und Kosmetiktücher. Dies weist darauf hin, dass der größte Teil der Feuchttuch-bedingten Pumpenverstopfungen darauf zurückzuführen ist, dass manche Benutzer ihre gebrauchten nicht-spülbaren Feuchttücher fälschlicher Weise über die Toilette anstatt über den Hausmüll entsorgen. Darüber hinaus konnte jedoch auch ein geringer Anteil an Feuchttüchern identifiziert werden, die als „spülbare“ feuchte Toilettentücher verkauft wurden. Dies zeigt, dass nicht alle Feuchttücher mit dem Etikett „spülbar“ auch wirklich pumpenverträglich und damit abwassersystemverträglich sind.
Im zweiten Teil dieser Serie wird eine Studie vorgestellt, die zum Ziel hatte zu untersuchen, ob unterschiedliche Vliestücher ein unterschiedliches Verstopfungsverhalten aufweisen. Insbesondere ist dabei die Unterscheidung zwischen als „spülbar“ verkauften Feuchttüchern und solchen, die für den Hausmüll gedacht sind (im Folgenden „nicht-spülbare Feuchttücher“ genannt) interessant. Darüber hinaus können die als „spülbar“ verkauften Feuchttücher (hauptsächlich feuchte Toilettentücher) noch weiter unterschieden werden: Als solche, die sich an bestehende Vorgaben der Industrieverbände der Vliestuchindustrie (INDA und EDANA) halten, und als solche, die sich nicht an diese Vorgaben halten.

Bereits im Jahr 2008 veröffentlichten die Industrieverbände INDA und EDANA ihre erste „Spülbarkeitsrichtlinie“ (Flushability Guidelines) /2/, die 2018 überarbeitet in der vierten Auflage erschien (GD4). Die Spülbarkeitsrichtlinien umfassen sieben Tests, die das Verhalten des Vliestuchs im Abwasser (Zerfall, Absetzen, biologische Abbaubarkeit) und in der Infrastruktur (Toilette, Hebeanlage, Abwasserpumpe) bewerten. Nur wenn alle sieben Tests bestanden wurden, ist das Vliestuch GD4-konform und kann daher als „spülbar“ gekennzeichnet werden. Wenn einer oder mehrere der Tests nicht bestanden wurden, ist das Feuchttuch „nicht spülbar“ und muss mit dem „Nicht-Spülen“-Symbol gekennzeichnet werden (siehe Bild 1).

Die INDA/EDANA-Richtlinien zur Spülbarkeit wurden in der Vergangenheit von Abwassernetzbetreibern kritisiert. Hauptstreitpunkt ist, dass die Richtlinien ohne ausreichenden Input der Abwasserentsorger (insbesondere aus Europa) erarbeitet worden seien und somit den Interessen der Industrie dienten, ohne die Abwasserinfrastruktur ausreichend zu schützen. Erschwerend kommt außerdem hinzu, dass die Einhaltung der INDA/EDANA Spülbarkeitsrichtlinien lediglich eine freiwillige Selbstverpflichtung der Hersteller ist. Die Einhaltung wird nicht überprüft und der Begriff „spülbar“ ist nicht geschützt, kann also frei verwendet werden.  

Material und Methoden

Um das Verstopfungsverhalten verschiedener Feuchttücher zu analysieren, wurden fünf verschiedene Tücher mit einem Pumpenfunktionsprüfstand im Labor untersucht. Die Ergebnisse aus früheren Untersuchungen von Pumpenverstopfungen (siehe wwt 11-12/2019) haben gezeigt, dass Feuchte Toilettentücher und Babytücher im Zusammenhang mit Pumpenverstopfungen besonders relevant sind. Daher wurden in den Laboruntersuchungen drei als „spülbar“ verkaufte Vliestücher (feuchte Toilettentücher), und zwei als „nicht spülbar“ verkaufte Vliestücher (Babytücher; siehe Tabelle 1) verwendet. Von den als „spülbar“ verkauften feuchten Toilettentüchern erfüllten zwei die Spülbarkeitsrichtlinien der amerikanischen und europäischen Verbände für die Vliesstoffindustrie, INDA und EDANA /2/, und ein feuchtes Toilettentuch erfüllte diese Richtlinien nicht.

Für die Untersuchung wurde ein Pumpenfunktionsprüfstand verwendet, siehe Bild 2 (eine genauere Beschreibung des Prüfstands ist in /4/ zu finden). Künstliches Abwasser wurde durch Zugabe einer bestimmten Menge des zu untersuchenden Vliestuchs in den Abwassertank erzeugt. Dabei wurden drei Abwasserklassen mit ansteigender Vliestuchbelastung definiert. Die Abwasserklassen und zugehörige Tuchanzahl sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die jeweilige Tuchanzahl der Abwasserklasse beruht auf ermittelten Mengen an Vliestüchern im Abwasser aus vorangegangenen Untersuchungen /5/. Dabei ist die Tuchkonzentration in der Abwasserklasse 3 mit der höchsten Belastung deutlich höher als alle bisher erhobenen Werte (selbst in konzentrierten Zonen wie Saugräumen), um eine zukünftig potentiell steigende Feuchttuchbelastung des Abwassers zu simulieren.

Um die Verstopfungswirkung der einzelnen Vliestücher umfassend zu bewerten, wurden zwei Testverfahren durchgeführt: Ein Kurzzeit-Test (ein einzelner Pumpzyklus mit einem Volumen von 2 m³ vom Abwassertank über den Filter zum Frischwassertank) und ein Langzeit-Test (bei dem das künstliche Abwasser 60 Minuten im Kreis gepumpt wurde). Um die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, wurden alle Kurzzeit-Tests doppelt durchgeführt. Während aller Messungen wurden die Förderhöhe, der Volumenstrom und die Leistungsaufnahme kontinuierlich gemessen. Um verschiedene Betriebszustände im Feld abzudecken, wurden alle Versuche für Unterlast (Q/Qopt=0,8), Überlast (Q/Qopt=1,2) und den optimalen Betriebspunkt der Pumpe (Q/Qopt=1,0) durchgeführt.

Für die Laboruntersuchungen wurde eine Pumpe mit einem geschlossenen Zweikanalrad mit einem Durchmesser von 256 mm verwendet. Poehler et al. /6/ haben in einer systematischen Untersuchung der Verstopfungsanfälligkeit von 19 Abwasserpumpen gezeigt, dass diese Pumpe am empfindlichsten auf Feuchttücher im Abwasser reagierte. Durch die Verwendung dieser verstopfungsanfälligen Pumpe zur Untersuchung der Verstopfungswirkung von Feuchttüchern wird das Worst-Case-Szenario im Feld abgedeckt.

Ergebnisse

Um die Verstopfungswirkung der fünf untersuchten Vliestücher zu vergleichen, wurden Volumenstrom, Förderhöhe, Aggregatwirkungsgrad (Pumpe + Motor), normalisierter Aggregatwirkungsgrad (Verhältnis vom Aggregatwirkungsgrad während der Verstopfungsprüfung zum Klarwasseraggregatwirkungsgrad am jeweiligen Betriebspunkt) und die Rückstände in der Pumpe für beide Testverfahren gemessen bzw. berechnet. In diesem Artikel kann nur ein Auszug der Ergebnisse für den Betriebspunkt 1,0 gezeigt werden. Die Ergebnisse für die Betriebspunkte 0,8 und 1,2 sind sehr ähnlich und werden daher nicht gesondert behandelt. Eine ausführlichere Darstellung der Ergebnisse für den Betriebspunkt 1,0 ist in /7/ zu finden.

Die Bilder 3 bis 5 zeigen den Einfluss der Vliestücher auf den Betriebspunkt der Pumpe. Zu sehen sind die Kennlinie der Pumpe und die jeweiligen Betriebspunkte, die sich bei Langzeit-Tests mit Toilettentuch A, Toilettentuch C und Babytuch A für die unterschiedlichen Abwasserklassen (AK1 – AK3) einstellen (bei Q/Qopt=1,0). Es wird deutlich, dass das INDA/EDANA konforme feuchte Toilettentuch A auch bei stärkster Belastung (AK3) keinen Einfluss auf den Betriebspunkt der Pumpe hat. Dieser bleibt für alle drei Abwasserklassen im Bestpunkt (BEP). Die gleichen Eigenschaften zeigten sich sowohl bei den Kurzzeit-Tests mit Toilettentuch A als auch bei den Kurz- und Langzeit-Tests mit dem INDA/EDANA konformen Toilettentuch B. Das feuchte Toilettentuch C hingegen, das nicht den INDA/EDANA Spülbarkeitsrichtlinien entspricht, aber dennoch als „spülbar“ verkauft wird, zeigt bei jeder Belastung einen deutlichen negativen Effekt auf den Betriebspunkt (Bild 4). Umso höher die Abwasserklasse und damit die Tuchkonzentration im Wasser, umso weiter fällt der Betriebspunkt unter den BEP. Auch in den Kurzzeit-Tests zeigt Toilettentuch C eine ähnlich starke Auswirkung auf den Betriebspunkt. Das Babytuch A beeinträchtigt den Betriebspunkt ähnlich stark wie Toilettentuch C, was zu erwarten war, da es als „nicht spülbar“ verkauft wird und nicht in die Toilette gehört (Bild 5). Die gleiche negative Auswirkung auf den Betriebspunkt war sowohl bei den Kurzzeit-Tests mit Babytuch A zu beobachten, als auch bei den Kurz- und Langzeit-Tests mit Babytuch B.

Bild 6 zeigt das Trockengewicht der Feuchttuchrückstände, die nach den Kurzzeit-Tests in der Pumpe verblieben sind, aufgetragen gegen die ansteigende Belastung mit Feuchttüchern (Abwasserklassen 1-3; Q/Qopt=1,0).

Während der Tests konnte beobachtet werden, dass die Toilettentücher A und B sofort zerfallen und nur einzelne Fasern im Wasser zurücklassen. Dementsprechend hinterlassen sie keine (oder vernachlässigbar geringe) Rückstände in der Pumpe. Das gleiche Verhalten konnte bei den Langzeit-Tests (hier nicht abgebildet) beobachtet werden.
Im Gegensatz dazu verstopfte das feuchte Toilettentuch C die Pumpe bei jeder Belastung, obwohl es zu 100 % aus kurzen Zellulosefasern bestand und von Hand leicht zu zerreißen war. In den Langzeit-Tests wurde das Verstopfungsverhalten sogar noch verstärkt (nicht abgebildet). Bei höchster Belastung (AK3) mussten mehr als 60 % der zugebenen Toilettentücher (~ 270 g) nach dem einstündigen Test aus der Pumpe entfernt werden. Dies zeigt, dass trotz der biologischen Abbaubarkeit der kurzen Fasern, die Toilettentücher auch nach einer Stunde in der Pumpe nicht ausreichend zerfallen, sondern immer weitere Tücher das Laufrad verstopfen. Der Unterschied in der Verstopfungswirkung zwischen den feuchten Toilettentüchern A+B und dem feuchten Toilettentuch C ist in Bild 7 dargestellt.

Wie zu erwarten, haben die Babytücher A und B die stärkste verstopfende Wirkung und hinterlassen bei jeder Abwasserklasse am meisten Rückstände in der Pumpe. Auch bei den Babytüchern verstärkt sich ihre verstopfende Wirkung im einstündigen Langzeit-Test (nicht abgebildet). In allen drei Abwasserklassen mussten nach dem Langzeit-Test bis zu 100 % der zugegebenen Feuchttücher nach dem Test aus der Pumpe entfernt werden (bis zu 400 g).

Bild 8 zeigt den normierten Aggregatwirkungsgrad der im Durchschnitt während der Kurzzeit-Tests mit den unterschiedlichen Feuchttüchern erreicht wurde, aufgetragen über die Abwasserklassen (für Q/Qopt=1,0). Wie anhand der hohen Rückstände in der Pumpe zu erwarten, haben die nicht-spülbaren Babytücher A und B die stärkste negative Auswirkung auf den Wirkungsgrad der Pumpe. Bereits in der niedrigsten Abwasserklasse sinkt der Wirkungsgrad um durchschnittlich 20 % (beide Babytücher) und bei der höchsten Abwasserklasse verliert die Pumpe durchschnittlich 65 % ihrer Effizienz (Babytuch B). Während der Langzeit-Tests mit den Babytüchern in der höchsten Abwasserklasse (nicht abgebildet) erreicht die Pumpe im Durchschnitt sogar nur 16 % ihres maximalen Wirkungsgrads, verliert also 84 % Effizienz.

Obwohl das feuchte Toilettentuch C als spülbar verkauft wird, zeigt es einen ähnlichen Effekt auf die Effizienz der Pumpe: Der durchschnittliche normierte Aggregatwirkungsgrad nimmt mit zunehmender Abwasserbelastung stark ab, obwohl die Werte insgesamt etwas besser sind als bei den Babytüchern. Bei der höchsten Abwasserklasse verliert die Pumpe durch das Toilettentuch C bei den Kurzzeit-Tests durchschnittlich 34 % ihres Wirkungsgrades und bei den Langzeit-Tests durchschnittlich sogar 70 % ihres Wirkungsgrads (letzteres nicht abgebildet).

Wie auf Grundlage der vorangegangenen Abbildungen zu erwarten, zeigten die feuchten Toilettentücher A und B keine Auswirkung auf die Effizienz der Pumpe. Selbst bei der höchsten Belastung (AK3) erreicht die Pumpe ihren maximalen Wirkungsgrad. Auch im Langzeit-Test (nicht abgebildet) verliert sie durch die Toilettentücher A und B keine Effizienz. Aus der umfassenden Beurteilung der Verstopfungswirkung der feuchten Toilettentücher A und B kann geschlossen werden, dass diese Feuchttücher selbst in hoher Konzentration keinerlei negative Auswirkung auf den Betrieb der Abwasserpumpe haben; weder auf die hydraulischen Kennwerte noch auf den Wirkungsgrad der Pumpe.

Fazit und Ausblick

Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass die für den Hausmüll bestimmten Feuchttücher (die alle bereits heute eine entsprechende Kennzeichnung tragen) niemals in die Toilette gespült werden dürfen, da sie den Pumpenbetrieb extrem beeinträchtigen. Sie weisen auch darauf hin, dass spülbare Feuchttücher, die den INDA/EDANA Spülbarkeitsrichtlinien entsprechen, pumpenverträglich sind. Im Gegensatz dazu können als „spülbar“ verkaufte Feuchttücher, die den INDA/EDANA Richtlinien nicht entsprechen, ebenfalls zu starken Beeinträchtigungen von Abwasserpumpen führen, selbst wenn die Tücher aus 100 % biologisch abbaubaren Kurzfasern hergestellt sind.

In dieser Studie konnten nur wenige Proben untersucht werden. Um festzustellen, ob alle INDA/EDANA-konformen Feuchttücher pumpenverträglich sind, sind weitere Untersuchungen, möglicherweise auch unter Verwendung verschiedener Pumpentypen, erforderlich.

Insgesamt zeigen die Ergebnisse der zweiteiligen Serie (Feld- und Laboruntersuchungen), dass der Hauptanteil der Verstopfungsprobleme nur gelöst werden kann, wenn Nutzer von nicht-spülbaren Feuchttüchern ihr Entsorgungsverhalten ändern. Es ist jedoch auch klar, dass Maßnahmen ergriffen werden müssen, um die Konformität aller als „spülbar“ verkauften Feuchttüchern mit den bestehenden Industrierichtlinien sicherzustellen. Abwassersystembetreiber müssen ihre Kunden darüber informieren, was in die Toilette gehört und was nicht, und Vliestuchhersteller und -händler müssen die Zuverlässigkeit des Begriffs „spülbar“ sicherstellen.

Danksagung

Die Autoren danken Ümit Hasirci und Tim Reese (Technische Universität Berlin) für ihre Unterstützung bei den Laboruntersuchungen.

LITERATUR
/1/    Mitchell, R.-L.: Analyse der Betriebsprobleme durch nicht abwassersystemverträgliche Feuchttücher. In: KA Korrespondenz Abwasser, Abfall, 2019 (66), Nr. 7, Seiten 544 - 550, DOI: 10.3242/kae2019.07.002
/2/    INDA und EDANA: Guidelines for Assessing the Flushability of Disposable Nonwoven Products: A Process for Assessing the Compatibility of Disposable Nonwoven Products with Plumbing and Wastewater Infrastructure, 2018
/3/    INDA und EDANA: Code of Practice: Communicating Appropriate Disposal Pathways for Nonwoven Wipes to Protect Wastewater Systems, 2017. [Online] Verfügbar: http://www.inda.org/wp-content/uploads/2013/05/Code-of-Practice-Final-Second-Edition-2017.pdf. Abgerufen: Jun. 19 2017
/4/    Pöhler, M.; Thamsen, P.U.: Functional performance of wastewater pumps, 3rd International Rotating Equipment Conference (IREC) Pumps, Compressors and Vacuum Technology in Düsseldorf, September 2016, ISBN 978 3 8163 0697-9, p. 1-12, DE
/5/    Mitchell, R.-L.; Gunkel, M.; Waschnewski, J.; Thamsen, P. U.: Nonwoven wet wipes can be hazardous substances in wastewater systems – evidences from a field measurement campaign in Berlin, Germany, 2nd WaterEnergyNEXUS - International Conference, 2018
/6/    Poehler, M.; Thamsen, P.U.: Method to assess wastewater pumps in the nexus of functionality and energy efficiency, Water Energy Nexus Conference, 14-17 November 2018, Salerno, Italy
/7/    Mitchell, R.-L.; Busche, S.; Thamsen, P.U.: Investigations into wet wipe related clogging phenomena of wastewater pumps, Proceedings of the AJKFluids 2019 Conference, 28 July - 1 August 2019, San Francisco, USA

Ein Beitrag von Dr.-Ing. Raja-Louisa Mitchell, TU Berlin.
raja-louisa.mitchell[at]tu-berlin.de

Fachartikel aus wwt wasserwirtschaft wassertechnik Nr. 1-2/2020

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