Optimierung von Belebungsbecken mit Hilfe der MIRAR-Mischrampenregelung

Aufgrund der aktuellen öffentlichen und politischen Diskussionen ist die Energieoptimierung von Kläranlagen von sehr großer Bedeutung. Der größte Energiebedarf besteht bei der biochemischen Abwasserreinigung im Belebungsbecken. Daher ist eine belastungsabhängige Regelung der Belüftungseinrichtungen im Hinblick auf eine Energieoptimierung und Stabilisierung der Stickstoff- und Phosphorelimination zielführend, wobei sich gleichzeitig in der Regel die Schlammeigenschaften deutlich verbessern.

Bisher werden neben der standardmäßig in Belebungsbecken vorhandenen Sauerstoffkonzentrations-Messung teilweise zur Steuerung der Belüftungseinrichtungen online-Messungen von Ammonium- und Nitrat-Stickstoffverbindungen im Abwasser eingesetzt, die häufig einen hohen Wartungs- und Chemikalienaufwand und damit Betriebskosten verursachen. Deshalb ist es sinnvoll, die geeignete und fast wartungsfreie Messung des Redox-Potenzials als Ersatzparameter in jedem Belebungsbecken zur Steuerung und Regelung der Belebungsstufe einzusetzen. Unter einer ganzheitlichen Betrachtung der gesamten Abwasserreinigung und Klärschlammbehandlung auf einem Klärwerk haben wir die MIRAR-Mischrampenregelung mitentwickelt und nunmehr auf mehreren Kläranlagen im Einsatz. Bei einer Betriebweise mit einer intermittierenden Belüftung wird unter Einbeziehung z.B. der Rücklaufschlammmenge und der Fällmittelmenge gegenüber herkömmlichen Standard-Steuerungen nach der Sauerstoffkonzentration in der Regel  eine Energieeinsparung der Belüftungsaggregate in Höhe von mindestens 20% durch eine belastungsabhängige Reglung der Belüftungseinrichtungen erreicht. Gleichzeitig kommt bei zu weiteren Betriebsmitteleinsparungen, wie z.B: für Fällmittel als Folge der Optimierung der biologischen Phosphor-Elimination in der Belebungsstufe in Zeiten schwacher Belastung.

Nach den hier vorliegenden Erfahrungen ist eine ganzheitliche Betriebsoptimierung einer Belebungsstufe unter Einbeziehung einer belastungsabhängigen Regelung der Belüftungseinrichtungen, einer optimierten Rücklaufschlamm-Menge, der Fällmittel-Dosiermenge und einer eventuell erforderlichen externen Kohlenstoffquelle (z.B. mit Bypass Vorklärung) mit folgender Zielsetzung durchzuführen:

  • Optimierung der Nitrifikation und Denitrifikation zur Stabilisierung und Verminderung der Stickstoff-Ablaufwerte, mit dem Ziel-Schwellenwert Nges < 5 mg/l zur Vermeidung der Abwasserabgabe in diesem Parameter,
  • Verminderung der Energie für Belüftung und interner Schlamm-Kreisläufe,
  • Verbesserung der Puffersysteme Säure- und Basenkapazität sowie des pH-Wertes,
  • Verminderung der Betriebskosten für Fällmittel durch eine gezielte biologische P-Elimination,
  • Signifikante Verbesserung der Schlammeigenschaften zur Vermeidung/Verminderung der massenhaften Entwicklung von Fadenbakterien (z.B. Microthrix parvicell
  • Verrechnung der Investitionskosten mit der Abwasserabgabe nach § 10 Abs. 3 AbwAG.

Nachfolgende Projekte mit Installation der Mischrampen-Regelung (MIRAR) sind erfolgreich vom Ingenieurbüro Dr. Denkert realisiert worden:

KW Goch Niersverband ca. 120.000 EW Belebungsstufe und Faulschlamm Zentrat-Behandlung
KW Kevelaer Niersverband ca. 35.000 EW Zwei BB im Parallelbetrieb
KW Pont Niersverband ca. 10.000 EW Zwei BB im Reihenbetrieb mit Einbindung Flockungsmittel-Dosierung
und Natronlauge zur Aufstockung Säurekapazität
KW Herdorf AbwV Hellertal ca. 35.000 EW Drei BB im Parallelbetrieb
KW Gütersloh-OL AbwV Obere Lutter ca. 350.000 EW Filtratbehandlung in SBR-Stufe
KW Geldern Niersverband ca. 120.000 EW Belebungsstufe
KW Ferndorftal Stadt Hilchenbach ca. 30.000 EW Belebungsstufe
KW Sonsbeck Niersverband ca. 10.000 EW Belebungsstufe
KW Freudenberg Stadt Freudenberg ca. 20.000 EW Belebungsstufe
KW Lindenberg Stadt Freudenberg ca. 5.000 EW Belebungsstufe

 

Darüber hinaus sind zahlreiche Voruntersuchungen auf verschiedenen Klärwerken, teilweise mit Einbindung einer Steuerung zur Kalkmilch-Dosierung, Zugabe einer externen Kohlenstoffquelle, Zugabe von Flockungshilfsmittel zur Verbesserung des Feststoffrückhaltes im Nachklärbecken und Umgehung/Bypassbetrieb einer Vorklärung zur Kohlenstoff-Aufstockung durchgeführt worden. Aktuell sind betriebspraktische Voruntersuchungen u.a. auf den Klärwerken Paderborn (ca. 500.000 EW), Alte Emscher (Emschergenossenschaft, ca. 500.000 EW) und Wachtendonk (Niersverband ca. 5.000 EW) durchgeführt worden. Weiterhin haben wir 1999 einen ca. sechsmonatigen großtechnischen Betriebsversuch auf dem Großklärwerk Gütersloh Abwasserverband Obere Lutter (ca. 370.000 EW) zur Regelung der zweistufigen Belebungsanlage durchgeführt. Hier haben wir mit Hilfe der Mischrampenregelung beide Belebungsstufen unter Einbeziehung eines Bypassbetriebs mit Umgehung der Vorklärung zur Aufstockung der Kohlenstofffracht in der Schwachlaststufe frachtabhängig betrieben. Für das Klärwerk Gütersloh-Obere Lutter haben wir auch die Vorplanung, Realisierung und Betreuung des großtechnischen Betriebsversuches zur getrennten Behandlung des Filtratwassers aus der Faulschlamm-Entwässerung in einer SBR-Anlage bearbeitet. Die komplette SBR-Anlage wird automatisch gesteuert und die Nitrifikations-, Denitrifikations, Sedimentations- und Dekantierphasen frachtabhängig mit MIRAR geregelt. Unter Ausnutzung eines vorversäuerten Trübwassers aus einem Rohschlamm-Voreindicker zur Kohlenstoffaufstockung für eine weittestgehende Denitrifikation wird eine Gesamt-Stickstoff-Abbauleistung von ca. 90 % erreicht. Die Regelung ist von Januar 2002 übernommen worden und war bis Februar 2005 sehr erfolgreich in Betrieb. Danach wurde die Filtratbehandlungsstufe aus Kapazitätsgründen nicht mehr benötigt.

Die Redox-Potenzial-Elektroden kommen als Eintaucharmatur zum Einsatz. Die Redoxmessumformer entsprechen denen für die pH-Messung, wobei für Messungen im Belebungsbecken ein Messbereich von -500 mV bis +500 mV gewählt wird. Eine Temperaturkompensation ist nicht erforderlich. Eine Kalibrierung ist bei Redoxmessungen prinzipiell nicht erforderlich, die Messung kann mit einer Kontrolllösung überprüft werden. Der Aufwand für die Wartung einer Redoxelektrode ist sehr gering und besteht im wesentlichen in einer wöchentlichen Schwamm-Reinigung.  Es sind keine Chemikalien erforderlich. Der Austausch der Redoxelektrode erfolgt in der Regel einmal pro Jahr.

MIRAR – Mischrampenregelung für Kläranlagen

Für die optimierte Regelung von Belüftungseinrichtungen und der verschiedenen Nitrifikations- und Denitrifikations-Verfahrensschritte wird die von uns mitentwickelte MIRAR-Mischrampenregelung eingesetzt und vertrieben.

Das vorrangige Ziel einer Regelung von Belebungsbecken ist die Optimierung der Stickstoffabbauleistung bei gleichzeitiger Energieoptimierung. Hierbei ist insbesondere die belastungsabhängige Regelung der Nitrifikations- und Denitrifikations-Intervalle (ae­robe und anoxische Betriebszustände) und deren Dauer von besonderer Bedeutung. Darüber hinaus kann unter Berücksichtigung der Belebungsbeckenvolumina bei ent­sprechender geringer Rohabwasserbelastung (Schwachlast) und entsprechend langer Denitrifikationsphase simultan im Belebungsbecken eine biologische Phosphorelimina­tion (anaerober Betriebszustand) erreicht werden. Hierdurch kommt es zu einer opti­malen Ausnutzung des Strombedarfes für die Belüftung bei gleichzeitiger Verminderung des Fällungsmittelbedarfs zur Phosphoreliminierung. Gleichzeitig werden durch diese Betriebsweise optimale Milieuzustände der Biomasse in der Belebungsstufe zur Ver­meidung einer massenhaften Entwicklung von Fadenbakterien erreicht. Darüber hinaus verbessern sich bei Vermeidung einer Unter- oder Überbelüftung in der Regel die Schlammeigenschaften. Im Hinblick auf die Stabilisierung der Stickstoffabbauleistung und auf die Schlammeigenschaften ist eine Sauerstoffkonzentration in der Nitrifikati­onsphase von ca. 2 mg O2/l optimal, wobei die jeweiligen Anforderungen entsprechend der Rohab­wasserzusammensetzung zu berücksichtigen sind.


Bild: Allgemeines Verfahrensschema MIRAR-Mischrampenregelung

 

Bei der Mischrampen-Regelung werden die Eingangswerte über einstellbare lineare Rampenfunktionen in Wirkungswerte umgerechnet. Der Einfluss der verschiedenen Ein­gangswerte ist mischbar. Mehrere Wirkungswerte ergeben eine „Mischung“, wobei einzelne Messgrößen/Zustände mehrfach in einer oder in verschiedenen Mischungen verarbeitet werden. Für jeden einzelnen Eingangswert kann eingestellt werden, wie viel Wirkung er auf das Gesamtergebnis und damit auf die Regelung haben soll. In jeder Rampe und Mischung werden über ein frei wählbares Abfrageintervall Punkte summiert, die bei Erreichen eines voreingestellten Schwellenwertes eine Ja-Nein-Entscheidung zur Steuerung einer Stelleinrichtung oder eines Schaltvorgangs auslösen. Die MIRAR-Regelung ist in der Lage, jeden Schaltvorgang von mehreren Eingangsgrößen mit diffe­renziert einstellbarer Wirkung, Wirkungsbereich sowie Wirkungsbedingungen ausführen zu lassen. Die Grenzen des Systems sind in der Regel nur durch die vorhandene Ver­fahrenstechnik oder die bauliche Dimensionierung der Kläranlage gegeben.

Die Mischrampen-Regelung beruht nicht auf der Erfassung und Steuerung nach einem Messwert (z.B. Redoxpotenzial), sondern auf einem komplexen Berechnungs-System unter Einbeziehung der gesamten Verfahrenstechnik der Abwasserreinigung und Schlammbehandlung. Die verschiedenen Eingangswerte aus Messungen (z.B. c(O2), pH-Wert, Leitfähigkeit, Temperatur) oder virtuelle Größen aus Rampenverläufen (z.B. vergangene Zeit seit Eintritt eines Vorgangs/ Ereignisses, Schwachlast, Hochlast, hydraulischer Stoß) werden in einer frei programmierbaren Steuerdatei (Linux-Betriebssystem) auf einem Standard-Industrie-PC verarbeitet. Als leistungsbestimmende Messgröße in jedem Belebungsbe­cken wird die wartungsarme Online-Messung des Redoxpotenzials sowie wenn vorhanden weitere online-Messungen ausgewertet. Die Grundlagen des Messprinzips und deren Bewertung zum Einsatz in Belebungsbecken zur Stickstoffelimination sind ausführlich in der nachfolgenden Veröffentlichung erläutert:       

Baumann, Peter; Hansen; Joachim; Reichert, Joachim: „Steuerung der Stickstoffelimination auf Grundlage des Re­dox-Potenzials“, KA – Abwasser, Abfall, 2005 (52), Nr. 12, S. 1352 – 1358.

Aufgrund der oben beschriebenen Zusammenhänge ist bei der Mischrampenregelung die Steuerung der Schaltvorgänge nicht vom Erkennen des unteren Umkehrpunktes des Redoxmesswertes abhängig, zumal dieser Knickpunkt (c(NO3-N) » 0 mg/l) be­lastungs- und verfahrensabhängig nicht immer erreichbar ist. Die Eignung der Redoxpo­tenzial-Messung ist abwasserspezifisch zu beurteilen und kann in einem Betriebsver­such vor Ort untersucht werden. Hierzu steht beim IB Dr. Denkert eine mobile Messeinheit zur Verfügung, siehe Bilder. 

Abbildung: Mobile Messeinheit (Redox, Sauerstoff, pH, Leitfähigkeit, mit EDV-Erfassung)

In der MIRAR-Steuerdatei werden die biologischen/ biochemischen Zusammenhänge und deren Wirkungen auf die Verfahrensschritte der Nitrifikation, Denitrifikation und der biologischen Phosphor-Elimination miteinander vernetzt. Auf dieser Basis werden die Stellglieder bei einer großen Bandbreite von Randbedingungen und Belastungszuständen automatisch angesteuert, so dass selbst bei Betriebsstörungen in der Regel keine manuellen Eingriffe in die Steuerung der Belüftungseinrichtungen erforderlich sind. Zum Einbinden der verschiedenen Be­lastungs- und Betriebszustände einer Belebungsstufe in die Steuerdatei ist eine 3 – 6 monatige Optimierungsphase erforderlich. Die Steuerdatei kann durch das eingewiesene Bedienungspersonal an grundsätzlich veränderte Betriebszustände angepasst werden, z.B. bei Außerbetriebnahme eines Belebungs- oder Nachklärbeckens. Es sind dazu keine weitergehenden Programmier­kenntnisse erforderlich.

Gegenüber einer Zeitsteuerung oder einer durch Grenzwerte bestimmten Steuerung der Belüftungseinrichtungen ergeben sich mit der Mischrampenregelung eine Vielzahl von Möglichkeiten, auf das Verhalten und auf die Betriebsweise der vorhandenen Verfah­renstechnik Einfluss zu nehmen. Dies kann z.B. unter Einbeziehung des Rücklauf­schlammvolumenstromes, einer Bypass-Umgehung einer Vorklärung, der Dosie­rung einer externen Kohlenstoffquelle oder der Dosierung der Phosphat-Fällmittel geschehen. Es erfolgt eine ganzheitliche Betrachtung der Abwasserreinigung und Schlammbehandlung unter besonderer Berücksichtigung der Rohabwassersituation und der vorhandenen Verfahrenstechnik.

Betriebsweise SBR-Anlage mit MIRAR-Regelung

Der Betrieb von Aufstau-Belebungsanlagen/ Sequence-Batch-Reaktor(SBR)-Anlagen ist generell als biologische Hauptstufe zur Kohlenstoff-, Stickstoff- und biologischen Phosphor-Elimination möglich und sinnvoll. Nach den hier vorliegenden Erfahrungen werden in der Regel in SBR-Anlagen bei optimierter Betriebsweise sehr gute Schlammeigenschaften mit einem niedrigen Schlammindex (ISV kleiner 100 ml/g) und einem sehr geringen Anteilen von Fadenbakterien erreicht. Nach unserem Fachverständnis ist der Grund für die guten Schlammeigenschaften in den ständigen Milieuwechseln aerob/anoxisch und ggf. anaerob in einem Behälter begründet.
Darüber hinaus ist das System auch sehr gut als zusätzliche Behandlungsstufe für die Vorreinigung von hoch mit Ammonium-Stickstoff belasteten Prozesswässern wie Zentrat oder Filtrat aus der Faulschlamm-Entwässerung einsetzbar. Bei der Nutzung als Prozesswasserbehandlungsstufe wird in der Regel eine vollständige Nitrifikation sichergestellt. Die Denitrifikationsleistungsfähigkeit ist von der Abwasserzusammensetzung abhängig. Insbesondere bei Prozesswässern aus der Faulschlamm-Entwässerung ist die Zugabe einer externen Kohlenstoffquelle erforderlich, wodurch die Denitrifikationsleistung variabel einstellbar ist.

Prinzipiell ist oben beschriebene, feinfühlige MIRAR-Mischrampenregelung ebenfalls zur optimierten Regelung von SBR-Anlagen geeignet. Wie in konventionellen Belebungsbecken (Kaskaden-Reihen-/ Parallel-Betrieb) mit intermittierender Belüftung wird die MIRAR-Regelung hier ebenfalls zur optimierten Regelung der Belüftungseinrichtungen und der verschiedenen Nitrifikations- und Denitrifikations-Verfahrensschritte eingesetzt. Hierbei wird zusätzlich die Beschickung mit Rohabwasser bzw. zusätzlichem Substrat als externe C-Quelle in den Denitrifikationsphasen, sowie die weiteren SBR-Phasen (Batches) wie Sedimentieren, Dekantieren, Überschussschlamm-Abzug eingebunden. Die einzelnen biochemischen Eliminationsphasen werden belastungsabhängig ausgefahren, und die SBR-Phasenlängen werden entsprechend durch die Reglung angepasst. Hierbei kann sowohl der Einfluss aus unterschiedlichen Rohwasser-/ Prozesswasser-Belastungen als auch die starke temperaturabhängige Nitrifikations- und Denitrifikationsgeschwindigkeit berücksichtigt werden. Wie in einem konventionellen Belebungsbecken erfolgt hierfür die Auswertung einer Redox-Potential-Messung in dem SBR-Reaktor. Darüber hinaus ist mit der MIRAR-Regelung eine Betriebsweise des SBR-Reaktors zur Stickstoff-Elimination über Nitritation und  Denitritation realisierbar. Gegenüber der üblichen Betriebsweise von Belebungsstufen mit Nitrifikation/ Denitrifikation ist hierüber eine deutliche Betriebskostenersparnis durch verminderte Energie- und Kohlenstoff-Kosten möglich.

Bei verlängerter oder verkürzter Zehrung aufgrund veränderter Belastungsverhältnisse wird die Dauer der Nitrifikationsphase und dadurch die Belüftungsdauer automatisch angepasst.

  1. Sedimentationsphase
  2. Abzugsphase
  3. Ende der SBR-Phase/ Batch, Neubeginn

Durch den optimalen Betrieb einer SBR-Anlage entstehen signifikante Vorteile für die Zusammensetzung der Biozönose. In konventionellen Belebungsbecken sind häufig Betriebsprobleme aufgrund einer massenhaften Entwicklung von fadenförmigen Mikroorganismen vorhanden, hier insbesondere der Spezies Microthrix parvicella. Die Fadenbakterien haben in der Regel eine signifikanten Wachstumsvorteil gegenüber flockenbildenden Bakterien bei geringen Substratkonzentrationen, da die große Fadenoberfläche die Nahrungsaufnahme erleichtert. In SBR-Anlagen wird das Substrat über das Rohabwasser sehr konzentriert zugegeben und erst während des Abbaus verdünnt. Hierdurch entstehen wiederum Wachstumsvorteile für die flockenbildenden Bakterien und die massenhafte Entwicklung von Fadenbakterien wird wirksam verhindert. Dadurch erreichen SBR-Anlagen in der Regel auch einen sehr geringen Schlammindex von deutlich weniger als ISV = 100 ml/g.