Steuerung der Belüftung Regelungstechnische Grundlagen. KAN - Sprechertag 2007

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1 Steuerung der Belüftung Regelungstechnische Grundlagen Stefan Lindtner Ingenieurbüro ro kaltesklareswasser KAN - Sprechertag 2007 Seite 1

2 Einleitung Nur CSB-Abbau und Nitrifikation: bestimmte O2-Konzentration muss eingehalten werden bzw. muss für Nitrifikation das Schlammalter ausreichend hoch sein. Zusätzlich Stickstoffentfernung: Es muss verfahrenstechnisch dafür Vorsorge getroffen werden, dass in Zonen und/oder Zeiten die Voraussetzungen für einen Denitrifikation gegeben sind: kein gelöster Sauerstoff ausreichen Kohlenstoff Nitrat Seite 2

3 Einleitung Eine zeitliche Anpassung der Nitrifikanten an die, zu nitrifizierende, Stickstofffracht ist nur durch die Variation des aeroben (mit Sauerstoff versorgten) Beckenvolumens möglich Je mehr Ammonium oxidiert wird, umso größer ist die Menge an Nitrifikanten im System Gesamte nitrifizierbare Stickstofffracht soll nitrifiziert werden Jedes Milligramm Ammonium, das die Anlage verlässt, bedeutet weniger Nitrifikantenzuwachs

4 Einleitung Oberstes Gebot: Optimierung der Nitrifikation genau jenes Beckenvolumen soll belüftet werden, das für die Nitrifikation benötigt wird! der nicht belüftete Teil wird zur Denitrifikation genutzt Seite 4

5 Verfahrenstechnische Möglichkeiten simultane Nitrifikation/Denitrifikation In einem Becken sowohl Nitrifikation als auch Denitrifikation vorgeschaltete Denitrifikation Nitrifikation und Denitrifikation räumlich getrennt intermittierende Belüftung Nitrifikation und Denitrifikation sind zeitlich getrennt (auch Anlagen mit SBR-Verfahren) Seite 5

6 Steuer- und Regelstrategien Sauerstoffzufuhr als Stellgröße Regelung der Sauerstoffkonzentration Regelung der Ammoniumkonzentration Belüftetes (aerobes) Volumen als Stellgröße Steuerung und Regelung der Ammoniumkonzentration Regelung der Nitratkonzentration Kombinierte Regelung von NH4-N und NO3-N Steuerung in Abhängigkeit des Redoxpotenzials Steuerung in Abhängigkeit des Sauerstoffverbrauches (=Atmung) Rezirkulationsstrom als Stellgröße Dosierte C-Fracht als Stellgröße Zulaufverteilung als Stellgröße Stickstofffracht als Stellgröße zum Frachtausgleich In Österreich wenig verbreitet; daher hier nicht weiter behandelt Seite 6

7 Regelung der Sauerstoffkonzentration Vorgeschaltete Denitrifikation; Messgröße: -Konzentration; Rücklaufschlamm Stellgröße: -Zufuhr Zulauf DN NKB Ablauf -Sonde -Ist Gebläse Beschreibung: Es wird die Sauerstoffzufuhr (=Stellgröße) auf Basis der gemessenen Sauerstoffkonzentration und eines eingestellten Sollwertes variiert. Seite 7

8 Regelung der Sauerstoffkonzentration Vorteil: geringer Messaufwand Nachteil: Keine direkte Überwachung des NH4-N-Wertes und keine automatische Anpassung an Schwankungen von Temperatur, ph-wert oder Hemmung. Rücklaufschlamm Anmerkung: wert sollte den jahreszeitlichen Schwankungen (Temperatur) und entsprechend den Ergebnissen der Eigenüberwachung angepasst werden. Zulauf DN -Sonde -Ist Gebläse NKB Ablauf Seite 8

9 Regelung der Ammoniumkonzentration Vorgeschaltete Denitrifikation; Messgröße: -Konzentration, Zulauf NH 4 -N-Konzentration; Stellgröße: -Zufuhr NH 4 NH 4 -Messung -Sonde Rücklaufschlamm DN NKB -Ist Ablauf Gebläse Beschreibung: Der Soll-Ist-Vergleich der Ammoniumkonzentration gibt den - Sollwert der unterlagerten Sauerstoffkonzentrationsregelung vor. Durch eine Min-Max-Begrenzung des wertes werden unerwünschte Betriebszustände vermieden. Seite 9

10 Regelung der Ammoniumkonzentration Vorgeschaltete Denitrifikation; Messgröße: -Konzentration, Zulauf NH 4 -N-Konzentration; Stellgröße: -Zufuhr, aerobes Volumen DN Rücklaufschlamm NH 4 -Messung -Sonde NH 4 NKB Ablauf Gebläse Beschreibung: Der Soll-Ist-Vergleich der Ammoniumkonzentration gibt einerseits den wert der unterlagerten Sauerstoffkonzentrationsregelung vor und andererseits wird in Abhängigkeit der Regelabweichung das aerobe Volumen variiert. Seite 10

11 Regelung der Ammoniumkonzentration Vorteil: NH4-N-Ablaufwert wird direkt überwacht, der Sollwert bzw. das aerobe Volumen werden bei Schwankungen von Temperatur, ph-wert oder Hemmung automatische angepasst. Nachteil: Messaufwand, der bei mehreren Straßen und Redundanz zu wesentlichem Mehraufwand und -kosten führen kann. Anmerkung: Bei Anlagen mit simultaner Nitrifikation/Denitrifikation kann ebenfalls das aerobe Volumen durch Zuschalten von Belüfterfeldern in Abhängigkeit von der Ammoniumkonzentration erfolgen. Bei Anlagen mit intermittierender Nitrifikation/Denitrifikation wird das Belüftungs- Pausenverhältnis in Abhängigkeit von der Ammoniumkonzentration variiert. Seite 11

12 Regelung der Nitratkonzentration Simultane Nitrifikation/ Denitrifikation; Messgröße: -Konzentration, Zulauf NO 3 -N-Konzentration; NO 3 -Messung -Sonde Ablauf Stellgröße: -Zufuhr, aerobes Volumen NO 3 -Ist -Ist NO 3 Gebläse Beschreibung: Denitrifikationszone wird so optimiert, dass ein bestimmter Nitratgehalt, der einer empirisch ermittelten und gewünschten Ammoniumkonzentration entspricht, erreicht wird. Seite 12

13 Regelung der Nitratkonzentration Vorteil: Ionensensitive Messung von Nitrat ist zuverlässig und wartungsarm. Nachteil: Keine direkte Überwachung der Nitrifikation Sollwert für Nitrat muss dem jeweiligen Ammonium-Ablaufwert angepasst werden Steigt Ammonium so muss Soll-Wert erhöht werden. Anmerkung: Vorwiegend bei Anlagen mit simultaner aerober Stabilisierung eingesetzt, bei denen von einem ausreichend hohen Gesamtschlammalter ausgegangen werden kann. Seite 13

14 Kombinierte Regelung von NH 4 N- und NO 3 N-Konzentration Als Ergänzung zu einer Regelung nach der Ammoniumkonzentration kann auch die Nitratkonzentration in das Regelkonzept einbezogen werden. Dabei sind drei Zielrichtungen möglich: Minimierung der Gesamtstickstoffkonzentration im Ablauf Minimierung der Belüftungszeiten bei Anlagen mit anaerober Schlammstabilisierung Maximierung der Belüftungszeiten bei Anlagen mit simultaner aerober Schlammstabilisierung Seite 14

15 Steuerung in Abhängigkeit vom Redoxpotenzial Intermittierende Nitrifikation/ Denitrifikation; Redoxsonde -Sonde Messgröße: -Konzentration, Redoxpotenzial; Stellgröße: -Zufuhr, aerobes Volumen pro Zeiteinheit Zulauf Zeit-Pausen- Steuerung Ablauf Gebläse Beschreibung: Über die Auswertung des Redoxpotenzials bzw. über die direkte Messung des Nitratwertes kann der Zeitpunkt festgelegt werden, zu dem das Nitrat im Becken weitgehend eliminiert ist und somit die Belüftung für die aerobe Stabilisierung wieder eingeschaltet werden kann. Seite 15

16 Steuerung in Abhängigkeit vom Redoxpotenzial Vorteil: Einfachheit der Messung Wartungsfreundlichkeit geringe Kosten Nachteil: Keine direkte Überwachung der Nitrifikation Anmerkung: Der Verlauf des Redoxpotenzials erfährt bei NO 3 -N = 0 einen sprunghafte Änderung. Die Herausforderung bei dieser Messung liegt im Erkennen dieser, auf dem Nitrat basierenden, sprunghaften Änderung des Redoxpotenziales. Seite 16

17 Steuerung in Abhängigkeit des Sauerstoffverbrauches OV Simultane Nitrifikation/ Denitrifikation; Messgröße: -Konzentration, P-Gebläse oder Luftmenge; Stellgröße: -Zufuhr, aerobes Volumen Zulauf (cs c) OV = OC c s dc dt C s = -Gehalt ( -Sonde) OC ~ Q L ~ P(Verdichter) -Ist Ablauf -Sonde Gebläse Beschreibung: Eine Teil des Belebungsbeckens wird kontinuierlich belüftet und auf einen wert hingeregelt. Die für das Konstanthalten der O2-Konzentration erforderliche Gebläseleistung ist, bei gleich bleibender Sauerstoffkonzentration mit der Zeit, proportional der Atmung. Die Atmung wird schließlich als Schaltkriterium für das variieren des aeroben Volumens herangezogen. Seite 17

18 Steuerung in Abhängigkeit des Sauerstoffverbrauches Vorteil: Es sind ausschließlich Sauerstoffsonden erforderlich geringe Kosten. Die für die Variation des aeroben Volumens maßgebende Atmung ist proportional der Luftmenge bzw. der Gebläseleistung Nachteil: Keine direkte Überwachung der Ammonium-Ablaufkonzentration Anmerkung: Bei Anlagen mit hohem Schlammalter (>12 d) kaum tageszeitliche Schwankungen der Kohlenstoffatmung (OVC) Mit dem Anstieg der Stickstofffracht ist ein Anstieg des Ammoniums im Belebungsbecken verbunden und damit ein wesentlicher Anstieg der Atmung durch Nitrifikation erkennbar Atmung reagiert sehr sensibel auf NH 4 -N-Konzentration, daher Anpassung des aeroben Volumens an den aktuellen Bedarf Durch kontinuierliche Messung des Sauerstoffverbrauches indirekte Information über NH 4 -N Rest-Konzentration Seite 18

19 Steuerung in Abhängigkeit des Sauerstoffverbrauches Intermittierende Nitrifikation/ Denitrifikation; -Sonde Messgröße: -Konzentration, P-Gebläse; Stellgröße: -Zufuhr, aerobes Volumen pro Zeiteinheit Zulauf Ablauf Zeit-Pausen-Verhältnis auf Basis der Atmung Gebläse Beschreibung: Auf Basis des berechneten Sauerstoffverbrauches (= Atmung) am Ende der belüfteten Phase kann die Pausenzeit berechnet werden. Seite 19

20 Steuerung in Abhängigkeit des Sauerstoffverbrauches Vorteil: Ausschließlich -Sonde erforderlich. Bestimmung der Atmung am Ende der Belüfteten Phase und somit im gesicherten Messbereich der Sauerstoffsonde Nachteil: Keine direkte Überwachung des Ammonium-Ablaufwertes Anmerkung: Pause Belüftung Pause O2-Konzentration [mg/l] 2 1,5 1 0,5 0 Bestimmung von OV unsicherer Bereich, da < 0,5 mg/l kritisch für amperometrische Sonden t[h]

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