Regelungsstrategien einer vorgeschalteten Denitrifikation + einer intermittierenden Nitrifikation-Denitrifikation und Betriebserfahrungen.

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1 Denitrifikation + einer intermittierenden Nitrifikation-Denitrifikation mit on-line-analysegeräten und Dieses Dokument ist geistiges Eigentum der ARA Pustertal AG. Verfielfältigungen und andere Anwendungen müssen ausdrücklich genehmigt werden. Datum: Jänner 2009 Beilage: Verfasser: 1 Pflaurenz-Tobl 54 I St. Lorenzen info@arapustertal.it Dr. Ing. Konrad Engl Pflaurenz-Tobl 54 I St. Lorenzen KonradE@arapustertal.it S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008.DOC Seite 1 von 15

2 Inhaltsverzeichnis 1 EINLEITUNG RAHMENBEDINGUNGEN GRENZWERTE ABLAUFWERTE EINSATZ DER ANALYSEGERÄTE REGELUNGSSTRATEGIEN NITRIFIKATION Regelung der Nitrifikation Abbauleistung Kosteneinsparung DENITRIFIKATION Regelung der Denitrifikation Abbauleistung ALTERNIERENDE BETRIEBSWEISE IN LINIE Regelung der intermittierenden Betriebsweise Zeitvorgabe NO 3 -N abhängig NH 4 -N abhängig Zeitvorgabe und NH 4 -N Abbauleistung Kosteneinsparung gegenüber der vorgeschalteten Denitrifikation SIMULTANFÄLLUNG Regelung der Simultanfällung Abbauleistung ÜBERSCHUSSSCHLAMMABZUG Regelung des Überschussschlammabzuges RESTSÄUREKAPAZITÄT Regelung des ph Wertes im Belebungsbecken AUSBLICK...15 S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008.DOC Seite 2 von 15

3 Denitfrifikation mit on-line- Analysegeräten und Schlagwörter: Nitrifikation, Denitrifikation, Phospatfällung, Abwasserreinigung, on-line-analysegeräte Da es sehr viele unterschiedliche Standpunkte zum Einsatz von on-line-analysegeräten bei den Betreibern von Anlagen gibt, möchten wir unsere Erfahrungen mit den on-line-analysegeräten zur Regelung verschiedener Prozesse, die wir seit Inbetriebnahme der Anlage im Juli 1996 gewonnen haben, vorstellen. 1 Einleitung Die Kläranlage Mittleres Pustertal in Bruneck/Italien (Abb. 1) wurde unterirdisch gebaut (Abb. 2). Die Auslegung der Kläranlage erfolgte auf biologischen Einwohnerwerten, es sind 14 Gemeinden angeschlossen und das Einzugsgebiet beträgt km 2. Grobrechen und Feinrechen sowie der belüftete Sand- und Fettfang wurden 2-straßig, Vorklärbecken, vorgeschaltete Denitrifikation, Nitrifikation und Nachklärbecken wurden 4-straßig konzipiert. Alle Linien sind mit folgenden Messgeräten ausgestattet: Feststoffgehaltsmessung, ph-wert und O 2 -Messungen in den Belebungsbecken, NO 3 -N am Auslauf der Denitrifikation, NH 4 -N und PO 4 -P am Auslauf der Nitrifikation. Abb. 1 S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008.DOC Seite 3 von 15

4 Abb. 2 2 Rahmenbedingungen 2.1 Grenzwerte Die einzuhaltenden Grenzwerte sind in Tab. 1 tabellarisch dargestellt. Tab. 1 Parameter EU-Richtlinien Landesgesetz Bemessung der Anlage [ % Abbau [ mg/l ] [ mg/l ] [ % Abbau ] [ mg/l ] [ % Abbau ] ] BSB (1) 15 CSB (2) 75 N ges (3) P ges (4) 1 GUS (5) 30 Erläuterungen: Die angegebenen Grenzwerte müssen im Jahresmittel und der 24 Stunden Mischprobe eingehalten werden. (1) Die Abbauleistung von 90 % gilt nur bei Werten im Zulauf > 250 mg/l (2) Die Abbauleistung von 80 % gilt nur bei Werten im Zulauf > 500 mg/l (3) Die Abbauleistung von 80 % gilt nur bei Werten im Zulauf > 50 mg/l (4) Die Abbauleistung von 90 % gilt nur bei Werten im Zulauf > 10 mg/l (5) Die Abbauleistung von 90 % gilt nur bei Werten im Zulauf > 350 mg/l Die Grenzwerte bezüglich Nges. gelten nur bei Abwassertemperaturen von mindestens 12 C in der Biologie (Landesgesetz) Der Bemessung der Anlage wurde eine Abwassertemperatur von 10 C zugrunde gelegt. S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008.DOC Seite 4 von 15

5 2.2 Ablaufwerte In Tabelle 2 sind die erreichten Zu- und Ablaufwerte dargestellt: Tab. 2 Betriebsjahr BSB5 [ mg/l ] CSB [ mg/l ] Nges. [ mg/l ] Pges. [ mg/l ] Zulauf Ablauf Zulauf Ablauf Zulauf Ablauf Zulauf Ablauf ,17 4,35 321,42 19,39 31,12 8,35 4,77 0, ,74 3,92 397,60 23,74 35,26 7,50 5,46 0, ,83 4,15 456,68 27,19 41,13 7,44 6,37 0, ,18 3,09 467,90 25,99 43,65 6,66 6,45 0, ,18 3,44 560,63 26,79 50,84 7,91 8,46 0, ,91 2,64 629,66 27,64 59,53 7,72 9,25 0, ,89 1,97 629,72 24,97 60,54 8,83 9,47 0, ,75 2,47 660,23 25,26 62,57 7,10 10,23 0, ,39 3,66 712,67 25,80 63,31 8,38 10,12 0, ,58 2,62 750,34 24,78 65,20 9,37 10,56 0, ,16 2,21 696,53 22,58 62,52 8,24 9,77 0,76 3 Einsatz der Analysegeräte Auf der Kläranlage Mittleres Pustertal sind On-line-Messgeräte installiert, die als prozessüberwachende Parameter in das Prozessleitsystem einfließen, aber auch für die Regelung der Nitrifikation, Denitrifikation und Phosphatfällung seit Oktober 1996 eingesetzt sind. Im Dezember 2001 wurde eine Linie (2) von der vorgeschalteten Denitrifikation zu einer intermittierenden Betriebsweise umgebaut. Dafür wurde ein kombiniertes NO 3 -N und NH 4 -N Messgerät direkt am Auslauf des Belebungsbeckens montiert. Diese Sonden regeln die Nitrifikations- und Denitrifikationszyklen. In Tabelle 3 sind die Messgeräte nach Einbauort und Art der Messung dargestellt. Tab. 3 Einbauort Auslauf Auslauf Auslauf Auslauf DN-becken Auslauf N-becken Auslauf N-becken Messgerät 1 x PO 4 -P photometrisch mit 2 Probenahmestellen NH 4 -N ionenselektiv NO 3 -N ionenselektiv 3 x NO 3 -N ionenselektiv 3 x PO 4 -P photometrisch 3 x NH 4 -N ionenselektiv S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008.DOC Seite 5 von 15

6 4 Regelungsstrategien 4.1 Nitrifikation Regelung der Nitrifikation Am Auslauf der Nitrifikation wird NH 4 -N gemessen (Abb. 3); anhand des gemessenen NH 4 -N Wertes wird vom Prozessleitsystem der Sauerstoffsollwert vorgegeben, wobei alle Linien unabhängig voneinander geregelt werden können. Ist der NH 4 -N Meßwert kleiner als ein einstellbares Minimum (1 mg/l), wird vom Prozessleitsystem (PLS) ein einstellbarer minimaler Sauerstoffsollwert vorgegeben (0,8 mg/l), ist der NH 4 -N Meßwert größer als ein einstellbarer Maximalwert (2 mg/l), wird vom PLS ein einstellbarer maximaler O 2 - Sollwert (2,5 mg/l) vorgegeben, ist der NH 4 -N Meßwert in einem Zwischenbereich (1,0 < NH4-N < 2,0), wird vom PLS ein einstellbarer mittlerer O 2 -Sollwert (1,5 mg/l) vorgegeben. Der Sauerstoffsollwert regelt in Abhängigkeit der Regelabweichung die Blendenregulierschieber in den Luftleitungen, die in einem Kollektor enden, wo eine Druckmessung montiert ist. Die Regelung der Drehkolbengebläse mit Frequenzumformern erfolgt über einen konstanten Solldruck. Bei Abweichungen des Druckes vom Solldruck werden die Drehkolbengebläse in Abhängigkeit der Regelabweichung nach oben bzw. nach unten geregelt. In Abbildung 3 ist die Regelung schematisch dargestellt. Abb.3 Regelung Nitrifikation Sollwert O 2 -Regelung O 2 NH 4 -N VKB DN N NKB PIR S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008.DOC Seite 6 von 15

7 4.1.2 Die oben angeführte Regelungsstragie hat sich sowohl hinsichtlich der Abbauleistung als auch hinsichtlich der Kosteneinsparungen bestens bewährt Abbauleistung Die Abbauleistung bezüglich NH 4 -N ist mit 98 % als Durchschnitt über die Jahre hervorragend, vor allem auch in Anbetracht der niedrigen Abwassertemperaturen im Zulauf (5 Monate lang im Jahr <12 C). In Tabelle 4 sind die Zu- und Ablaufwerte tabellarisch dargestellt. Tab. 4 Betriebsjahr NH 4 -N [ mg/l ] Abbauleistung Zulauf Ablauf [ % ] ,46 0,32 98, ,26 0,57 97, ,64 0,47 98, ,64 0,51 97, ,87 1,05 96, ,49 1,57 95, ,40 1,59 95, ,06 1,13 96, ,51 1,69 95, ,60 1,86 94, ,90 2,20 93, Kosteneinsparung Der Betrieb hat bestätigt, daß durch die unterschiedlichen Sauerstoffsollwertvorgaben infolge der NH 4 -N Messungen eine nahezu vollständige Nitrifikation gewährleistet werden kann, wobei zum Großteil mit einem minimalen Sauerstoffsollwert von 0,80-1,0 mg/l (70% der Zeit) gefahren wird und nur bei NH 4 -N Tagesspitzen und Saissonsspitzen nach höheren O 2 -Sollwerten geregelt wird (Abb. 4). Dadurch wird eine optimale Nitrifikation bei minimalem Sauerstoffeintrag gewährleistet. Die Einsparungen pro Jahr durch diese Art der Regelung betragen ca Euro. S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008.DOC Seite 7 von 15

8 Abb.4 [ mg/l NH4-N [ mg/l O2 ] Ganglinie O2-Sollwert NH4-N Ganglinie NH4-N Spitze 4.2 Denitrifikation Regelung der Denitrifikation Am Ende des Dentrifikationsbeckens wird NO 3 -N online gemessen (Abb. 5). Anhand des gemes-senen NO 3 - N Wertes werden über das Prozessleitsystem die Rezirkulationspumpen, die mit Frequenzumformern ausgestattet sind, geregelt. Ist der NO 3 -N Ist-Wert kleiner als ein einstellbarer Sollwert (zur Zeit 3 mg/l), werden die Pumpen auf Maximum (400 % des Zulaufes einstellbar) geregelt. Ist der Ist-Wert größer als ein einstellbarer Sollwert (zur Zeit 3 mg/l), werden die Pumpen auf Minimum (100 % des Zulaufes einstellbar) geregelt. Bleibt der Ist-Wert allerdings immer noch höher als der eingestellte Sollwert, werden automatisch die Vorklärbecken umgangen, um mehr Kohlenstoff in die Belebung zu bringen. S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008.DOC Seite 8 von 15

9 Abb. 5 Regelung Denitrifikation NO 3 -N Sandfang VKB DN N NKB Umgehung VKB Kreisschlamm P Dieses Regelungskonzept hat sich aufgrund des verdünnten Abwassers als zielführend erwiesen Abbauleistung Durch dies Art der Regelung konnten die NO 3 -N Ablaufwerte immer sehr gering gehalten werden, wie in Tab. 5 dargestellt. In Tabelle 5 sind die Zu- und Ablaufwerte tabellarisch dargestellt. Tab. 5 Betriebsjahr NO 3 -N [ mg/l ] Nges. [ mg/l ] Zulauf Ablauf Zulauf Ablauf Abbau [ % ] ,64 5,60 31,12 8,35 71, ,66 4,57 35,26 7,50 78, ,59 5,59 41,13 7,44 81, ,78 5,18 43,65 6,66 84, ,45 5,95 50,84 7,91 84, ,32 4,61 59,53 7,72 86, ,40 5,72 60,54 8,83 85, ,33 4,54 62,57 7,10 88, ,30 5,03 63,31 8,38 86, ,56 6,08 65,20 9,37 85, ,36 6,09 62,52 8,24 86, Alternierende Betriebsweise in Linie Regelung der intermittierenden Betriebsweise Für die Regelung der intermittierenden Linie wurden vier verschiedene Möglichkeiten programmiert. Über Vorwahlschalter kann auf die jeweils gewünschte Betriebsart umgeschaltet werden: S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008.DOC Seite 9 von 15

10 Zeitvorgabe Die Start- und die Laufzeit der Nitrifikations- und Denitrifikationszyklen sind beliebig über den ganzen Tag einstellbar. Die Sauerstoffsollwerte für die Nitrifikation (O 2 T 3601 und O 2 T 3602), können vorgegeben und auch unterschiedlich eingestellt werden NO 3 -N abhängig Am Ende des Belebungsbeckens wird über eine Sonde NO 3 -N gemessen. Die minimalen sowie maximalen Sollwerte für NO 3 -N werden über das Prozessleitsystem vorgegeben. Wird der minimale Sollwert unterschritten, wir auf Nitrifikation umgeschaltet, bei Über-schreiten des maximalen Sollwertes von NO 3 -N wird dann denitrifiziert NH 4 -N abhängig Am Ende des Belebungsbeckens wird über eine Sonde NH 4 -N gemessen. Die minimalen sowie maximalen Sollwerte für NH 4 -N werden über das Prozessleitsystem vorgegeben. Wird der minimale Sollwert unterschritten wird auf Denitrifikation umgeschaltet, bei Überschreiten des maximalen Sollwertes von NH 4 -N wird nitrifiziert Zeitvorgabe und NH 4 -N Die Start- und die Laufzeit der Nitrifikationszyklen sind beliebig über den ganzen Tag einstellbar. NH 4 -N wird am Auslauf gemessen. Wird nun der einstellbare minimaler Sollwert für NH 4 -N erreicht, so wird die restliche Nitrifikationszeit abgebrochen und es wird auf Denitrifikation umgeschaltet, wobei die Gesamtzykluszeit beibehalten wird. In Abbildung 6 ist die Regelung schematisch dargestellt. Abb. 6 Regelung Nitrifikation - Denitrifikation Sollwert O 2 -Regelung NO 3 -N O 2 NH 4 -N VKB N / DN NKB PIR Zeitsteuerung S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008.DOC Seite 10 von 15

11 Abbauleistung Die zeigen folgendes: Die Reinigungsleistung ist geringfügig besser als bei der vorgeschalteten Denitrifikation Der Schlammindex, das Schlammvolumen und die Sichttiefe im Nachklärbecken ist bei der intermittierenden Betriebsweise wesentlich besser (siehe eigener Bericht Dissertationsauswertungde Kosteneinsparung gegenüber der vorgeschalteten Denitrifikation 5 Mixer zu je 3,0 kw und 2 Rezirkulationspumpen zu je 3,5 kw sind bei der intermittierenden Betriebsweise nicht aktiv. Die Einsparungen durch diese Art der Regelung betragen also 6,5 kw x h/a x 9,10 Cent/kWh = 5.181,54 pro Jahr. 4.4 Simultanfällung Regelung der Simultanfällung Am Auslauf der Nitrifikation, am Zulauf und Auslauf der Kläranlage wird PO 4 -P on-line gemessen. Die Dosierung des Fällmittels erfolgt im 3. Drittel der Nitrifikation. Die frequenzgeregelten Dosierpumpen können nach folgenden Möglichkeiten geregelt werden: nach der Zulaufmenge nach PO 4 -P Konzentration im Auslauf der Nitrifikation (Abb. 7) nach PO 4 -P Fracht im Zulauf nach einer vorgegebenen maximalen PO 4 -P Fracht im Auslauf nach Betriebs- und Pausenzeit Abb. 7 Regelung der Simultanfällung PO 4 -P VKB DN N NKB FeSO4 - Dosierpumpe S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008.DOC Seite 11 von 15

12 4.4.2 Im Betrieb hat sich die Regelung der Fällmitteldosierpumpen nach der PO 4 -P Konzentration als die optimalste Betriebsführung erwiesen Abbauleistung Durch diese Art der Regelung konnten die PO 4 -P Ablaufwerte immer sehr gering gehalten werden, wie in Tab. 6 dargestellt. Tab. 6 PO 4 -P Pges. Betriebsjahr Zulauf Ablauf Wirkungsgrad Zulauf Ablauf Wirkungsgrad [ mg/l ] [ mg/l ] [ % ] [ mg/l ] [ mg/l ] [ % ] ,57 0,51 77,92 4,77 0,63 85, ,53 0,56 75,72 5,46 0,67 87, ,67 0,60 82,87 6,37 0,80 86, ,40 0,51 84,39 6,45 0,75 87, ,80 0,59 87,24 8,46 0,73 91, ,28 0,49 90,73 9,25 0,68 92, ,23 0,53 89,93 9,47 0,72 92, ,31 0,56 89,36 10,23 0,73 92, ,73 0,52 91,03 10,12 0,69 93, ,62 0,56 89,80 10,56 0,71 93, ,38 0,53 90,12 9,77 0,76 92,14 S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008.DOC Seite 12 von 15

13 4.5 Überschussschlammabzug Regelung des Überschussschlammabzuges Der Überschussschlamm wird aus dem Rücklaufschlammfluss entnommen. Im Nitrifikationsbecken sitzt eine Trockensubstanzgehaltsmessung, die im Prozessleitsystem aufgezeichnet wird. Die Regelung der mit Frequenzumformern ausgestatteten Überschussschlammpumpen erfolgt automatisch über einen vorgegebenen TS-Gehalt. In Abhängigkeit der Regelabweichung wird mehr oder weniger Überschussschlamm abgezogen, wobei ein einstellbares Tagesminimum nicht unterschritten wird (Abb. 8). Neben dieser Möglichkeit kann der Überschussschlamm nach folgenden Parametern geregelt werden: nach einer einstellbaren Tagesmenge nach Betriebs- und Pausenzeit nach einem einstellbaren Schlammalter, wobei der Prozessrechner aus dem Laborprotokoll die Trockensubstanz des Überschussschlammes des Vortages übernimmt, die Trockensubstanz im Belebungsbecken wird on-line gemessen und der Prozessrechner errechnet automatisch die Überschussschlammenge des nächsten Tages bei vorgegebenem Schlammalter. Abb. 8 Regelung Überschußschlamm TS Sandfang DN N NKB Ablauf Anlage Rücklaufschlamm P P Überschußschlamm Im Betrieb hat sich die Regelung des Überschussschlammabzuges nach einem vorgegebenen TS-Gehalt als sinnvollste ergeben. Allerdings ist eine Plausibilitätskontrolle wie bei allen automatischen Regelungen sehr wichtig und auch des öfteren ein Eingreifen in die Regelung notwendig. Auch die Regelung nach einem vorgegebenen Schlammalter hat sich als betriebssicher erwiesen. S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008.DOC Seite 13 von 15

14 4.6 Restsäurekapazität Regelung des ph Wertes im Belebungsbecken In den Belebungsbecken ist je ein ph-messgerät installiert. Am Prozessleitsystem wird ein Sollwert vorgegeben und in Abhängigkeit der Regelabweichung werden die mit Frequenzumformern ausgestatteten Kalkmilchdosierpumpen geregelt (Abb.9). Vorgeschaltet ist eine Kalkmilchauflösestation mit einem Kalksilo, in dem Kalk Ca(OH) 2 in Pulver vorliegt. Die Kalkmilchdosierung ist notwendig, um die Restsäurekapazität aufrechtzuerhalten und die Nitrifikation zu gewährleisten. Abb. 9 ph- Wert Regelung ph VKB DN N NKB Ca(OH) 2 - Dosierpumpe Im Betrieb hat sich die Regelung des ph-wertes als unbedingt notwendig erwiesen. Ein Ausfall der Kalkmilchdosierung bewirkt innerhalb von 3 Stunden im Belebungsbecken einen starke ph-absenkung auf bis zu 6,1. Durch die Kalkmilchdosierung kann der ph-wert stabil auf 7 gehalten werden und damit wird auch die Nitrifikation gewährleistet. S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008.DOC Seite 14 von 15

15 5 Ausblick Die 12-jährige Betriebserfahrung hat uns gezeigt, dass on-line-messgeräte eine wesentliche Unterstützung zur sicheren Einhaltung der geforderten Grenzwerte im Ablauf sind. Sie sind von enormer Bedeutung für die Früherkennung von Anomalien in der Biozönose und geben anhand der aufgezeichneten Ganglinien einen umfangreichen Überblick über die Funktion in der Belebung. Bei sorgfältiger und fachkompetenter Betreuung durch motiviertes Betriebspersonal wird die Betriebssicherheit und die Messgenauigkeit der online-messgeräte gewährleistet. Der Kostenaufwand für die Betreuung der Messgeräte und deren Ankauf rechnet sich im Betrieb der Anlage. Dr. Ing. Konrad Engl Geschäftsführer der ARA Pustertal AG Kläranlage Tobl Pflaurenz-Tobl 54 I St. Lorenzen Tel. 0474/ Fax. 0474/ S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008.DOC Seite 15 von 15