Als
Stand der Technik kann hier das ATV/DVWK Arbeitsblatt A131 Stand
Mai 2000 „Bemessung
von einstufigen Belebungsanlagen" als auch
die DIN 12255 Teil 6 und Teil 12 gelten. Hier gilt als Stand der
Technik eine Sauerstoffbedarfsregelung der biologischen Reinigungsstufe
auf die auch in diesem Verfahren zurückgegriffen wird. Allerdings wird
beim Stand der Abwassertechnik weder ein Lastprofil aufgenommen
noch wird der ganze Kläranlagenbetrieb
mittels dieser Lasteinstufung optimiert und betrieben.
Systemvoraussetzungen
zur Implementierung dieses Verfahrenskonzeptes:
- 1.
SPS (speicherprogrammierbare Steuerung)
- 2. Online-Sauerstoffmessung
- 3. Online-Nitratmessung (alternativ Redox)
- 4. Online-Ammoniummessung
- 5. Online Energieverbrauchsmessung der biologischen Reinigungsstufe
- 6. mittels Frequenzumformer regelbare Gebläse.
Beschreibung des Verfahrens:
Im
ersten Schritt wird ein Lastprofil erstellt, welches sich aus der
Stickstoffbelastung, der BSB5-Belastung(Biochemischer
Sauerstoffbedarf) anhand der spezifischen Gebläseleistung (Energieverbrauch
Biologie) und der Nitrifikations-, Denitrifikationsleistung zusammensetzt.
Dieses
Lastprofil wird wie folgt definiert.
2 Basismodul Teil 1 Lasteinstufung
(Definition der unterschiedlichen Modi)
Für die Aufnahme
eines charakteristischen Lastprofils (Modidefinition) sind folgende
Parameter ausschlaggebend. Siehe hierzu auch Anlage 2 des Programmablaufschemas
zur Modidefinition (Lasteinstufung).
2.1 Lasteinstufung Ecomodus
Erreicht
der Ammoniumgehalt einen kleineren Wert als () mg/l und stellt sich
gleichzeitig ein Energieverbrauch der Biologie im Nitrifikationszyklus < () kW (Plausibilitätskontrolle
Ammonium, Frachteinstufung BSB5) ein wird
ein sehr geringer Sauerstoffeintrag gewählt () mg/l < O2 < () mg/l. Hieraus
ergibt sich die Lasteinstufung „Ecomodus" bis NH4-N > () mg/l oder Energieverbrauch
Biologie im Nitrifikationszyklus > ()
kW => Standardmodus.
2.2 Lasteinstufung Standardmodus
Im „Standardmodus" NH4-N > () mg/l sollte im
Nitrifikationsbetrieb ein größerer Sauerstoffeintrag erfolgen
() mg/l < O2 < ()
mg/l bis NH4-N > () mg/l. Energievorgaben für Minimum – Maximum
runden die Lasteinstufung ab.
2.3 Lasteinstufung Lastmodus
Im „Lastmodus" NH4-N > () mg/l sollte im
Nitrifikationsbetrieb ein noch größerer Sauerstoffeintrag erfolgen
() mg/l < O2 < ()
mg/l bis NH4-N > () mg/l. Energievorgaben für Minimum – Maximum
runden die Lasteinstufung ab
2.4 Lasteinstufung Sauerstoffmodus
Ein
Wechsel in den „Sauerstoffmodus" findet bei NH4-N > ()
mg/l und einem Energieverbrauch der biologischen Reinigungsstufe > () kW statt. Der Sauerstoffeintrag
sollte nochmals gesteigert werden, um ein Überschreiten des Überwachungswertes
zu verhindern () mg/l < O2 < ()
mg/l bis NH4-N < () mg/l oder Energieverbrauch Biologie
im Nitrifikationszyklus < () kW
=> „Lastmodus" bis Energieverbrauch
Biologie im Nitrifikationszyklus wieder > () kW (Plausibilitätskontrolle Ammonium, Frachteinstufung
BSB5).
Eine
noch sensiblere Lasterkennung kann durch die Definition weiterer
Modis erreicht werden.
Für den nun
folgenden Modibetrieb gibt es je nach Verfahren der biologischen
Reinigungsstufe zwei Varianten. Die Modidefinition bleibt jedoch
bei beiden Varianten gleich.
3 Basismodul Teil 2 (Modibetrieb)
Anhand
der spezifischen Lasteinstufung (Modidefinition) wird nun das Programm
Modibetrieb auf das charakteristische Online-Lastprofil abgestimmt.
3.1 Variante 1 (intermittierende
Anlagen)
Für alle vier
Modi gilt:
Im Nitrifikationszyklus wird eine Nitrifikationszeit
Minimum gestartet, nach deren Ablauf das Überschreiten des Nitratwertes
Maximum oder das Überschreiten
des Nitrifikationszeit Maximums den Denitrifikationszyklus einleitet.
Der
Denitrifikationszyklus wird entweder von der gleichzeitig gestarteten
Denitrifikationszeit Maximum oder vom Erreichen des Nitratwertes
Minimum nach Ablauf der Denitrifikationszeit Minimum, beendet.
Siehe
auch Anlage 3 Programmablaufschema für intermittierende Anlagen.
3.2 Variante 2 (mehrstufige
Anlagen mit und ohne Fakultativbecken)
Für alle vier
Modi gilt:
Das Erreichen des Nitratwertes Minimum vergrößert das
Nitrifikationsvolumen durch Zuschalten eines Fakultativbeckens der
biologischen Reinigungsstufe bis das Überschreiten des Nitratwertes
Maximum nach Ablauf der Nitrifikationszeit Minimum oder die Nitrifikationszeit
Maximum das zugeschaltete Becken wieder als Denitrifikationsbecken
betreibt.
Nach
Ablauf der nun gestarteten Denitrifikationszeit Minimum bedingt
das Erreichen des Nitratwertes Minimum oder Denitrifikationszeit
Maximum den Neubeginn des Zyklus.
Siehe
hierzu Anlage 4 Programmablaufschema für mehrstufige Anlagen.
Bei
mehrstufigen Anlagen ohne Fakultativbecken können über die gleiche Steuerung verschiedene
Sauerstoffgehalte in den einzelnen Kaskaden (Stufen) festgelegt
und abhängig
vom Nitratgehalt verändert
werden.
Das
Basismodul Teil 1 Lasteinstufung (Modidefinition) und das Basismodul
Teil 2 (Modibetrieb) bilden die Grundlage dieses Verfahrens.
Alle
nachfolgenden Module werden anhand dieser Einstufung betrieben.
4 Fracht- und nährstoffoptimierter
Betrieb der einzelnen Anlagekomponenten (Module) anhand des zuvor erstellten
Lastprofils
4.1 Modul 1 – Peripherie
Biologie
4.1.1 Gebläseregelung
Lastabhängiger Gebläsestart
nach dem Denitrifikationszyklus (nur bei intermittierenden Anlagen)
Hier
werden anhand der letzten Modidefinition die Gebläse gestartet.
- a. Der „Ecomodus" definiert die Gebläseleistung auf
() %.
- b. Im „Standardmodus" wird die Gebläseleistung auf
() % definiert
- c. Der „Lastmodus" stellt die Gebläseleistung
auf () % ein.
- d. Im „Sauerstoffmodus" wird die Gebläseleistung nun
auf () % eingestellt.
Die
eigentliche Gebläseregelung
wird anhand des Sauerstoffbedarfes im Belebungsbecken in Abhängigkeit
der spezifischen Lasteinstufung vorgenommen. Hierzu wird die Gebläseregelung
aus ihrer zuvor definierten Grundeinstellung an den tatsächlichen
Bedarf, welcher sich durch die Modidefinition und den Modibetrieb
exakt bestimmen lässt,
mittels Frequenzumformer herangeführt.
4.1.2 Frachtbezogene Rücklaufschlammführung/Rezirkulation
Bei
der frachtbezogenen Rücklaufschlammführung/Rezirkulation
wird die Biomasse in der Biologie in Abhängigkeit von ihrer spezifischen
Lasteinstufung geregelt. Gerade bei Ammoniumspitzen werden hierzu
auch vermehrt Nitrifikanten (Bakterien) bereitgestellt, die das
erhöhte
Nährstoffangebot
abarbeiten können.
Aber auch bei BSB5 – Spitzen werden Angebot und
Nachfrage bei dieser Rücklaufschlammführung besser
aufeinander abgestimmt. Eine stufenlose Regelung der Rücklaufschlamm-/Rezirkulationspumpen
mittels Frequenzumformer, bei denen die einzelnen Lasteinstufungen
so genannte Stützwerte hinterlegen,
ermöglichen
hierbei eine absolut betriebsnahe Verfahrenstechnik. (Hierzu ist
zusätzlich eine
Magnetisch-induktive Durchflussmessung {MID} nötig).
- a.
Der „Ecomodus" definiert die Rücklaufschlamm-Rezirkulationsmenge
auf () m3/h.
- b. Im „Standardmodus" beträgt die Rücklaufschlamm-Rezirkulationsmenge
() m3/h
- c. Der „Lastmodus" stellt die Rücklaufschlamm-Rezirkulationsmenge
auf () m3/h ein.
- d. Im „Sauerstoffmodus" wird die Rücklaufschlamm-Rezirkulationsmenge
nun auf () m3/h eingestellt.
4.2 Modul 2 – Prozesswasserbewirtschaftung
4.2.1. Befüllung Prozesswasserspeicher
als Lastausgleich
Die
Lasteinstufung „Last-,
Sauerstoffmodus" bilden
hier die Grundlage für
die Befüllung
des Prozesswasserspeichers.
4.2.2. Entleerung Prozesswasserspeicher
Die
Lasteinstufung „Eco-,
Standardmodus" bilden
hier die Grundlage für
die Entleerung des Prozesswasserspeichers.
4.3 Modul 3 – Nährstoffoptimierung
4.3.1 Rohabwasserzugabe
Die
Bypassmenge (Umgehung Vorklärung) wird
im „Eco-,
Standardmodus" auf
() m3/h eingestellt, um einer Nährstoffverschiebung
zu Gunsten des Stickstoffes oder einer Autolyse des Belebtschlammes
entgegenzuwirken.
4.3.2 Dosierung zur Denitrifikationsverbesserung
aus Lastausgleichsbecken
Im „Eco-,
Standardmodus" wird
während
der Denitrifikationsphase zusätzlich
Abwasser aus dem Lastausgleichsbecken in den Zulauf gepumpt. Ein minimaler
Höhenstand
im Lastausgleichsbecken von () m beendet die Dosierung.
4.3.3 Externe Kohlenstoffzugabe
Eine
Denitrifikationszeit von mehr als () Minuten schaltet im „Eco-,
Standardmodus" eine
externe Kohlenstoffzugabe ein. Die Dosierung läuft auch in dem nun folgenden
Nitrifikationszyklus weiter, bis sich ein Energieverbrauch Biologie > () KW oder eine Denitrifikationszeit < () Minuten einstellt
(extreme Schwachlastzeit). Dies geschieht um eine Autolyse des Schlammes
zu verhindern.
4.4 Modul 4 – Lastenmanagement
Zulauf
4.4.1 Befüllung Lastausgleichsbecken
Während einer
Lasteinstufung „Last-,
Sauerstoffmodus" pumpt
eine Spitzenausgleichspumpe Abwasser aus dem Zulauf der Vorklärung in
das Lastausgleichsbecken bis die Lasteinstufung „Eco-, Standardmodus" dies wieder beendet.
Spitzenlasten
werden zwischengespeichert, um später gezielt zudosiert zu werden
mit dem Ziel des Lastausgleiches-Überlastungsschutzes.
4.4.2 Entleerung Lastausgleichsbecken
Im „Eco-,
Standardmodus" wird
Abwasser aus dem Lastausgleichsbecken in den Zulauf der Vorklärung gepumpt
bis der „Last-,
Sauerstoffmodus" der
Biologie beginnt.
Der
Dosiervorgang des gespeicherten Abwassers dient dem Lastausgleich
und der Verbesserung des Nährstoffverhältnisses.
4.4.3 Früherkennungsmodus
(Präventivmaßnahmen)
Ein
Frühwarnsystem
für sehr
hohe Zulauffrachten, wie dies bei Regenereignissen nach längerer Trockenzeit üblich ist,
kann durch die Auswertung eines Niederschlagsmessers installiert
werden.
Ein
so genannter „Spülstoß", welcher erhebliche
Schmutzfrachtspitzen aus dem Kanalnetz zur Kläranlage schwemmt kann je nach
Kanalnetzdimension eine bis mehrere Stunden früher erkannt und Präventivmaßnahmen
eingeleitet werden.
Diese
Frühwarnung
erfolgt wenn folgende Kriterien erfüllt sind:
- – () Tage
Trockenwetterzufluss < ()
m3/h vor dem Regenereignis.
- – Regenintensität > () mm in () Minuten
=> „Früherkennungsmodus".
Der „Früherkennungsmodus" ist ein reiner Nitrifikationsbetrieb
mit () mg/l < O2 < ()
mg/l.
Er
wird automatisch nach () Stunden deaktiviert.
4.5 Modul 5 – Integration
einer Vorbehandlungsanlage
Behandlungsanlagen
von hochbelasteten Teilströmen,
wie Anlagen von Indirekteinleitern oder Prozesswasserbehandlungsanlagen,
können
hierdurch in das Bewirtschaftungskonzept integriert werden. In Abhängigkeit
des Lastprofils der biologischen Reinigungsstufe wird die Vorbehandlungsanlage
bewirtschaftet.
- a. Im „Eco-, Standardmodus" bleibt die Anlage
im Standby Betrieb.
- b. Im „Lastmodus" wird sie im Teillastbetrieb
gefahren
- c. Im „Sauerstoffmodus" geht die Anlage
in den Vollastbetrieb über.
Analog
dazu können
auch Rückhaltesysteme
von Indirekteinleitern genutzt werden. (Achtung: Hier sind die Fließzeiten
zur Kläranlage
zu beachten!)
4.6 Modul 6 – Feinregulierung
Das
Modul Feinregulierung greift in den Programmablauf Modibetrieb prozessoptimierend
ein.
Die
Tendenzerkennungen für
Ammonium/Nitrat regeln im jeweiligen Modibetrieb die effizienteste Gebläseleistung
im Belebungsbecken (Feinregulierungssystem).
Die
Tendenzerkennung für
Nitrat teilt die Gebläseregelung
in zwei Kategorien:
- a) – Tendenz Nitrat fallend:
hier
wird eine Nitrat geführte
Gebläseregelung
aktiviert (mit je nach Modus eigenen Grenzwertepaaren für Sauerstoff),
welche nun ihrerseits von der Tendenzerkennung Ammonium überlagert wird.
- – Tendenz
Ammonium steigend:
steigert die Gebläseleistung durch das Erhöhen des
entsprechenden Grenzwertepaares für Sauerstoff um einen konstanten
Wert x.
- – Tendenz
Ammonium fallend:
reduziert die Gebläseleistung durch das Verringern
des entsprechenden Grenzwertepaares für Sauerstoff um einen konstanten
Wert y.
- b) – Tendenz
Nitrat steigend:
hier wird die Nitrat geführte Gebläseregelung je nach Modus mit
einem zweiten Grenzwertepaar für
Sauerstoff betrieben, um zusätzlich
noch einmal von der Tendenzerkennung für Ammonium unterschieden zu
werden.
- – Tendenz
Ammonium steigend:
steigert die Gebläseleistung durch das Erhöhen des
entsprechenden Grenzwertepaares für Sauerstoff um einen konstanten
Wert x.
- – Tendenz
Ammonium fallend:
reduziert die Gebläseleistung durch das Verringern
des entsprechenden Grenzwertepaares für Sauerstoff um einen konstanten
Wert y.
5 Ausfallstrategie – integrierte
Notlaufeigenschaften
- a) Plausibilitätskontrolle durch untereinander
abgesicherte Messwerte (erhöhen
grundsätzlich
die Betriebssicherheit und Ausfallsicherheit der Anlage)
- b) Ausfall des Ammoniummesswertes: Die Schrittkette bleibt bestehen,
nur die Grenzwerte für
Ammonium werden aufgehoben.
- c) Ausfall des Nitratmesswertes: Die Schrittkette bleibt bestehen,
nur die Grenzwerte für
Nitrat werden aufgehoben.
- d) Ausfall des Messwertes „Energieverbrauch
Biologie":
Die
Schrittkette bleibt bestehen, nur die Grenzwerte für den Energieverbrauch
werden aufgehoben.
- e) Automatikausfall oder Ausfall von mehreren Messwerten Notprogramm,
Arbeitszeit-, Pausenzeitregelung nach Lastprofil der letzten aufgezeichneten
Tage (Notlaufprofil.)
6 Allgemeine Angaben
Alle
aufgeführten
Parameter sind bei dieser Anlage über das Prozessleitsystem variabel
einstellbar. Rückmeldungen
der einzelnen in Betrieb befindlichen Lastzustände, Tendenzerkennungen Ammonium,
Nitrat etc. sollten zur besseren Verständlichkeit im Prozessleitsystem
angezeigt werden. Das Lastprofil wird gespeichert. Ein Archivierungsprogramm sollte
installiert sein (stellt aber keine Voraussetzung dar).
7 Vorteile/Ziele des Verfahrens
Der
Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es interaktiv in die
Abläufe
einer Kläranlage
eingreift und so die einzelnen Prozesse ideal aufeinander abstimmt.
Sein Mess-, Steuer-, und Regelkonzept ist mit einer übergeordneten
Lastprofilerkennung ausgestattet und greift eigenverantwortlich fracht-
und nährstoffoptimierend
in die Prozesse einer Kläranlage
ein.
Als
Ergebnis können
verbesserte Ablaufwerte bei einer gesteigerten Prozessstabilität vorgewiesen
werden. Ein Hauptziel dieses Verfahrens, die deutlich gesteigerte
Energieeffizienz, ist in Zeiten steigender Energiepreise ein nicht
zu unterschätzender
Faktor.
Durch
das mitgelieferte Auswerteprogramm für Lastprofil, Auslastungsgrad,
und spezifischer Leistungsfähigkeit
wird gleichzeitig eine aussagekräftige
Protokollierung der anlagenspezifischen Belastungen vorgenommen.
Durch diese quantitative und qualitative Beurteilung der Leistungsfähigkeit
der biologischen Reinigungsstufe können Veränderungen/Betriebsstörungen schon
im Vorfeld erkannt und verhindert werden.
Durch
diese Transparenz der Abläufe
und das Aufzeigen der kausalen Zusammenhänge in der Protokollierung,
wurde hier eine Plattform geschaffen aufgrund derer weitere Maßnahmen/Entscheidungen gezielt
getroffen werden können.
Eine
hohe Ausfallsicherheit dank integrierter Notlaufeigenschaften und
Plausibilitätskontrolle durch
untereinander abgesicherte Messwerte erhöhen vor allem die Betriebssicherheit
der Anlage. Diese Automatisation, bei der sich das System zum Teil selbst überwacht
und reguliert, stellt einen nicht unerheblichen Vorteil da.
Das
Feinregulierungssystem, ein Verfahren zur Optimierung der Prozessabläufe, hat
ein großes Potential
zum Einsparen von Betriebsmitteln und somit von Kosten (Energiekosten,
Abwasserabgabe).
Dieses
Verfahrenskonzept ermöglicht
eine ganze Reihe von weiteren Anwendungsmöglichkeiten. So ist zum Beispiel
ein Lastausgleich auch über mehrere
Tage durchaus denkbar, aber auch einer Kanalbewirtschaftung kann
dieses Verfahren als Grundlage dienen.
Das
Adaptieren dieses Verfahrens an die unterschiedlich betriebenen
Anlagen gestaltet sich dank seiner hohen Flexibilität unproblematisch.
Auch zukünftigen
Veränderrungen/Erweiterungen
trägt die modulare
Aufbauweise Rechnung und lässt
Neuerungen mit geringem Aufwand realisieren.
Insgesamt
stellt dieses Verfahrenskonzept eine sehr wirtschaftliche Gesamtstrategie
einer Kläranlage
dar.
9 Anlagen
- Anlage 1: Übersicht
Verfahrenschema Abwasserbehandlung Seite 13
- Anlage 2: Programmablaufschema zur Modidefinition (Lasteinstufung)
Seite 14
- Anlage 3: Programmablaufschema Modibetrieb für intermittierende Anlagen
Seite 15
- Anlage 4: Programmablaufschema Modibetrieb für mehrstufige Anlagen Seite
16