MONITOR-1 Test von Online-Sensoren

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1 MONITOR-1 Test von Online-Sensoren Prof. Dr.-Ing. M. Barjenbruch; Dipl.-Ing. S. Rettig TU Berlin, FG Siedlungswasserwirtschaft Stiftungsprofessur KWB-Veolia Wasser

2 Gewässer / Mischwasserüberlauf Bilder einfügen

3 Ziele Online-Monitoring von relevanten Nährstoffparametern im Gewässer bzw. im Kanal (Mischwasserüberläufe) Ersatz von aufwändigen Stichproben Frachtbezogene Betrachtungen werden ermöglicht. Definition der Anforderungen für einen Feldeinsatz Robuste Online-Messtechnik ohne Chemikalien-Einsatz kurze Ansprechzeiten quasi-kontinuierlich Genauigkeit Wartungsaufwand Empfehlungen zum Einsatz (Einbau, Handhabung)

4 Aufgaben Workpackage 1 Literaturrecherche Auswahl geeigneter Sensor-Technik und Sensoren Auswahl der Hersteller Vorbereitung der Tests im Labormaßstab Testsphase Auswertung und Bericht 1. Literature research 2. Indentification of sensors 3. Choice of fabricants 4. Preparation of the test 5. Test phase 6. Evaluation and report Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug

5 Vorstellung ausgewählter Parameter Vorgabe durch Anforderungen des Modells Qsim, gesetzliche Anforderungen und Einschränkungen durch verfügbare Technik Parameter Kurzform Gewässer Mischwasser Wertebereich Einheit Temperatur T C 0 30 ph-wert ph [-] Leitfähigkeit LF µs Sauerstoff O 2 mg/l 3,9 17 Trübung Turb FNU, NTU, TEF Feststoffe TS g/l CSB CSB mg O 2 /l BSB 5 BSB 5 mg O 2 /l 1, TOC TOC mg/l 5,8 14, DOC DOC mg/l 5,2 10, Ammonium NH 4 -N mg/l 4 25 Nitrat NO 3 -N mg/l 2,5 6 Orthophosphat PO 4 -P mg/l 0,5 Gesamtphosphat mg/l 0,5 0,2 15 P Ges

6 Anforderungen an Online-Messgeräte Konzentrationsbereiche und Genauigkeit Robustheit Geringe Störanfälligkeit Verstopfungs- und Verzopfungsfreiheit kurze Ansprechzeiten und hohe Verfügbarkeit automatische Kalibrierung und Reinigung einfache Bedienbarkeit und geringe Wartung Energieversorgung (im Netz möglichst autark) gefahrloser Umgang mit den benötigen Reagenzien externe Datenübertragung und Eingriffsmöglichkeit über Fernwirktechnik Regelwerke: ATV-DVWK M 256, 269

7 Messunsicherheit: Präzision und Richtigkeit

8 Sensoren nach Einsatz

9 Anforderungen gemäß Einsatzzweck Kläranlage: Messen-Steuern-Regeln sowie Grenzwertkontrolle geeignete Einbaustellen sind vorhanden gesichertes Betriebsgelände Personal für regelmäßige Wartung meist kein Ex-Schutz erforderlich Datenübertragung per Bus-System Kanal Ex-Schutz, kontinuierliche Wasserführung Ggf. By-Pass-Messung Grobstoffe, Anströmung (Turbulenzen etc.) Gewässer andere Wassermatrix Gefahr von Vandalismus, Treibgut, Eisgang repräsentative Stellen lokalisieren

10 Entwicklung der Sensortechnik Elektroden (O 2, ph, Leitfähigkeit) Prozessanalysatoren Ionenselektive Sonden UV-Sonden UV-VIS Sonden

11 Kontinuierliche Prozessanalysen auf Kläranlagen Einsatzzweck Regelung der Nitrifikation/Denitrifikation Regelung der chemischen P-Elimination Regelung von Vorspeichern Prozessüberwachung Kontrolle der Ablaufwerte Messgrößen NH 4 -N (ges. N) NO 3 -N PO 4 -P (ges. P) BSB 5 CSB UV-Messung und heutzutage UV-Vis Kurzzeit- BSB Anforderung früher für fast alle Geräte feststofffreier Probenstrom

12 Probenvorbereitung [Früher] Ultrafiltration Feststofffreie Probe Wartungsintervall Pumpe: Alle 2 Monate UF: Jede Woche reinigen Reinigungsmittel: Chlorbleichlauge handelsüblicher WC-Reiniger H 2 O 2 plus HCl 6-8 m³/h Nach Kayser

13 Früher Ammoniummessung Photometrisch Heute

14 Ammoniummessung Ionenselektive Sonde günstige Investitionskosten im Vergleich zum Analysator (<50%) Nachteil: Querempfindlichkeit gegenüber anderen Ionen Früher Verstärker Heute Elektrode Reaktionsstrecke Temperatursensor Mixer Überlauf Reagenz Kalibrierlösung Probe Ionometer (Fa. Bran & Lübbe) Überlauf Ionenselektive Elektrode für NH 4 -N (Hach Lange)

15 Entwicklung der Nitratmessung UV-Absorption UV-VIS 1985 Nitrax Prozess Photometer 1995 Nitratax Sonde Quelle Hach-Lange

16 Überwachung mit Probenahme Kanalnetz und Überlauf, Beispiel Ereignisabhängiges, zeitlich hoch aufgelöstes Monitoring mit folgenden Anforderungen: Der Beginn der Probenahme muss zur Erfassung möglicher First-Flush-Effekte exakt mit dem Anspringen der Entlastungsereignisse übereinstimmen. Der Probenahmezyklus muss wegen der zu erwartenden dynamischen Konzentrationsverläufe so konfiguriert werden, dass die Gewinnung zeitlich hoch aufgelöster Mischproben möglich ist. Die Probenahmedauer ist so auszulegen, dass die Mehrheit der Entlastungsereignisse komplett erfasst werden kann. Zu Beginn der Entlastungsereignisse muss von dem installierten System eine qualifizierte Meldung fernübertragen werden.

17 Auto-Sample-Station zur Erfassung ereignisabhängiger Proben der Entlastungen von Niederschlagswasserbehandlungsanlagen im Mischsystem (SPS = speicherprogrammierbare Steuerung)

18 Messstellen im Regenüberlaufbecken (Bypass) Nach Hoffmann 2007

19 Messgenauigkeit im Kanal Nach Hoffmann 2007

20 Gewässergütemessstelle (Messcontainer) Bsp.: Projekt LIFE 00 ENV/D/ Aufgabe : Monitoring gemäß WRRL

21 Beispiel Standort

22 Parameter, Messmethoden und Messbereiche LIFE 00 ENV/D/000337

23 Entwicklung eines Teststandes DIN ISO Welche Anforderungen werden bei der Messung im Feld erwartet? Wie muss der Teststand aussehen, dass aussagekräftige Ergebnisse auch im Vorgriff auf mögliche Feldeinsätze erzielt werden können? Möglichkeit der Zudosierung von Chemikalien, Abwasser sowie Trinkwasser (Verdünnung)

24 Anordnung Teststand

25 Testverfahren Anordnung der Sensoren nach Absprache mit dem Hersteller frisches Wasser beschaffen, Abwasser Mischwasser Flusswasser (Spree) Umpumpen in Versuchsaufbau Kreislaufführung Variation von Fließgeschwindigkeit, Turbulenz etc., Zugabe von Störstoffen, Erzeugen von Peaks Kalibrierung Test gegen Standard-Laborverfahren

26 Mögliche Ergebnisse Vergleich CSB-Messung DIN- und Küvettenverfahren mit wtw-sonde [mg/l] DIN Lange Linear (DIN) Linear (Lange) Linear (DIN) durch Nullpunkt Linear (Lange) durch Nullpunkt y = 1,4675x - 258,43 R 2 = 0,8395 y = 1,2394x - 94,368 R 2 = 0,7378 CSB Online y = 1,1027x R 2 = 0,7852 y = 1,1062x R 2 = 0, CSB Labor gemessen

27 Vorgehen bei der Auswahl Kriterien für die Auswahl: Probenvorbehandlung erwartete Zusammensetzung (Mischwasser, Abwasser) Platzbedarf Art der Messung Verfügbarkeit Stromanschluss Wartungsaufwand Fixe und variable Kosten Ergänzende Kriterien: Datenformat, Schnittstellen

28 Erste Ergebnisse der Marktübersicht für alle ausgewählten Parameter ist Technik vorhanden Standard-Parameter wie Temperatur, Leitfähigkeit, ph- Wert und Sauerstoff sind bewährt, auf diesem Feld werden lediglich aufgrund von Literaturangaben Empfehlungen ausgesprochen Die übrigen Parameter werden getestet Hauptaugenmerk liegt auf der probenahmefreien Technik, insbesondere UV(-VIS)-Spektrometrie Ammonium nur Ionenselektiv, PO 4 -P bzw. P ges nur nasschemisch zum Teil aber in situ (kompakte Bauweise)

29 Vorauswahl der zu testenden Sensoren Trübung / Feststoffe CSB, BSB, TOC, DOC, SAK NO 3 -N NH 4 -N PO 4 -P Hach Lange SOLITAX sc UVAS plus sc NITRATAX plus sc NH4D PHOSPAX sc Nivus Spectro::lyser Spectro::lyser Spectro::lyser Ammo::lyser Endress + Hauser STIP-scan STIP-scan Ammonium ionensensitiv Helios WTW NiCaVis NiCaVis Varion 700 IQ Bran + Luebbe ISIS II ISIS II