Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Bei der Abwasserreinigung in Kl\u00e4ranlagen f\u00e4llt Kl\u00e4rschlamm an, welcher kostenaufwendig entsorgt werden muss. Eines der Hauptverfahren ist die Entw\u00e4sserung des Schlammes.
\nUnter Zugabe von polymeren Flockungsmitteln entsteht ein Flocken-Wasser-Gemisch. Dieses wird in diesem Fall im Zentrifugalfeld von Dekanterzentrifugen getrennt.
\nDie Einmischung von Flockungsmitteln wird durch die von awama entwickelte Automatische Mehrfachflockung (AMF) unterst\u00fctzt und stellt den Stand der Technik bei der Optimierung der Kl\u00e4rschlammkonditionierung dar.
\nDa in der Dekanterzentrifuge eine hohe Zentrifugalbeschleunigung wirkt, werden auf die Flocken erhebliche Kr\u00e4fte ausge\u00fcbt. Eine gleichm\u00e4\u00dfige Flockeneigenschaft ist von entscheidender Bedeutung – u.a. f\u00fcr die Qualit\u00e4t der Entw\u00e4sserung. Die Flockeneigenschaften werden laufend durch die Automatisierung der AMF \u00fcberwacht und bei Bedarf wird nachgeregelt.
\nDie zu entw\u00e4ssernden Schl\u00e4mme unterscheiden sich u.A. durch ihre Herkunft (z.B. durch ein anderes Verfahren zur Abwasser- und Schlammbehandlung) sowie variierende Inhaltsstoffe. Dadurch \u00e4ndern sich ihre Beschaffenheit und somit ihr Reaktionsverhalten gegen\u00fcber Flockungsmitteln. Daher ist eine permanente und automatisierte Anpassung der Flockungsmittelmenge notwendig.
\nIn der Praxis ist der Anlagenbetreiber f\u00fcr diese komplexe Aufgabe zust\u00e4ndig. Je nach m\u00f6glichem Personaleinsatz und vorhandener Anlagentechnik ist dies mehr oder weniger umsetzbar. Die derzeitige Praxis zeigt, dass die Ergebnisse oft eine \u00dcberdosierung oder eine Unterdosierung von Flockungsmittel ist. Die Entw\u00e4sserung wird entweder manuell oder mit ungenauen Sensorwerten bestimmt wird.
\nDiese \u00dcberdosierung und Unterdosierungen zu vermeiden, ist eines der wesentlichen Ziele der Automatisierung. Die AMF l\u00f6st das Problem, die Schlammkonditionierung automatisch im optimalen Bereich zu halten. Auf Basis von Prognosewerten kann die Entw\u00e4sserung sicher und vollautomatisch betrieben werden. Nach der Flockung liegen konstante bzw gute Entw\u00e4sserungseigenschaften vor. Je nach Zielsetzung von Kl\u00e4ranlage oder Abnehmer des Kl\u00e4rschlammes k\u00f6nnen hohe Entw\u00e4sserungsergebnisse oder Einsparungen von Flockungsmittel im Vordergrund stehen.
\nZur Sicherstellung der Qualit\u00e4t ist ein intelligenter Flitrat- bzw. Zentratsensor (ZS) erforderlich um auch das Entw\u00e4sserungsaggregat im Blick zu behalten. Dadurch ergeben sich weitere Eingriffsm\u00f6glichkeiten zus\u00e4tzlich zur Schlammkonditionierung.
\nAls Kooperationspartner f\u00fcr dieses Projekt waren die Kl\u00e4ranlage Wolfenb\u00fcttel mit Begleitung von Masterarbeiten an der TU Clausthal, der TU Braunschweig, HS Bremen, und weiteren geplant.
\nZielsetzung f\u00fcr dieses Projekt:
\n–Entwicklung und Erprobung verschiedener Regelungsstrategien f\u00fcr den Zentrifugenbetrieb
\n–Einflie\u00dfen der Erfahrungen in ein Automatisierungskonzept
\n–Konzeptionierung eines Prognosetools zur Unterst\u00fctzung des Bedienungspersonals, welches ggf. Vorschl\u00e4ge \u00fcbergeordnet vergeben kann
\nErwartungen an das Projekt:
\n1. je Regelungskonzept eine Reduzierung der polymeren Flockungsmittel um bis zu 25 – 35 %
\n2. Minimierung der Umweltemission \u00fcbersch\u00fcssiger polymerer Flockungsmittel \u00fcber den Abwasserpfad
\n3. Minimierung der CO2-Emissionen aufgrund eines 0,5 bis 1 %-Punkte h\u00f6heren Trockenr\u00fcckstandes (TR) im entw\u00e4sserten Schlamm
\n4. Verringerung der Belastung der Abwasserbehandlung durch eine hohe Entw\u00e4sserungsqualit\u00e4t (sauberes Filtrat bzw. Zentrat)
\nEine genaue Bilanzierung der Stoff- und Energiestr\u00f6me sowie eine Quantifizierung der Umweltentlastung f\u00fcr die o.g. Punkte soll im Rahmen des Projektes experimentell untersucht und in Form von CO2-\u00c4quivalenten ermittelt werden. Zur Erreichung dieser Ziele wird beabsichtigt, auf Basis des eigenen Prognosesensors einen “Zentratsensor” zu entwickeln.
\nDieser Prototyp soll in der Kl\u00e4ranlage Wolfenb\u00fcttel in Kombination mit der bestehenden AMF getestet werden. Es sind verschiedene Regelungsstrategien f\u00fcr den Zentrifugen-Betrieb zu entwickeln und erproben. Die Erfahrungen sollen in ein Automatisierungs-konzept aber auch in ein Prognosetool zur Unterst\u00fctzung des Bedienungspersonals einflie\u00dfen, welches ggf. die Vorschl\u00e4ge \u00fcbergeordnet bewerten und entsprechend entscheiden kann. <\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Umsetzung des Vorhabens gliedert sich in mehrere Arbeitspakete, welche im Folgenden kurz erl\u00e4utert werden.
\nAP 1 \u2013Sensorkonzeptionierung, Design und Konstruktion
\nIm ersten Arbeitspaket wird das Sensorkonzeptes ausgearbeitet. Ein Engineeringprozess erm\u00f6glicht das Design und die Konstruktion des Sensors unter Ber\u00fccksichtigung der lokalen Gegebenheiten. Mithilfe von Informationen eines Modells wird ein Prototyp gefertigt.
\nAP 2 \u2013 Validierung der technischen Funktionsf\u00e4higkeit
\nDie Validierung der technischen Funktionsf\u00e4higkeit des Zentratsensors wird mit Hilfe eines Referenzproduktes vorgenommen. Bereits hier sind Optimierungspotentiale in der Software, der Konstruktion oder den Einstellungen erkennbar bzw. notwendig zur sp\u00e4teren Umsetzung. Die Einsatzf\u00e4higkeit des Zentratsensors mit der AMF wird softwareseitig vorbereitet.
\nAP 3 \u2013 Ausarbeitung des Versuchsprogramms
\nHierdurch wird der effizienten Messaufbau f\u00fcr jede der einzelnen Versuchsphasen vor. Hier wird die Methode der Relativmessung genutzt. Dabei h\u00e4lt man f\u00fcr einen Messtag alle Randbedingungen fix bis auf eine Variable. Diese wird ohne Bestimmung der anderen Randbedingungen in ihrer relativen Ver\u00e4nderung beobachtet. Desweiteren sind \u00fcber einen relativ kurzen Zeitraum eine gro\u00dfe Menge an Messdaten zu generieren. Das Vorgehen beruhte dabei weniger auf die Qualit\u00e4t als auf die Quantit\u00e4t von Messdaten. Mit der gro\u00dfen Datenmenge kann eine hohe Messgenauigkeit trotz instabiler Randbedingungen erreicht werden.
\nAP 4 \u2013 Planungsarbeiten zur technischen Umsetzung
\nMit Hilfe des Engineerings und der geplanten Versuchsanordnung beginnen die Planungsarbeiten zur technischen Umsetzung. Die Abstimmung der Schnittstellen zum Anwendungspartner sowie die Abstimmung der Bauma\u00dfnahmen und Versuchsdurchf\u00fchrungen sind Kernbestandteil des Arbeitspaketes.
\nDamit die CE-Zertifizierung der nun neu angeschlossenen Anlage nicht erlischt, wurde eine Risikobeurteilung nach der Maschinenrichtlinie hinzugef\u00fcgt.
\nAP 5 \u2013 Umbau \/ Erweiterung \/ Inbetriebnahme
\nDer Umbau und die Inbetriebnahme des Zentratsensors beginnt erg\u00e4nzend zur AMF. Eine ordnungsgem\u00e4\u00dfe Einbindung verhindert Betriebsst\u00f6rungen und stellt die geplanten Probenahmen sicher.
\nAP 6 und 7 \u2013 Entwicklung und Erprobung der Steuerung
\nVor dem automatischen Betrieb wird die Entwicklung (AP 6) der Steuerungssoftware geplant. So soll der Sensor in der Lage sein die verschiedenen Regelungsstrategien umzusetzen. [F\u00fcr die Automatisierung sind entsprechende Soll- und Istwerte f\u00fcr den Zentrifugenbetrieb zu ermitteln, bereitzustellen und zu ber\u00fccksichtigen. Eine erste grunds\u00e4tzliche Konzeptionierung kann noch im manuellen Betrieb erprobt werden. Hierdurch werden Funktionszusammenh\u00e4nge zwischen Sensorsignalen und Zentrifugenparametern dokumentiert und ausgewertet und k\u00f6nnen in die Regelungskonzepte einwirken.]
\nF\u00fcr die Automatisierung wurden entsprechende Sollwerte f\u00fcr den Zentri-fugenbetrieb ermittelt. Das Lesen und Bereitstellen der Werte ist abh\u00e4n-gig von der Umsetzung durch den Zentrifugenhersteller.
\nNach Abschluss der Entwicklung, erfolgen die Pilotversuche (AP 7) mit der Steuerungssoftware. Die mehrmonatige Versuchsphase soll jeweils die Wirkung des Regelkonzepts auf die Entw\u00e4sserungsergebnisse quantitativ verifizieren.
\nVor der Durchf\u00fchrung der Versuchsreihen, ist anhand umfassender Sen-sorsignalauswertungen \u00fcber einen mehrw\u00f6chigen Zeitraum zu pr\u00fcfen und sicherzustellen, dass keine Betriebszust\u00e4nde auftreten k\u00f6nnen, welche eine unstetige \u00dcberstr\u00f6mung des Schauglases zur Folge haben k\u00f6nnten, wodurch sich die Sensor-Messqualit\u00e4t verschlechtern w\u00fcrde.
\nAbschnitt 8 – Bewertung der Versuchsergebnisse
\nDie Bewertung der Versuchsergebnisse \u00fcberschneiden sich zeitlich mit den Versuchen aus AP 7. Eine Auswertung erfolgt in technischer, wirtschaftlicher und \u00f6kologischer Hinsicht. <\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Wie der Antrag schon skizzierte, soll der Anlagenbediener unterst\u00fctzt werden. Die Automatisierung unterst\u00fctzt das Bedienpersonal. Es sollte erkennbar sein, wann die Qualit\u00e4t der Entw\u00e4sserung nachl\u00e4sst. Zu diesem Zweck k\u00f6nnen Grenzwerte in der Software hinterlegt werden. Die sehr hohe Messgenauigkeit erm\u00f6glicht eine feine Abstufung.
\nDurch die Weitergabe der Informationen an den Anlagenbetreiber k\u00f6nnen Flockungsmittel eingespart ebenso wie das Entw\u00e4sserungsergebnis erh\u00f6ht werden. Es muss nicht immer das beste Zentrat sein, wenn daf\u00fcr \u00fcberproportional viel FM; eingesetzt werden m\u00fcsste, denn polymere Flockungsmittel werden aus fossilen Rohstoffen aufwendig synthetisiert.
\nInsgesamt sind drei verschiedene Zentrifugensteuerungskonzepte bzw. Automatisierungsziele denkbar:
\n1. f\u00fcr konstante TR-Werte
\n2. f\u00fcr maximale TR-Werte
\n3. f\u00fcr optimale Zentratwerte
\nInsgesamt sind drei Steuerungskonzepte (SK) entwickelt worden.
\nEin konstanter TR-Wert l\u00e4sst sich durch Regelung hin zu einen konstanten Sensorsignal einstellen. Um einen maximalen TR-Entw\u00e4ssert zu erreichen, wird die dazu ben\u00f6tigte Polymerdosis mithilfe des Sensorsignals fortlaufend nachgeregelt. Werden die Sensorsollwerte nicht erreicht, so wirkt sich dies unmittelbar auf die Zentrifugen-Betriebsparameter aus.
\nDie Werte f\u00fcr Drehmoment und Differenzdrehzahl sinken, was zu einer Herabsetzung der Entw\u00e4sserungsleistung (TR-Entw\u00e4ssert nimmt ab) und des Abscheidegrads (Feststoffgehalt im Zentrat steigt an) f\u00fchrt. F\u00fcr den Fall, dass Zentrifugenparameter nicht optimal eingestellt sind (z.B. durch manuellen Eingriff), kann dies trotz gut entw\u00e4sserbarer Schlammflocken zu einem erh\u00f6hten Abscheidegrad f\u00fchren. Mithilfe des Zentratsensors wird der Abscheidegrad \u00fcberwacht und als Regelwert der Steuerung zur Verf\u00fcgung gestellt, so dass entspre-chend nachjustiert werden kann. Die Funktionszusammenh\u00e4nge zwischen Sensorsignalen und Zentrifugenparametern konnten somit erfolgreich ermittelt werden.
\nDer Zentratsensor kann die Grenze der Kennlinie bzw. das Kennfeld zum Umschlagspunkt zu unzul\u00e4ssigen Zentratwerten bestimmen. Zudem soll es m\u00f6glich sein die Zentratbelastung zu messen und so auch gew\u00fcnschte schlechtere Abscheidegrade zuzulassen, z.B. 100% – 95% einstellbar.
\nDa sich die Zentratbelastung dabei noch im zul\u00e4ssigen Bereich befindet aber der Entw\u00e4sserungswert erh\u00f6ht ist, ist eine Reduktion des unn\u00f6tig transportierten und kostspielig entsorgten Wassers im entw\u00e4sserten Kl\u00e4rschlamms m\u00f6glich.
\nAus den praktischen Versuchen hat sich durch den zeitlichen Aufwand der Grundzusammenh\u00e4nge in Verbindung mit dem Zentratsensor leider keine praktische Umsetzung der ausgearbeiteten Konzepte mehr ergeben.
\nTrotzdem lassen sich anhand der gesammelten Erfahrungen die Konzepte nun besser auf ihre Wirkung hin \u00fcberpr\u00fcfen. Anhand von Randparametern wird versucht abzusch\u00e4tzen welchen Erfolg das eine oder andere Konzept erzielen kann.
\nDie Regelungskonzepte k\u00f6nnen aber nur rein theoretisch in Zusammenhang mit ihrem Nutzen gebracht werden, da die M\u00f6glichkeit f\u00fcr einen Dauerbetrieb mit den jeweiligen Konzepten im Vergleich zur konventionellen Fahrweise aus bestimmten Gr\u00fcnden schwierig umzusetzen gewesen w\u00e4re.
\nDie Optimierungen und m\u00f6glichen Einsparungen bzw. vermiedenen Zentratbelastungen k\u00f6nnen hier nur empirisch bewertet werden. Ein kontinuierlicher Vergleichsbetrieb war in dem Projekt mehr nicht m\u00f6glich.
\nDer Personalaufwand zur fortlaufenden manuellen Anpassung der Entw\u00e4sserung im Vergleich zur vollautomatisiert geplanten Entw\u00e4sserung entspricht ca. 1-2 Vollzeitstellen in der Entw\u00e4sserungshalle.
\nDie urspr\u00fcngliche Zielsetzung, dass der Zentratsensor eine Optimierung der AMF darstellt, ist vollst\u00e4ndig gegeben. Der Sensor tr\u00e4gt einen guten Anteil zur Verbesserung der Energieeffizienz bei, wodurch Gas und Strom eingespart und energetische Abh\u00e4ngigkeiten reduziert werden. Anhand des ermittelten Zentrifugenkennfeldes lie\u00df sich zeigen, dass der Zentratsensor auch bei den neuesten Entw\u00e4sserungsmaschinen noch erhebliche Optimieriungspotentiale aufzeigt. <\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Aufgrund pandemiebedigter Verz\u00f6gerungen und Zugangsbeschr\u00e4nkungen konnten Teile vom Abschnitt 6 mit dem Versuchsstand im Technikum durchgef\u00fchrt werden. Die dazu ben\u00f6tigten Betriebsmedien sind auf der Kl\u00e4ranlage beprobt worden. Die in Abschnitt 6 entwickelten Steuerungskonzepte (1 bis 3) sind im Rahmen dreimonatiger Pilotversuche getestet und optimiert worden.
\nDurch den Wechsel der Kl\u00e4ranlage mussten einige Anpassungen in vorangegangenen Arbeitsabschnitten vorgenommen werden. Zudem hat sich w\u00e4hrend des Projektes eine \u00c4nderung in der Projektverantwortlichkeit ergeben.
\nDie in der Abwassertechnik eingesetzten polymeren Flockungsmittel bestehen \u00fcberwiegend aus Polyacrylamiden. Sind eine Form von Mikroplastik, gef\u00e4hrden die Umwelt und stellen f\u00fcr die Abwasserbehandlung einen erheblichen Kostenfaktor dar. Acrylamide gelten zudem als potenziell kanzerogen, weshalb deren Emission nach dem (gesundheitlichen) Vorsorgeprinzip grunds\u00e4tzlich minimiert werden sollte.
\nDem Umweltgef\u00e4hrdungspotential der polymeren Flockungsmittel wird \u00fcber die neue D\u00fcngemittelverordnung (D\u00fcV) Rechnung getragen. So wird z.B. die Ausbringung auf die Felder reglementiert. F\u00fcr den Verbrauch an Flockungsmitteln gibt es jedoch auch nach der novellierten Kl\u00e4rschlammverordnung (AbfKl\u00e4rV), mit Ausnahme der landwirtschaftlichen Verwertung, keine gesetzlichen Grenzwerte.
\nDie Automatisierung erlaubt es auch eine schlechtere Entw\u00e4ssengsqualit\u00e4t zuzulassen und damit polymere Flockungsmittel (pFM) einzusparen. Je nach Reinigungsleistung der Kl\u00e4ranlage kann bewusst zu wenig pFM eingesetzt werden. Die Vorteile des Messkonzeptes durch AMF und Zentratsensor sollen zudem f\u00fcr die Bewertung der Umweltauswirkungen betrachtet werden.
\nDar\u00fcber hinaus werden die Kosten f\u00fcr Kl\u00e4ranlagen durch eine geringere Dosierung von pFM gesenkt. H\u00f6here Mengen an pFM brauchen nur in Zeiten verwendet werden, in denen eine Kl\u00e4ranlage weniger freie Kapazit\u00e4t hat. <\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die in diesem Projekt geplante und umgesetzte Erweiterung der AMF basiert auf der Notwendigkeit, Betriebsparameter von Zentrifugendekantern anzupassen und zu optimieren. Flockung und Entw\u00e4sserung m\u00fcssen aufeinander abgestimmt sein.
\nAnhand der Messergebnisse ist zu erkennen, welche Nachteile konventionelle Regelstrategien haben. Die Abweichungen der klassischen Sensordaten vom Istwert k\u00f6nnen, trotz technisch neuester Technik, nicht ausgeglichen werden.
\nZudem w\u00e4re der Betreuungsaufwand f\u00fcr einen manuellen Ausgleich von Schwankungen in der konventionellen Entw\u00e4sserung enorm.
\nDas neue Messsystem stellt direkt die Ver\u00e4nderungen der Schlamm- und Zentrat- sowie der Polymereigenschaften fest, ohne auf klassische Messtechnik zur\u00fcck zu greifen. Erst eine intelligente Sensorik erm\u00f6glicht es bekannte Ungenauigkeiten von Funktionsgruppen und -einheiten auszugleichen.
\nDie Aufgabe der Automatisierung ist der Ausgleich der Abweichungen und Schwankungen. Neben der Flockung sind nun auch die Betriebsparameter f\u00fcr die Zentrifuge Teil der Automatisierungsstrategie. Dadurch kann die gesamte Prozesskette der Schlammentw\u00e4sserung optimiert werden.
\nMit dem entwickelten System lassen sich zeitlich vorgegebene Kosten oder Qualit\u00e4tsanforderungen f\u00fcr den entw\u00e4sserten Schlamm einbinden, und entsprechende Regelstrategien f\u00fcr eine stabile Entw\u00e4sserung umsetzen. Das Fehlen an geeigneter Sensorik verhinderte bisher, dass derartige anspruchsvolle Regelkonzepte in der Praxis entsprechend umgesetzt werden konnten. Die nun entwickelten Algorithmen und Messtechniken k\u00f6nnen diese L\u00fccke schlie\u00dfen.
\nF\u00fcr eine Marktreife ist nun noch die Robustheit des Systems zu erh\u00f6hen. F\u00fcr einen stabilen Dauereinsatz in der Praxis sind ggf. noch Optimierungen der Software und der Konstruktion erforderlich. Die Messtechnik soll damit unempfindlicher gegen\u00fcber St\u00f6reinfl\u00fcssen wie z.B. Vibrationen werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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