Kontrolle der Chemikaliendosierung in der Abwasserbehandlung

Verschiedene Abwasserbehandlungsprozesse erfordern die kontrollierte Dosierung von Chemikalien in den Prozessstrom, entweder um die Behandlung zu unterstützen oder um unerwünschte Elemente zu entfernen. Damit die Dosierpumpen effizient arbeiten, müssen die Werksbetreiber ständig über die Vorgänge im Aufbereitungsprozess informiert sein, damit Dosiermengen und -geschwindigkeiten entsprechend angepasst werden können. Das in Großbritannien ansässige Unternehmen Partech Instruments hat Feed-Forward-Steuerungssysteme entwickelt, bei denen Online-Analysatoren im Einlassstrom eingesetzt werden, um Echtzeitdaten an ein Dosiersteuerungssystem zur automatischen Einstellung der Dosierpumpe zu senden. Bryan Orchard berichtet.

Die Entfernung von Phosphat aus dem Abwasser einer Kläranlage ist ein wesentlicher Bestandteil der städtischen Abwasserbehandlung im Vereinigten Königreich und der damit verbundenen Richtlinien. Heutzutage verfügen viele weitere Aufbereitungsanlagen über Genehmigungen zur Einleitung von Phosphor, aber angesichts der anhaltend hohen Phosphatwerte in unbehandeltem Wasser wächst das Problem, die Genehmigungen einzuhalten. Die Phosphatentfernung erfolgt durch Dosierung von Chemikalien, normalerweise Eisen- oder gelegentlich auch Aluminiumsalzen. Die dabei eingesetzten Chemikalien sind teuer, weshalb es im Interesse der Kläranlagen liegt, die Dosierung streng zu kontrollieren.

Partech Instruments aus St. Austell im Vereinigten Königreich hat eine geschlossene Feed-Forward-Steuerung von Einlassdosiersystemen zur Entfernung von Phosphat entwickelt, die an verschiedenen Standorten im gesamten Vereinigten Königreich erfolgreich getestet wurde (Abbildung 1). Die Ergebnisse der Versuche zeigen, dass dieser Ansatz zuverlässig und kostengünstig ist und dazu beitragen kann, eine optimale Leistung der Dosierpumpe zu erreichen und erhebliche Chemikalieneinsparungen zu erzielen.

Gegebenenfalls ist die natürliche Entfernung von Phosphat (durch natürlich vorkommende biologische oder chemische Fällung) das Mittel der Wahl. In den meisten Fällen ist dies jedoch nicht möglich und der Anlagenbetreiber muss auf Chemikalien zurückgreifen, wobei Eisenchlorid und Eisensulfat am häufigsten verwendet werden. Wo die Wirksamkeit von Eisen stark reduziert ist, wurde ein Aluminiumsalz erfolgreich eingesetzt und funktioniert normal in Verbindung mit Eisensalzen. In allen Fällen ist die Menge der verwendeten Chemikalien entscheidend für die Leistung der Arbeiten, die Kostenkontrolle und die Einhaltung der Einleitungsgenehmigung sowohl für Phosphat als auch für Eisen/Aluminium.

Die Dosierung von Eisensalzen an der Vorderseite eines Werks erfordert ein gewisses Maß an Pumpensteuerung, um sicherzustellen, dass der pH-Wert des Zuflusses nicht zu sauer wird, da dies eine nachteilige Wirkung auf den Nitrifizierungsprozess hat. In der Vergangenheit wurde die Eisendosierungsrate berechnet, indem über den Tag verteilt eine Reihe von Proben entnommen und analysiert wurden, um ein Tagesprofil abzuleiten. Dieses Profil wurde in das Dosiersystem eingegeben, sodass in den verwendeten Zeitintervallen ein bestimmtes Eisenvolumen dosiert wurde, und dieses wurde dann zur „Kontrolle“ der Dosis verwendet.

Das Partech-Probenahmesystem basiert auf der Analyse von Orthophosphat und nicht auf Gesamtphosphor. Die Orthophosphat-Chemie ist einfach und schnell, während die Gesamtphosphor-Chemie komplexer ist und sehr langsam sein kann. Eisen reagiert direkt mit dem löslichen Phosphat, das fast vollständig in der Orthophosphatform vorliegt. Der gesamte Phosphor liegt größtenteils in gebundener Form mit den Feststoffen vor und setzt sich daher auf natürliche Weise zusammen mit der behandelten löslichen Form des Phosphats ab. Um den Gesamtphosphorgehalt zu analysieren, müsste auch eine ungefilterte Probe analysiert werden, was bei der Einlassanwendung nicht möglich wäre.

Das Messsystem verwendet den MicroMac C-Analysator, der ein Loop-Flow-Analysesystem (LFA) enthält. Dank der hochflexiblen LFA-Technik kann der Analysator mit der hohen Hintergrundtrübung von Rohabwasser umgehen. Das Analysegerät verwendet eine chemische Methode, die direkt mit der in Labors verwendeten Blue-Book-Methode vergleichbar ist und so einen direkten Vergleich mit allen in einem Labor analysierten Stichproben ermöglicht. (Das Blue Book wird vom National Laboratory Service der britischen Umweltbehörde herausgegeben. Sein gesetzlicher Analystenausschuss bietet maßgebliche Leitlinien zu Probenahme- und Analysemethoden zur Bestimmung der Qualität von Umweltmatrizen.)

Während der Versuche legte Partech großen Wert auf die Entwicklung eines Probenahmesystems, das wartungsarm ist und eine zuverlässige Rohabwasserprobenahme gewährleistet. Das Probenahmesystem ist ein wichtiger Teil des Kontrollsystems und erfordert eine optisch klare Probe, um den Orthophosphatgehalt genau zu bestimmen. Dies wird durch den Einsatz von Filtrationstechnologie zur Entfernung von Feststoffen aus der Probe erreicht. Das fertige Design kommt mit geringer Strömung und geringen Probenmengen, Sand, unregelmäßiger Strömung und turbulenter Strömung zurecht (Abbildung 2). Das einfache Design trägt nicht nur zum geringen Wartungsaufwand bei, sondern trägt auch zum Vertrauen des Bedieners bei und hält die Kosten auf einem Minimum.

Der Vorteil der Bestimmung des Phosphatspiegels am Zulauf besteht darin, dass aus der Kombination von Durchfluss und Phosphatkonzentration die Dosierleistung des Eisen- oder Aluminiumsalzes berechnet und das Dosierpumpensystem gesteuert werden kann. Die erzeugte kombinierte Leistung ermöglicht es dem Bediener, die Dosierpumpen an die standortspezifischen Bedingungen anzupassen, sodass das Verhältnis „P zu Fe“ angepasst werden kann, bis es optimiert ist. Diese Optimierung erfordert die Überwachung des Endabwassers, um sicherzustellen, dass die Phosphatwerte im Rahmen der Genehmigung der Umweltbehörde liegen. Sobald die Optimierung durchgeführt wurde, besteht keine Notwendigkeit, das Endabwasser weiter zu überwachen. Obwohl dies nicht unbedingt erforderlich ist, kann hier ein Analysator zur Messung des Gesamtphosphors zur Überwachung der Einleitungsgenehmigung verwendet werden, da Orthophosphat am Einlass gemessen wird.

Durch die Feed-Forward-Steuerung reagiert die Dosierpumpe auf tatsächliche Änderungen des Phosphatgehalts und sorgt für ein aktives Dosierregime. Im Gegensatz dazu kann das häufig verwendete „Tagesprofil“ nicht auf Veränderungen im Zulauf reagieren und kann entweder eine Über- oder Unterdosierung sein, was beides finanzielle Konsequenzen hat. An einigen Standorten kann eine alternative Rückkopplungsregelung eingesetzt werden, die jedoch aufgrund der Zeitverzögerung zwischen den Dosier- und Messpunkten tendenziell eine schlechte Regelung bietet. Der langsam ablaufende Abwasseraufbereitungsprozess mit Verweilzeiten von vielen Stunden in Absetzbecken und Belebungsbecken profitiert von der Feed-Forward-Regelung. Das Messsystem von Partech macht dies möglich und arbeitet dort, wo alternative Systeme nicht eingesetzt werden können.

Alle chemischen Dosiersysteme von Partech folgen dem gleichen Grundmuster, auch wenn sie sehr unterschiedlich aussehen können. Jedes System verfügt über zwei Chemikalienbehälter, die für Wartungszwecke isoliert werden können. Die Chemikalien gelangen aus den Vorratstanks durch eine Reihe von Absperrventilen zu den Inline-Filtern. Diese Filter entfernen Rückstände aus der Chemikalie, was die Pumpleistung verringern oder Ventile vor den Pumpen verstopfen kann. Diese Filter müssen regelmäßig gereinigt werden und sind die häufigste Ursache für Probleme im Dosiersystem. Wenn sie verstopft sind, kann die Pumpe nicht die erforderliche Dosisleistung liefern. Es empfiehlt sich, vor der Kalibrierung einer Pumpe beide Filter zu reinigen.

Sobald die Chemikalie die Filter passiert hat, gelangt sie zu einer von zwei Dosierpumpen (Betrieb/Standby) für jeden Dosierpunkt. Einige Standorte verfügen über mehr als eine Dosierstelle. In diesem Fall gibt es für jede Dosierstelle ein eigenes Dosiersystem.

Hinter jeder Pumpe befindet sich ein Überdruckventil. Wenn stromabwärts der Pumpen eine Verstopfung vorliegt und der Druck im System den zum Öffnen dieser Ventile erforderlichen Druck erreicht, gelangt die Chemikalie je nach Systemtyp entweder zurück in die Vorratstanks (durch die Überlaufleitungen) oder in den Auffangbehälter. Danach mündet der Auslass beider Pumpen in eine gemeinsame Leitung, sodass alle nachfolgenden Elemente beiden Pumpen gemeinsam sind.

Das nächste Element im Strömungsweg ist der Pulsationsdämpfer. Die Pumpen fördern die Chemikalie in Impulsen und der Dämpfer glättet diese, so dass die Chemikalie in einem konstanten Strom zur Dosierstelle gefördert wird. Der Dämpfer hat einen Druck von 10 bar. Hinter dem Pulsationsdämpfer befindet sich ein Durchflusswächter, der erkennt, ob die chemische Durchflussrate unter einen einstellbaren Sollwert fällt. In diesem Fall ist die Betriebspumpe ausgefallen, die Standby-Pumpe wird eingeschaltet und ein Alarm ausgelöst. Wenn die Standby-Pumpe nicht die Mindestdurchflussrate liefert, fällt auch diese Pumpe aus und es wird ein Alarm mit höherer Priorität ausgelöst.

Hinter dem Durchflusswächter befindet sich ein Manometer, das den Druck im Dosiersystem und den Gegendruck an den Pumpen anzeigt. Es kann verwendet werden, um die Ursache eines Problems zu ermitteln, wenn das System nicht ordnungsgemäß funktioniert, z. B. wenn das Ladeventil, das das nächste Element im Strömungsweg ist, blockiert ist und Chemikalien durch die Druckentlastungsventile strömen. Je nach Standort ist der auf dem Manometer angezeigte Druck aufgrund des Gegendrucks vom Ladeventil möglicherweise nicht Null, wenn die Pumpen nicht laufen. Das Messgerät wird auch zum Einstellen des Ladeventils verwendet.

Das Ladeventil hat zwei Zwecke. Die erste besteht darin, das Siphonieren von Chemikalien aus den Vorratstanks zur Dosierstelle zu verhindern. Die zweite besteht darin, sicherzustellen, dass auf den Pumpen ein Gegendruck herrscht, damit sie bei einer bestimmten Geschwindigkeit die Dosis abgeben, die sie benötigen. Ändert sich der vom Ladeventil ausgeübte Druck, müssen die Pumpen neu kalibriert werden.

Sobald die Chemikalie das Ladeventil passiert hat, gelangt sie über die Dosierleitung zur Dosierstelle. Mit dem Kalibriertopf wird gemessen, wie viel die Pumpen dosieren und ob die Hubeinstellung an jeder Pumpe für die erforderliche Dosisleistung richtig ist. Die Spülventile sind Punkte am Dosiersystem, an denen Leitungen angeschlossen und zum Durchspülen von Trinkwasser (nicht Endabwasser) verwendet werden können, um alle Chemikalien zu entfernen, bevor Wartungsarbeiten durchgeführt werden. Normalerweise gibt es für jedes Pumpenaggregat einen Not-Aus-Taster. Dadurch fallen beide Pumpen aus.

Vier Wasserunternehmen stellten Standorte für das Evaluierungsprogramm von Partech zur Verfügung: Thames, Wessex, Southern und Anglian Water. Der Standort Thames Water mit einem Einwohnerwert (PE) von 39.000 verfügte über einen gepumpten Zulauf und ein System von Gee & Co, das Eisensulfat nach einem vorgegebenen Tagesrhythmus dosierte. Der Zufluss schwankte zwischen 40 und 200 Litern pro Sekunde und vor der Messstelle befand sich ein Wehr, unter dem sich zwei „Sandbänke“ befanden, die bei hohem Durchfluss erhebliche Mengen Sand freisetzten.

Das Versuchsgerät wurde über dem Zulaufkanal etwa 20 m stromaufwärts (Abbildung 3) der Dosierstelle positioniert und die Probenpumpe befand sich direkt unterhalb des Versuchsgeräts. Das Durchflusssignal wurde von einem vorhandenen Durchflussmesser erhalten. Nach vier Monaten analysierte das System das Rohabwasser zuverlässig auf Orthophosphat und steuerte in Kombination mit dem Zulaufstrom erfolgreich das Dosiersystem. In der Anfangsphase konnte Partech eine Einsparung von etwa 25 % des dosierten Eisens im Vergleich zur täglichen Dosierung nachweisen. Dies wurde später durch die Anpassung des „P zu Fe“-Verhältnisses um weitere 8 % verbessert.

Das Keynsham Sewage Treatment Works von Wessex Water ist ein gepumptes Einlaufwerk mit einem Einwohnergleichwert von 23.000. Es hat einen Gesamtphosphorgehalt von 2 mg/Liter als P und verwendet Eisensulfat, dosiert durch ein Dosiersystem von Michael Smith Engineering Ltd. Ziel des Versuchs war es zu zeigen, dass die Steuerung des Eisendosiersystems durch eine Kombination aus Phosphatgehalt und -fluss einen Kostenvorteil bietet, da die Menge der verwendeten Eisensulfatlösung (12,5 % Fe) reduziert wird.

Am Einlass des Werks nach den Sieben und vor der Eisendosierungsstelle wurde ein Orthophosphat-Überwachungsgerät angebracht. Der Stromausgang (mA) des vorhandenen Durchflussmessers wurde an den Monitor gesendet und in einem PR-Elektronikmodul mit dem Phosphat-mA-Ausgang kombiniert und ein Algorithmus angewendet, um einen einzelnen mA-Ausgang an die Dosiereinheit bereitzustellen.

Der Versuch dauerte 14 Tage, wobei es Zeiträume mit „Kontrolle“ und „keine Kontrolle“ gab. „Keine Kontrolle“ bedeutet, dass die herkömmliche Methode zur Festlegung der Dosis verwendet wird. Mit einem tragbaren Analysegerät wurde der Phosphatgehalt im endgültigen Abwasser gemessen, um die Effizienz des Phosphatentfernungsprozesses zu bewerten und sicherzustellen, dass das Abwasser während des Versuchs den Vorschriften entsprach.

Ursprünglich wurde das Verhältnis von Eisen zu Phosphat so eingestellt, dass die Ausgabe der Versuchseinheit den bestehenden Dosismechanismus nachahmte, d . Zu diesem Zeitpunkt wurde ein tragbares Analysegerät zur Überwachung des endgültigen Abwassers eingerichtet.

Das Versuchsgerät wurde neben dem Zulaufkanal kurz vor der Durchflussmessstelle im Kanal und vor der Dosierstelle installiert. Die Probenpumpe wurde so nah wie möglich an der Versuchseinheit platziert, wobei das Durchflusssignal von einem vorhandenen Durchflussmesser erhalten wurde.

Die Tauchpumpe wurde vom Analysator gesteuert und routinemäßig nur für ca. 10 Minuten betrieben. 90 s pro Analysezyklus. Dies ist ausreichend Zeit, um das Filterelement zu reinigen und den Unterprobenbehälter bis zum Überlaufen zu füllen, bevor der Analysator seine Probe sammelt. Dieser Zyklus ermöglicht die Verwendung einer gefilterten Probe, ohne dass das Filterelement häufiger als einmal in drei Monaten manuell gereinigt werden muss.

Das Endabwasser wurde neben der Probenahmestelle für städtisches Abwasser auf Ammoniak und Orthophosphat überwacht. Die Probe wurde mit einer kleinen peristaltischen Pumpe durch eine ungefilterte Probenleitung in den Probenbehälter gepumpt. Die von diesem System erhaltenen Daten wurden verwendet, um zu überprüfen, dass die am Frontend vorgenommenen Anpassungen keine negativen Auswirkungen auf das Abwasser hatten. Durch den Einsatz des Phosphatanalysators am Zulauf zum Werk könnte es möglich sein, die Eisendosierung vollständig zu stoppen, wenn die eingehende P-Konzentration unter einen bestimmten Wert, z. B. 3 mg/Liter, fällt. Dies würde natürlich ein weiteres Einsparpotenzial mit sich bringen und könnte problemlos in das Dosiersteuerungspaket integriert werden.

Die Kosten für das Partech-Kontrollsystem belaufen sich je nach Standortbedingungen auf etwa 12.000 bis 17.000 £ und eine jährliche Einsparung von 18 % an einem Standort mit einer Chemikaliendosierungsrate von etwa 400 Litern pro Tag Kosten von 50 £ pro Tonne, die Amortisationszeit beträgt weniger als 12 Monate.

Der Einsatz eines „aktiven“ Kontrollsystems am Zulauf eines Werkes kann folgende Auswirkungen haben:

1. Eine strengere und effektivere Steuerung der Chemikalien-Dosierpumpeneinheit mit Reaktion auf routinemäßige und nicht routinemäßige Ereignisse.

2. Die Einsparungen an dosierten Chemikalien werden voraussichtlich im Bereich von 10–40 % liegen, abhängig vom Stand der Arbeiten hinsichtlich der Optimierung.

3. Geringere Wahrscheinlichkeit eines Einwilligungsversagens sowohl für Restchemikalien – Fe oder Al – als auch für Phosphat.

4. Reduzierte Schlammproduktion.

5. Reduziertes Korrosionsrisiko der Arbeiten aufgrund einer Überdosierung von Eisen.

6. Das Kontrollsystem hat eine Amortisationszeit im Verhältnis zur Größe des Werks und der Menge des verwendeten Eisens und dürfte bei einem kleinen Werk nicht praktikabel sein.

Zusammenfassend steht nun eine zuverlässige und robuste Dosiersteuerung für Klärwerke zur Verfügung, die sowohl die Leistung der Dosierpumpe als auch die eingesetzten Chemikalien optimiert.