Artikel Regelungsstrategien optimieren den Klärprozess

Am Anfang der Prozessoptimierung steht eine eingehende Analyse der Energieverbräuche, um klar erkennen zu können, wo Verbesserungspotenzial liegt. Die Grundlage hierfür ist die Überwachung des Energieverbrauchs einzelner Anlagenteile und die Kenntnis der wichtigsten Kläranlagenkennzahlen. Diese Werte werden mit dem Datenmanager Memograph RSG40 aufgezeichnet, dokumentiert und mit Hilfe seiner speziellen Software ausgewertet. So können nicht nur die Energieströme erfasst, sondern auch die großen Energieverbraucher herausgestellt werden. DieseDaten erleichtern es, eine Gesamtstrategie zur Energieoptimierung zu entwickeln. Das System ermöglicht außerdem eine sofortige Bewertung der Energieeinsparungen in Euro und eine nachhaltige Dokumentation.

Im Vordergrund jeder Anlagenführung muss die sichere Einhaltung der vom Gesetz vorgeschriebenen Ablaufwerte stehen. Dazu kommt das sichere Betreiben der biologischen Reinigung und die Schlammqualität. Durch falsche Regelung der Belebung kann sich die Reinigungsleistung der Biologie vermindern, und die Schlammqualität kann durch zu hohen Wassergehalt oder verändertes Absetzverhalten leiden. Endress+Hauser stellt deshalb in seiner Regelstrategie die Prozessoptimierung in den Vordergrund und nicht alleine die Energieeinsparung. Anlagenbetreiber sind dadurch in der Lage, zusätzlich zur Energieeinsparung bessere Ablaufwerte zu erzielen. Sie können ihre Anlage auf niedrigere Schadstoffwerte deklarieren lassen und so Abwasserabgaben einsparen. Auf Testanlagen konnte die Steigerung der Anlagensicherheit mehrfach untermauert werden, da gerade in Situationen mit unerwartet hohen Frachten besonders effizient reagiert werden kann.
Extreme Ammoniumfrachten können in viel kürzerer Zeit abgebaut werden, als dies ohne Regelung möglich wäre. In solchen Phasen wird zwar mehr Energie für den raschen und sicheren Ammoniumabbau benötigt, als im Puls-/Pausenbetrieb, in Schwachlastzeiten fällt die Energiebilanz jedoch sehr positiv aus, da in längeren Abständen belüftet werden kann. Die Anlagensicherheit wird über verschiedene Stufen sichergestellt:

• Alarmmeldungen über SMS/Email und Fernzugriff auf Reglereinstellung und Optimierung durch den Service des Herstellers,
• Plausibilitätserkennung der Sensorik,
• Notfallprogramm mit zeitgesteuerter Regelung.

Das Herz der Regelstrategie zur Biologieoptimierung ist die ionenselektive Ammonium- und Nitratmessung. Das kompakte Messsystem beinhaltet einen ionenselektiven Sensor und einen Messumformer. Der Sensor wiederum besteht aus bis zu drei ionenselektiven Elektroden sowie einer Referenzelektrode mit pH-Messung, die in einer Eintaucharmatur mit automatischer Druckluftreinigung eingebaut ist und direkt in den Prozess installiert wird.

Die ionenselektiven Elektroden messen simultan Ammonium, Nitrat und je nach Anwenderwunsch eine weitere Messgröße wie Kalium oder Chlorid. Sie haben leicht zu wechselnde Membrankappen, die selektiv für das zu messende Ion sind. Durch die integrierte Druckluftreinigung werden sie von Verschmutzungen frei gehalten und sind damit ständig messbereit. Die potentiometrische Messung mit ionenselektiven Elektroden erfolgt analog der pH-Messung: Durch die „Wanderung“ geladener Ionen entsteht eine Potentialdifferenz zwischen Mess- und Referenzelektrode. Diese Potentialdifferenz wird gemessen und ist proportional zur Ionenkonzentration.

Ionenselektive Messung – schnelle Messwerte in Kläranlagen

Ionenselektive Sensoren zeichnen sich durch schnelle Ansprechzeiten aus und sind daher speziell zur Steuerung und Regelung von Prozessen einsetzbar. Auf der anderen Seite besteht jedoch aufgrund des physikalischen Messprinzips eine gewisse Querempfindlichkeit gegenüber ähnlichen Ionen. So kann z.B. eine stark variirende Kaliumkonzentration die Ammoniummesswerte verfälschen. In der Praxis wird dies kompensiert, indem gleichzeitig die Kaliumkonzentration gemessen wird.

Der mit ionenselektiven Elektroden bestimmte Ammoniumgehalt hat sich als Steuergröße für die Belüftung der Belebungsbecken in kommunalen Kläranlagen bereits etabliert. Die gleichbleibende und vergleichbare Zusammensetzung der kommunalen Abwässer ermöglicht es, die Prozessregelung zu optimieren. Darüber hinaus können mit ionenselektiven Elektroden auch Ammonium- und Nitratkonzentrationen in industriellen Kläranlagen bestimmt werden. Erfolgreiche Applikationsprüfungen wurden bereits im Abwasser von Lebensmittelbetrieben durchgeführt.
In einem Kartoffeln verarbeitenden Betrieb sorgt das ionenselektive Messsystem dafür, dass NH4- und NO3-Werte vermieden werden, die der Kläranlagenbiologie gefährlich werden könnten. In einem Milchbetrieb garantiert die Ammonium-Nitrat-Regelung den optimalen Betrieb des SBR (Sequentieller Batch-Reaktors). Erste Tests zur Überwachung der Ammonium- und Nitratkonzentration im Zulauf und Ablauf sowie in der Denitrifikation von Abwässern aus Chemieanlagen wurden ebenfalls gestartet.
Ein weiteres erfolgreiches Beispiel ist das Oswald-Schulze Projekt in Kooperation mit der TU München. Hier wurden eine 2-straßige Pilotanlage zur Deammonifikation von stark mit Ammonium belasteten Abwässern aus industriellen Vergärungsanlagen installiert und exzellente Testergebnisse erzielt.

Fazit: Die Investition in eine Ammonium-/Nitrat-Regelung rechnet sich auf mehrfache Weise: zum einen können die Vorgänge online verfolgt werden, man „sieht“ sozusagen was im Belebungsbecken passiert, zum anderen kann die Anlagensicherheit mit der Regelung deutlich erhöht und die Energiebilanz der Biologie optimiert werden.

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Für Betreiber

• In Kläranlagen kann sich durch falsche Regelung der Belebung die Reinigungsleistung der Biologie vermindern und die Schlammqualität durch zu hohen Wassergehalt oder verändertes Absetzverhalten leiden.
• Das Herz der hier vorgestellten Regelstrategie zur Biologieoptimierung ist die ionenselektive Ammonium- und Nitratmessung.
• Der mit ionenselektiven Elektroden bestimmte Ammoniumgehalt hat sich als Steuergröße für die Belüftung der Belebungsbecken in kommunalen Kläranlagen bereits etabliert.

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