DE4333579A1

DE4333579A1 - Verfahren zum Steuern von Mengen chemischer Hilfs- und Flockmittel in Abhängigkeit einer on-line Massen-/Feststoffmessung für Klär- und Entwässerungsprozesse aller Art, sowie Anlage zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4333579A1
Application number: DE4333579A
Authority: DE
Inventors: Frank Seida
Original assignee: Nalco Chemical Co
Current assignee: ChampionX LLC
Priority date: 1993-07-01
Filing date: 1993-10-01
Publication date: 1995-04-06
Also published as: DE4321994A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern von Mengen chemischer Hilfs- und Flockmittel in Abhängigkeit einer on- line Massen-/Feststoffmessung für Klär- und Entwässerungsprozesse aller Art, insbesondere gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.

Es ist bei Klär- und Entwässerungsprozessen aller Art hinlänglich bekannt, zur Abwasseraufbereitung, Schlammeindickung und/oder Schlammentwässerung Hilfs- und Flockmittel einzusetzen, um durch Veränderung der Eigenschaften und Größe der Bestandteile von Suspensionen eine beschleunigte Ansammlung der Feststoffe und Gewinnung der Klarphase zu erzielen.

Die Dosierung von Hilfs- oder Flockmitteln für Eindicker, Klärer und Entwässerungsaggregate jeglicher Art erfolgt entweder ungeregelt oder nur in einer groben Rasterung. Üblicherweise werden die für einen Klär-, Eindick- oder Trennprozeß benötigten Hilfs- oder Flockmittel mit einer auf den durchschnittlichen Betriebszustand der Anlage ausgelegten Menge beschickt. Ein Sicherheitszuschlag dient einer ruhigeren und betriebssicheren Fahrweise der Aggregate.

Die Zugabe von chemischen Hilfsstoffen und/oder Flockmitteln steht daher bei der konventionellen Betriebstechnik in keiner genauen Abhängigkeit zur momentanen Massen-/Feststoff- Charakteristik. Das ist gleichbedeutend mit einer ständigen Über- oder Unterdosierung an Hilfsstoffen und/oder Flockmitteln zur Suspension, sobald der Betriebszustand anders ist als durchschnittlich oder der Auslegung einer Anlage entsprechend.

Es sind verschiedene Vorgehensweisen bekannt, die auf eine Lösung des Problems einer genaueren Zugabe von chemischen Hilfsstoffen und/oder Flockmitteln gerichtet sind, die jedoch den heutigen Anforderungen nicht genügen.

Zum einen wird die Messung des Volumenstroms einer Trübe oder Suspension vorgenommen, die Rückschlüsse auf den Massen-/Feststoffgehalt zulassen. Dies ist jedoch nur bei völlig konstanten Bedingungen hinsichtlich der Menge und Art der Feststoffe in der Suspension oder Trübe möglich. In der Praxis schwanken aber praktisch alle zu einem Eindicker, Klärer oder Entwässerungsaggregat strömenden Suspensionen hinsichtlich ihres Feststoffgehaltes, so daß keine genaue Abhängigkeit von der Zulaufmenge zum tatsächlichen Feststoffgehalt besteht.

Zum anderen wird der Weg der Messung der Feststoffe je Volumeneinheit (Massenkonzentration) gewählt.

Beispielsweise werden fotometrische Trübungsmethoden durchgeführt. Bei einer solchen Messung erweist es sich aber als nachteilig, daß die erforderliche Fotozelle oder der Sensor sehr anfällig gegenüber Verschmutzungen ist. Außerdem ist der Meßbereich auf niedrigere Feststoffgehalte in einer Trübe oder Suspension begrenzt.

Eine Messung der Feststoffmenge erfolgt ferner bei herkömmlichen Schlammpegelmessungen.

In ein Kläraggregat oder Sedimentationsbecken werden in verschiedenen Höhen elektronisch angeregte "Simmgabeln" installiert und je nach Klarheit der umgebenden Phase (Feststoff/Flüssig-/Suspension) läßt sich ungefähr auf einen mehr oder weniger großen Wasser- oder Feststoffgehalt schließen. Nachteilig bei dieser Methode ist, daß die Zeiten zwischen dem Erkennen eines Signals und der Möglichkeit einer Korrektur verhältnismäßig lang sind. Auch Zetapotential- und Isotopenmessungen sind zur Ermittlung der Flockmittelzugabe versuchsweise eingesetzt worden.

Diese Versuche, feststoffhaltige Suspensionen in der betrieblichen Praxis unter Kontrolle zu halten, haben sich aber im allgemeinen nicht durchgesetzt.

Zur Messung der Feststoffe eignen sich grundsätzlich alle physikalischen Meßmethoden, die es gestatten, on-line, d. h. ohne zeitliche Verzögerung nach der Messung Massen-/ oder Feststoffgehalte (Massenkonzentrationen) einer Suspension zu bestimmen.

Ein nach der DE 30 39 438 A1 bekannter Flüssigkeitsdichte- Wandler, der im verhältnismäßig rauhen Ölbetrieb Eingang gefunden hat, arbeitet nach dem Biegeschwing-Prinzip. Ein zentrisch angeordnetes Meßrohr, durch das die Flüssigkeit strömt, wird elektromagnetisch in Schwingung versetzt, und schwingt auf einer Harmonischen, der natürlichen Resonanzfrequenz, modifiziert durch die Flüssigkeit. Die Schwingfrequenz ist eine Funktion der Masse des Rohres pro Längeneinheit und folglich auch eine Funktion der Dichte der Flüssigkeit, die sich im Meßrohr befindet. Das Ausgangsmaterial des Meßwertaufnehmers ist ein Frequenzsignal, das zur Weiterverarbeitung mit Mikroprozessorenelektronik einem Rechner eingebbar ist. Nach der Messung der Schwingungsfrequenz kann die Dichte der Flüssigkeit oder Suspension über folgende Gleichung ermittelt werden:

Dichte D= K₀ + K₁T + K₂T²
wobei
D= Flüssigkeitsdichte (unkorrigiert) in kg/m³,
T= Periodendauer der Schwingung in = 1/f, wobei "f" die Schwingungsfrequenz ist;
K₀, K₁, K₂ = sind die Aufnehmerkonstanten, vom Kalibrierdatenblatt.

Eine Möglichkeit, Massenkonzentrationen direkt zu messen, stellen die bekannten Verfahren dar, die nach dem Coriolisprinzip arbeiten, gemäß der Gleichung

F_C = 2×m×(×)
wobei
F_C = Corioliskraft
m = Masse
= Winkelgeschwindigkeit, und
= Radialgeschwindigkeit im rotierenden bzw. schwingenden System.

Um unter Berücksichtigung der jeweiligen Verfahrens- bzw. Anlagespezifik eine beträchtliche Einsparung der bislang üblichen Mengen an chemischen Hilfs- und Flockmitteln zu ermöglichen, wird nach dem Verfahren der prioritätsälteren Patentanmeldung P 43 21 994.2 derart verfahren,

- daß das ermittelte, eine Funktion der Massen-/Feststoffgehalte (12) darstellende Meßsignal als Führungsgröße einer Prozessorsteuerung (13), in der eine über einen langen Zeitraum erstellte lineare Funktion der Massen-/Feststoffgehalte (12) und von labormäßig ermittelten chemischen Hilfs-und Flockmittelmengen gespeichert ist, zugeführt wird,
- daß der Ist-Wert des Verbrauchs der Hilfs- und Flockmittelmenge erfaßt und der Prozessorsteuerung (13) eingegeben wird,
- daß durch die Prozessorsteuerung (13) je nach Meßprinzip eine Umrechnung der jeweiligen Mischdichte in eine Massenkonzentration erfolgt, und
- daß die Massenkonzentration entsprechend der gespeicherten linearen Funktion der Masse und der labormäßig ermittelten Hilfs- oder Flockmittelmenge als Stellgröße für die Hilfs- oder Flockmittelmengenzufuhr verwendet wird.

Als der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es zu unterstellen, ein Verfahren und eine Anlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2 so zu modifizieren, daß über die Erzielung eines konstanten Feststoffgehaltes in der Suspension des jeweiligen Klär- und Entwässerungsprozesses eine weitere Einsparung an chemischen Hilfs- und Flockmitteln möglich wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die aus dem Patentanspruch 1 bzw. 2 hervorgehende technische Lehre gelöst.

Die on-line Massen-/Feststoffmessung wird auf einfache Weise dazu benutzt, durch Zugabe eines feststofffreien oder -armen Mediums wie Wasser, Klarphase und dgl. eine Mischung zu erhalten, die einen konstanten Feststoffgehalt aufweist. Das Zulaufrohr, der Einlauf zum Klärer, Eindicker oder Entwässerungsaggregat wird somit mit einem kontanten Fest stoffgehalt in der Suspension beschickt. Die Steuerung dieses konstanten Feststoffgehaltes erfolgt durch zusätzliche Zufuhr des feststofffreien oder -armen Mediums stromaufwärts der Massen/Feststoffmessung mit Hilfe eines üblichen Reglers. Für diesen Fall ist die benötigte Menge an Flockmittel üblicher weise keinen großen Schwankungen ausgesetzt, so daß die Flockmittelmenge hier auch konstant gehalten werden kann.

Mit dem erfindungsmäßigen Verfahren und der Anlage zu dessen Durchführung sind alle Betriebszustände zwischen einer im Feststoffgehalt extrem schwankenden Feststoffsuspension im Zulaufrohr bis zum konstanten Feststoff im Zulauf des Klärers, Eindickers oder Entwässerungsaggregats sicher beherrschbar. Im gleichen Maße ändert sich die benötigte Flockmittelmenge. Aus dem Flockmittelbehälter kann über die Flockmittelpumpe ohne Benutzung eines Motorstellventils auch eine konstante Flockmittelmenge in das Zulaufrohr eingespeist werden.

Die Erfindung wird nun anhand der einzigen Figur der Zeichnung erläutert, die eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsmäßigen Anlage zeigt.

Eine Feststoffsuspension (Pfeil A) strömt durch ein Zulaufrohr 10 eines Klärers, Eindickers oder Entwässerungsaggregates 19 in der Figur von links nach rechts und tritt in das Entwässerungsaggregat 19 ein (Pfeil B). An einem Meßpunkt im Zulaufrohr 10, an dem ein homogenes Gemisch der Feststoffsuspension gewährleistet ist, wird an der Einrichtung 11, 12 die Volumenstrom-Masse-/Feststoffmesssung vorgenommen. Das im Meßrohr 12 der Einrichtung 11, 12 zur Feststoffmessung gemessene Signal, das noch kein genormtes Signal ist, wird einer Prozessorsteuerung 13 zugeführt und dort in eine Massenkonzentration in Gramm pro Liter umdefiniert. Die Prozessorsteuerung umfaßt auch eine Reglerstruktur. Außerdem ist in der Prozessorsteuerung 13 eine über einen langen Zeitraum (mehrere Monate bis Jahre) erstellte lineare Funktion der Massenkonzentration der Suspension und von labormäßig ermittelten Hilfs- und Flockmittelmengen abgespeichert.

Im Zulaufrohr 10 stromaufwärts vom Meßpunkt der Einrichtung 11, 12 zur Feststoffmessung kann, je nach Anlagespezifik, auch ein Volumenstrommesser 11 (m³/h) vorgesehen sein, dessen Ausgangssignal ebenfalls der Prozessorsteuerung 13 eingegeben wird.

Das von der Prozessorsteuerung 13 erfaßte Meßsignal in Form der Massenkonzentration in g/l stellt eine variable Führungsgröße für die in der Prozessorsteuerung enthaltene Reglerstruktur dar. Ein Hilfs- bzw. Flockmittelbehälter 16 ist ausgangsseitig mit dem Eingang einer Flockmittelpumpe 15 verbunden, deren Ausgang mit dem Zulaufrohr 10 der Feststoffsuspension stromabwärts der Einrichtung 11, 12 zur Massen-/Feststoffmessung verbunden ist. Die Prozessorsteuerung 13 ist ausgangsseitig mit dem Eingang eines Motorstellventils 22 verbunden, das in einem Zulauf 23 für ein feststoffarmes bis -freies Medium (Wasser/Klarlauf) angeordnet ist, der mit dem Zulaufrohr 10 der Feststoffsuspension stromaufwärts der Verbindungsstelle des Zulaufrohres 10 und der Einrichtung 11, 12 zur Massen-/Feststoffmessung verbunden ist. Dem Ausgang des Motorstellventils 22 des Zulaufs 23 ist in diesem ein induktiver Durchflußmengenmesser 24 nachgeschaltet, der ausgangsseitig einerseits mit dem Eingang der Prozessorsteuerung 13 und andererseits mit der Mündung des Zulaufs 23 in das Zulaufrohr 10 der Feststoffsuspension verbunden ist. Die von der Prozessorsteuerung 13 in jedem Meßmoment der Einrichtung 11, 12 zur Feststoffmessung ermittelte Momentankonzentration der Feststoffsuspension am Meßpunkt und der vom induktiven Durchflußmengenmesser 24 der Prozessorsteuerung 13 zugeführte Mengenwert des feststoffarmen bis -freien Mediums wird von der Regelstruktur der in der Prozessorsteuerung 13 gespeicherten, über einen langen Zeitraum erstellten linearen Funktion der Massenkonzentration der Suspension und der labormäßig ermittelten Hilfsmittelmengen in eine Stellgröße umgeformt, die über den mit der Ausgangsseite der Prozessorsteuerung 13 verbundenen Eingang des Motorstellventils 22 zugeführt wird. Auf diese Weise ist es möglich, eine exakte Dosierung der Mediummengenzufuhr in das Zulaufrohr 10 des Entwässerungsaggregats 19 praktisch ohne Totzeit entsprechend dem Meßpunkt der Einrichtung 11, 12 der Feststoffmessung ermittelten Meßsignals augenblicklich vorzunehmen und somit für eine weitere Einsparung an der erforderlichen Menge an dem chemischen Hilfsmittel über einen festgelegten Zeitraum hinweg zu sorgen.

Am Entwässerungsaggregat 19 ist ein Klarlauf (Überlaufrinne) 20 zur Aufnahme der Klarphase im Entwässerungsaggregat vorgesehen. Eine Überwachungseinrichtung 21, die den Grad der Klarheit in der Klarphase zum Klärer/Eindicker/Entwässerungsaggregat 19 erfaßt, ist ausgangsseitig mit der Eingangsseite der Optimierungseinrichtung 14 der Prozessorsteuerung 13 zur Optimierung der variablen Führungsgröße und zur Optimierung der Stellgröße und damit der Dosierung der Zufuhr der Menge des feststoffarmen bis -freien Mediums sind das Zulaufrohr 10 verbunden.

Stromaufwärts von der Mündung des Zulaufs 23 in das Zulaufrohr 10 ist eine weitere Einrichtung 25 zur Massen-/Feststoffmessung zur Ermittlung des Ist-Wertes des Feststoffgehaltes vor einer Verdünnung der Feststoffsuspension durch das feststoffarme bis -freie Medium vorgesehen, deren Ausgang in den Eingang der Prozessorsteuerung 13 mit dem Eingang der Prozessorsteuerung 13 verbunden ist.

Beispiel

Bei einer ersten Messung wird von dieser Einrichtung 25 zur Massen-/Festtoffmessung der Ist-Wert des Feststoffgehaltes (z. B. 35%) erfaßt und ein Regelsignal wird über die Prozessorsteuerung 13 an das Motorstellventil 22 zur Verdünnung der Feststoffsuspension gegeben. Als zweite Messung wird von der Einrichtung 11, 12 zur Massen-/Feststoffmessung gleichzeitig zur ersten Messung der Ist- Wert des Feststoffgehaltes nach der Verdünnung ermittelt. Beide Meßsignale werden in der Prozessorsteuerung 13 vernetzt, um ein besseres Regelverhalten zu gewährleisten (Prinzip: Führungssfolge-Regelung der Kaskadenregelung.

Claims

1. Verfahren zum Steuern von Mengen chemischer Hilfs- und Flockmittel in Abhängigkeit einer on-line-Massen-/Fest stoffmessung für Klär- und Entwässerungsprozesse aller Art, bei der bei automatischer Kompensation von Temperatur- und Druckwerten fortlaufend die Massen-/Feststoffgehalte (12) (Massenkonzentration) ermittelt, ein der Masse (Massenkon zentration) entsprechendes Meßsignal erzeugt und der ermit telte Wert ablesbar angezeigt wird, gemäß Patentanspruch 1 der P 43 21 994.2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzie lung einer einen konstanten Massen-/Feststoffgehalt (Mas senkonzentration) (12) aufweisende Mischung für den jewei ligen Klär- und Entwässerungsprozeß vor der Massen-Fest stoffmessung (12) zusätzlich eine Zufuhr eines feststoffar men bis -freien Mediums erfolgt, deren Regelung in Abhän gigkeit von der fortlaufenden Ermittlung der Massen-/Feststoffgehalte (12) (Massenkonzentration) durchgeführt wird.

2. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem eine Feststoffsuspension -führenden Zulaufrohr (10) zum Klärer, Eindicker oder Entwässerungsaggregat (19), mit einer mit dem Zulaufrohr (10) verbundenen Einrichtung zur Masse-/Feststoffmessung (12) und mit einem Flockmittel behälter (16) mit einer Flockmittelpumpe (15), die über eine Prozess-Steuerung (13) mit der Einrichtung zur Masse-/Feststoffmessung (12) schaltungsmäßig verbunden ist, und deren Ausgang mit dem Zulaufrohr (10) stromabwärts der Verbindungsstelle des Zulaufrohres und der Einrichtung zur Masse-/Feststoffmessung verbunden ist, gemäß Anspruch 7 der P 43 21 994.2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Einrichtung zur Masse-/Feststoffmessung (12) ausgangsseitig mit der Eingansseite der Prozess-Steuerung (13) verbunden ist, in der die über einen langen Zeitraum erstellte lineare Funktion der Masse-/Feststoffgehalte und von labormäßig ermittelten Hilfs- und Flockenmittelmengen niedergelegt sind;
- daß der Ausgang der Prozess-Steuerung (13) mit dem Eingang eines Motorstellventils (22) eines mit dem Zulaufrohr (10) stromaufwärts der Verbindungsstelle des Zulaufrohres und der Einrichtung zur Masse-/Feststoffmessung verbundene Zulauf (23) des feststoffarmen bis -freien Mediums (Wasser/Klarlauf) verbunden ist und
- daß dem Ausgang des Motorstellventils (22) des Zulaufs (23) ein induktiver Durchflußmengenmesser (24) nachgeschaltet ist, der ausgangsseitig einerseits mit dem Eingang der Prozess-Steuerung (13) und andererseits mit der Mündung des Zulaufs (23) in das Zulaufrohr (10) verbunden ist.