Kosten minimieren in der - Endress+Hauser

32 CHEMIE PLUS 3-2012 mess-, steuer-, regeltechnik
SCHNELLE MESSUNGEN DER SCHLÜSSELPARAMETER AMMONIUM UND NITRAT
Kosten minimieren in der
Abwasserreinigung
Die Parameter Ammonium und Nitrat sind die Schlüsselparameter der biologischen Abwasseraufbereitung. Mit ihnen
lassen sich die Prozesse der Nitrifikation und Denitrifikation optimieren und Betriebs-, aber auch zukünftige
Investitionskosten einsparen. Beide Parameter können jetzt mit dem ionen-selektiven Sensor ISEmax CAS40D auf Basis
der neuen Analyseplattform mit Memosens-Technologie für die Regelung genutzt werden.
I
n der Abwasserreinigung geht nur noch
beides zusammen: hohe Anforderungen
an die Qualität der Reinigung einhalten und
gleichzeitig die Kosten minimieren. Das bedeutet,
Reserven schaffen und sie gleichzeitig
wieder einsparen zu müssen. Der aus
diesem Widerspruch entstehende Handlungsdruck
erfordert variable Lösungen,
mittels bauvolumenneutraler Regelungstechnik
beiden Anforderungen gerecht zu
werden, und führt konsequenterweise zu
einer Dynamisierung ursprünglich statisch
geplanter Anlagen. Für den Schlüsselprozess
der Stickstoffelimination heisst dies,
dass auch bislang permanent belüftete Zonen
im schnellen Wechsel intermittierend
gefahren werden.
Grafik 1: Beispiel einer intermittierenden Belebungsanlage mit festen Intervallen für die anoxische und aerobe
Phase.
Energieersparnis in der Belebung
Der Vorteil der schnellen Verfahren ist eine
geringere Schwankungsbreite der Messwerte.
Je kürzer der Zeitintervall für den Zyklus
anoxisch-aerob gewählt wird, desto geringer
fallen die Anstiege von Ammonium in der
anoxischen und Nitrat in der aeroben Phase
aus, und der Verlauf der Ammonium- und
Grafik 2: Niedrigere NH4-N-Ablaufwerte bei Belastungsspitzen mit der Regelung auf Basis ionenselektiver Messungen
der Parameter NH4 und NO3 im Vergleich zur ungeregelten Vergleichsstrasse. Grün: NH4-Regelung von
E+H; Blau: O2-Regelung E+H; Rot: NH4 -Vergleichsstrasse mit festen Zeitvorgaben; Gelb: O2-Vergleichsstrasse.
Nitratwerte wird vergleichmässigt. Begrenzt
wird dies durch das Belüftungssystem, den
Sauerstoffeintrag und die Sauerstoffzehrung,
also von den Zeiten, die das System
benötigt, von anoxischen zu aeroben Verhältnissen
zu wechseln und umgekehrt. Ziel
dabei ist es, die aerobe Phase so kurz wie
möglich zu halten. Mit starr gewählten Zeitintervallen
ist diese Vorgehensweise jedoch
nicht ungefährlich, wie nachfolgendes Beispiel
zeigt.
In Grafik 1 ist ein typisches Beispiel einer
Anlage mit intermittierender Fahrweise mit
fest eingestellten, starren Zeitinterwallen
dargestellt. Die Grafik links zeigt die normalen
Verhältnisse, auf die das System eingestellt
wurde, mit den typischen gegenläufigen
Kurven für Ammonium und Nitrat in
den anoxischen und aeroben Phasen, und
niedrigen Werten für beide Parameter. In
der Grafik rechts werden, ausgehend von
einer ähnlichen Ausgangssituation, die Auswirkungen
eines Ammoniumstosses, z. B.
verursacht durch Zentratwasser, sichtbar.
Das starre System kann auf die Stossbelastung
nicht reagieren. Die Nitratwerte bleiben
weiter niedrig, die Ammoniumbelas-

mess-, steuer-, regeltechnik CHEMIE PLUS 3-2012 33
Ionenselektive Sonde Isemax CAS40D
Alle Vorteile der neuen Plattform rund um den Messumformer Liquiline CM442 können jetzt für die
ionenselektive Ammonium- und Nitratmessung genutzt werden:
■ Dank Memosens-Protokoll werden nicht nur gleichzeitig an einem Eingang alle fünf Parameter –
Ammonium, Nitrat, zusätzlich Kalium oder Chlorid, falls erforderlich, und pH, Temperatur –
übertragen, sondern alle im Sensor gespeicherten Lebenszyklusdaten des eingesetzten Sensors
mit übermittelt.
■ Hot Plug & Play – der komplette Sensor meldet sich im laufenden Betrieb völlig selbstständig
mit allen enthaltenen Elektroden an; keinerlei zusätzliche Eingaben oder ein erneutes Hochfahren
des Messumformers sind nötig; die Messungen sind sofort betriebsbereit.
■ Einfaches Handling, selbsterklärende Menüstrukturen erleichtern das intuitive, unkomplizierte
Arbeiten mit der Sonde.
■ Schnelle Kalibrierung quasi per Knopfdruck, im Becken anhand von Vergleichsproben (Probenkalibrierung)
oder auch mit aufwendigeren Methoden, wie mit Standardaddition oder Mehrpunktkalibrierung.
■ Parametersicherung, Datenspeicherung über Logbücher und Sicherung auf SD-Karte.
■ Flexible modulare Erweiterbarkeit der Messstelle; nächster Erweiterungsschritt ist der Ausbau
auf 4 bis 8 Kanäle, Kommunikationsschnittstellen, Regelbausteine etc.
■ Einfacher Anschluss der Sonde über M12-Stecker.
■ Direkter Anschluss der Sonde an die neuen Probenehmer Liquistation und Liquiport 2010.
tung schlägt durch. Die statische Aufteilung
der anoxischen und aeroben Zeitintervalle
wie in Grafik 1 ist unbefriedigend. Will man
das Risiko durchschlagender Ablaufspitzen
vermeiden, müssen Reserven für die aerobe
Phase eingeplant werden, die alle Energieersparnis
zunichte machen. Oder die einzelnen
Phasen werden dynamisch der jeweiligen
Situation angepasst, das heisst, sie richten
sich nach den jeweiligen Ammoniumund
Nitratkonzentrationen im Becken. In
diesem Fall werden für beide Parameter
schnelle und kontinuierliche Messungen benötigt.
Schnelle ionenselektive Messung von NH4
und NO3 erlaubt wirkungsvolle Kontrolle
Schnelle und kontinuierliche Messverfahren
sind gefragt, mit denen sich dynamische
Verläufe beider Parameter NH 4 und NO 3
klar darstellen lassen. Optische Messverfahren,
mit denen allein der Nitratwert direkt
Tauchsonde Isemax
CAS40D als Halter für
1–3 ionenselektive
Messelektroden, pHund
Temperaturmessung,
in der Mitte
Druckluftreinigung.
gemessen werden kann, reichen hierfür
nicht aus. Die NH 4-Messung im Analyzer
mit nasschemischen photometrischen Verfahren
ist für eine Regelung schneller Systeme
nicht geeignet. Grund sind die langen
Totzeiten von rund 15–25 Minuten durch
Probenaufbereitung und die Messzyklen im
Analyzer. Kürzere Messzyklen führen zu
stark ansteigenden Betriebs- und Wartungskosten
der Analyzer.
Erst die schnellen und kontinuierlichen ionenselektiven
Messungen erlauben die Einbeziehung
beider Parameter NH 4 und NO 3
in leistungsfähige Steuer- und Regelstrategien
intermittierender Systeme. So wurden
auch die oben gezeigten Verläufe mit ionenselektiven
Elektroden aufgezeichnet.
Das Messverfahren ist inzwischen längst
praxiserprobt, zuverlässig und einfach zu
handhaben (siehe Kasten). Es arbeitet mit
ionenselektiven Membranen, die nur selektiv
das zu messende Ion aufnehmen. Ähnlich
wie bei der pH-Messung mit Glaselektroden
wird in Abhängigkeit der Ionenkonzentration
die Potentialdifferenz zu einer Referenzelektrode
gemessen. Auch die Handhabung
ist ähnlich wie bei den auf Kläranlagen
hinlänglich bekannten pH-Messungen.
Damit ist die Messung bekanntermassen
wartungsarm, kann direkt im Becken ohne
Probenaufbereitung eingesetzt werden und
benötigt kaum Verbrauchsmittel. Zudem
sind sie im Vergleich zu anderen Messverfahren
deutlich kostengünstiger. So lassen
sich die anwendungsspezifischen Vorteile
der ionenselektiven Messung bereits in kleineren
Anlagen für eine wirksame Energieoptimierung
nutzen.
Einfache Bedienung mit dem Liquiline CM442 über
Hot Plug & Play.
Die Belebung im Griff
Die Grafik 2 zeigt, wie eine dynamische Regelung
auf Basis der NH 4- und O 2-Werte auf
eine NH 4-Spitze reagieren kann. Zu sehen
sind die Verläufe für Ammonium und Sauerstoff
in einer Anlage mit zwei parallelen
Strassen über einen Zeitraum mit hohen
Ammoniumbelastungen durch Zentratwasser.
Eine Strasse wird über ionenselektive
Messung der Ammonium- und Nitratkonzentration
geregelt, die andere als Vergleichsstrasse
mit starren Zeitintervallen. In
der dargestellten, von Endress+Hauser entwickelten
Regelung wird nicht nur die zeitliche
Aufteilung von anoxischen und aeroben
Phasen zur Regelung des NH 4-Wertes
dynamisch angepasst, sondern auch der
Sauerstoffsollwert in der aeroben Phase belastungsabhängig
über die gemessene Steigung
der NH 4-Werte variiert. Die Effektivität
der Regelung fällt sofort ins Auge: mit Regelung
ist der Anstieg der NH 4-Werte wesentlich
geringer, und die Anlage ist deutlich
früher wieder im normalen Arbeitsbereich.
Mit den Parametern NH 4 und NO 3 kann die
biologische Stufe optimal kontrolliert werden.
Die schnellen ionenselektiven Messungen
legen bei den heute meist gewählten intermittierenden
Belüftungsstrategien die Basis
für eine energetische Optimierung der
Stufe. Durch den sehr flexiblen, gegeneinander
austauschbaren und erweiterbaren Einsatz
der Messungen und durch die einfache
Bedienung aller Geräte mit der neuen Analyse-Plattform
lassen sich Massnahmen
schnell umsetzen und erhebliche Kosten im
laufenden Betrieb einsparen.
Endress + Hauser Metso AG
CH-4153 Reinach
Telefon 061 715 75 75
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