Projekt 35500/32

Digitalisierung und Optimierung des Zentrifugendekanterbetriebs in Kombination mit einer Automatisierten Mehrfachen Flockung

Projektdurchführung

Zielsetzung

Bei der Abwasserreinigung in Kläranlagen fällt Klärschlamm an, welcher kostenaufwendig entsorgt werden muss. Eines der Hauptverfahren ist die Entwässerung des Schlammes.
Unter Zugabe von polymeren Flockungsmitteln entsteht ein Flocken-Wasser-Gemisch. Dieses wird in diesem Fall im Zentrifugalfeld von Dekanterzentrifugen getrennt.

Die Einmischung von Flockungsmitteln wird durch die von awama entwickelte Automatische Mehrfachflockung (AMF) unterstützt und stellt den Stand der Technik bei der Optimierung der Klärschlammkonditionierung dar.

Da in der Dekanterzentrifuge eine hohe Zentrifugalbeschleunigung wirkt, werden auf die Flocken erhebliche Kräfte ausgeübt. Eine gleichmäßige Flockeneigenschaft ist von entscheidender Bedeutung - u.a. für die Qualität der Entwässerung. Die Flockeneigenschaften werden laufend durch die Automatisierung der AMF überwacht und bei Bedarf wird nachgeregelt.

Die zu entwässernden Schlämme unterscheiden sich u.A. durch ihre Herkunft (z.B. durch ein anderes Verfahren zur Abwasser- und Schlammbehandlung) sowie variierende Inhaltsstoffe. Dadurch ändern sich ihre Beschaffenheit und somit ihr Reaktionsverhalten gegenüber Flockungsmitteln. Daher ist eine permanente und automatisierte Anpassung der Flockungsmittelmenge notwendig.

In der Praxis ist der Anlagenbetreiber für diese komplexe Aufgabe zuständig. Je nach möglichem Personaleinsatz und vorhandener Anlagentechnik ist dies mehr oder weniger umsetzbar. Die derzeitige Praxis zeigt, dass die Ergebnis oft eine Überdosierung oder eine Unterdosierung von Flockungsmittel ist. Die Entwässerung wird entweder manuell oder mit ungenauen Sensorwerten bestimmt wird.

Diese Überdosierung und Unterdosierungen zu vermeiden, ist eines der wesentlichen Ziele der Automatisierung. Die AMF löst das Problem, die Schlammkonditionierung automatisch im optimalen Bereich zu halten. Auf Basis von Prognosewerten kann die Entwässerung sicher und vollautomatisch betrieben werden. Nach der Flockung liegen konstante bzw gute Entwässerungseigenschaften vor. Je nach Zielsetzung von Kläranlage oder Abnehmer des Klärschlammes können hohe Entwässerungsergebnisse oder Einsparungen von Flockungsmittel im Vordergrund stehen.

Zur Sicherstellung der Qualität ist ein intelligenter Flitrat- bzw. Zentratsensor (ZS) erforderlich um auch das Entwässerungsaggregat im Blick zu behalten. Dadurch ergeben sich weitere Eingriffsmöglichkeiten zusätzlich zur Schlammkonditionierung.

Als Kooperationspartner für dieses Projekt waren die Kläranlage Wolfenbüttel mit Begleitung von Masterarbeiten an der TU Clausthal, der TU Braunschweig, HS Bremen, und weiteren geplant.

Zielsetzung für dieses Projekt:
--Entwicklung und Erprobung verschiedener Regelungsstrategien für den Zentrifugenbetrieb
--Einfließen der Erfahrungen in ein Automatisierungskonzept
--Konzeptionierung eines Prognosetools zur Unterstützung des Bedienungspersonals, welches ggf. Vorschläge übergeordnet vergeben kann

Erwartungen an das Projekt:
1. je Regelungskonzept eine Reduzierung der polymeren Flockungsmittel um bis zu 25 - 35 %
2. Minimierung der Umweltemission überschüssiger polymerer Flockungsmittel über den Abwasserpfad
3. Minimierung der CO2-Emissionen aufgrund eines 0,5 bis 1 %-Punkte höheren Trockenrückstandes (TR) im entwässerten Schlamm
4. Verringerung der Belastung der Abwasserbehandlung durch eine hohe Entwässerungsqualität (sauberes Filtrat bzw. Zentrat)

Eine genaue Bilanzierung der Stoff- und Energieströme sowie eine Quantifizierung der Umweltentlastung für die o.g. Punkte soll im Rahmen des Projektes experimentell untersucht und in Form von CO2-Äquivalenten ermittelt werden. Zur Erreichung dieser Ziele wird beabsichtigt, auf Basis des eigenen Prognosesensors einen „Zentratsensor“ zu entwickeln.

Dieser Prototyp soll in der Kläranlage Wolfenbüttel in Kombination mit der bestehenden AMF getestet werden. Es sind verschiedene Regelungsstrategien für den Zentrifugen-Betrieb zu entwickeln und erproben. Die Erfahrungen sollen in ein Automatisierungs-konzept aber auch in ein Prognosetool zur Unterstützung des Bedienungspersonals einfließen, welches ggf. die Vorschläge übergeordnet bewerten und entsprechend entscheiden kann.

Arbeitsschritte

Die Umsetzung des Vorhabens gliedert sich in mehrere Arbeitspakete, welche im Folgenden kurz erläutert werden.

AP 1 –Sensorkonzeptionierung, Design und Konstruktion
Im ersten Arbeitspaket wird das Sensorkonzeptes ausgearbeitet. Ein Engineeringprozess ermöglicht das Design und die Konstruktion des Sensors unter Berücksichtigung der lokalen Gegebenheiten. Mithilfe von Informationen eines Modells wird ein Prototyp gefertigt.

AP 2 – Validierung der technischen Funktionsfähigkeit
Die Validierung der technischen Funktionsfähigkeit des Zentratsensors wird mit Hilfe eines Referenzproduktes vorgenommen. Bereits hier sind Optimierungspotentiale in der Software, der Konstruktion oder den Einstellungen erkennbar bzw. notwendig zur späteren Umsetzung. Die Einsatzfähigkeit des Zentratsensors mit der AMF wird softwareseitig vorbereitet.

AP 3 – Ausarbeitung des Versuchsprogramms
Hierdurch wird der effizienten Messaufbau für jede der einzelnen Versuchsphasen vor. Hier wird die Methode der Relativmessung genutzt. Dabei hält man für einen Messtag alle Randbedingungen fix bis auf eine Variable. Diese wird ohne Bestimmung der anderen Randbedingungen in ihrer relativen Veränderung beobachtet. Desweiteren sind über einen relativ kurzen Zeitraum eine große Menge an Messdaten zu generieren. Das Vorgehen beruhte dabei weniger auf die Qualität als auf die Quantität von Messdaten. Mit der großen Datenmenge kann eine hohe Messgenauigkeit trotz instabiler Randbedingungen erreicht werden.

AP 4 – Planungsarbeiten zur technischen Umsetzung
Mit Hilfe des Engineerings und der geplanten Versuchsanordnung beginnen die Planungsarbeiten zur technischen Umsetzung. Die Abstimmung der Schnittstellen zum Anwendungspartner sowie die Abstimmung der Baumaßnahmen und Versuchsdurchführungen sind Kernbestandteil des Arbeitspaketes.
Damit die CE-Zertifizierung der nun neu angeschlossenen Anlage nicht erlischt, wurde eine Risikobeurteilung nach der Maschinenrichtlinie hinzugefügt.

AP 5 – Umbau / Erweiterung / Inbetriebnahme
Der Umbau und die Inbetriebnahme des Zentratsensors beginnt ergänzend zur AMF. Eine ordnungsgemäße Einbindung verhindert Betriebsstörungen und stellt die geplanten Probenahmen sicher.

AP 6 und 7 – Entwicklung und Erprobung der Steuerung
Vor dem automatischen Betrieb wird die Entwicklung (AP 6) der Steuerungssoftware geplant. So soll der Sensor in der Lage sein die verschiedenen Regelungsstrategien umzusetzen. [Für die Automatisierung sind entsprechende Soll- und Istwerte für den Zentrifugenbetrieb zu ermitteln, bereitzustellen und zu berücksichtigen. Eine erste grundsätzliche Konzeptionierung kann noch im manuellen Betrieb erprobt werden. Hierdurch werden Funktionszusammenhänge zwischen Sensorsignalen und Zentrifugenparametern dokumentiert und ausgewertet und können in die Regelungskonzepte einwirken.]

Für die Automatisierung wurden entsprechende Sollwerte für den Zentri-fugenbetrieb ermittelt. Das Lesen und Bereitstellen der Werte ist abhän-gig von der Umsetzung durch den Zentrifugenhersteller.

Nach Abschluss der Entwicklung, erfolgen die Pilotversuche (AP 7) mit der Steuerungssoftware. Die mehrmonatige Versuchsphase soll jeweils die Wirkung des Regelkonzepts auf die Entwässerungsergebnisse quantitativ verifizieren.
Vor der Durchführung der Versuchsreihen, ist anhand umfassender Sen-sorsignalauswertungen über einen mehrwöchigen Zeitraum zu prüfen und sicherzustellen, dass keine Betriebszustände auftreten können, welche eine unstetige Überströmung des Schauglases zur Folge haben könnten, wodurch sich die Sensor-Messqualität verschlechtern würde.

Abschnitt 8 - Bewertung der Versuchsergebnisse
Die Bewertung der Versuchsergebnisse überschneiden sich zeitlich mit den Versuchen aus AP 7. Eine Auswertung erfolgt in technischer, wirtschaftlicher und ökologischer Hinsicht.

Ergebnisse

Wie der Antrag schon skizzierte, soll der Anlagenbediener unterstützt werden. Die Automatisierung unterstützt das Bedienpersonal. Es sollte erkennbar sein, wann die Qualität der Entwässerung nachlässt. Zu diesem Zweck können Grenzwerte in der Software hinterlegt werden. Die sehr hohe Messgenauigkeit ermöglicht eine feine Abstufung.

Durch die Weitergabe der Informationen an den Anlagenbetreiber können Flockungsmittel eingespart ebenso wie das Entwässerungsergebnis erhöht werden. Es muss nicht immer das beste Zentrat sein, wenn dafür überproportional viel FM; eingesetzt werden müsste, denn polymere Flockungsmittel werden aus fossilen Rohstoffen aufwendig synthetisiert.

Insgesamt sind drei verschiedene Zentrifugensteuerungskonzepte bzw. Automatisierungsziele denkbar:
1. für konstante TR-Werte
2. für maximale TR-Werte
3. für optimale Zentratwerte

Insgesamt sind drei Steuerungskonzepte (SK) entwickelt worden.
Ein konstanter TR-Wert lässt sich durch Regelung hin zu einen konstanten Sensorsignal einstellen. Um einen maximalen TR-Entwässert zu erreichen, wird die dazu benötigte Polymerdosis mithilfe des Sensorsignals fortlaufend nachgeregelt. Werden die Sensorsollwerte nicht erreicht, so wirkt sich dies unmittelbar auf die Zentrifugen-Betriebsparameter aus.

Die Werte für Drehmoment und Differenzdrehzahl sinken, was zu einer Herabsetzung der Entwässerungsleistung (TR-Entwässert nimmt ab) und des Abscheidegrads (Feststoffgehalt im Zentrat steigt an) führt. Für den Fall, dass Zentrifugenparameter nicht optimal eingestellt sind (z.B. durch manuellen Eingriff), kann dies trotz gut entwässerbarer Schlammflocken zu einem erhöhten Abscheidegrad führen. Mithilfe des Zentratsensors wird der Abscheidegrad überwacht und als Regelwert der Steuerung zur Verfügung gestellt, so dass entspre-chend nachjustiert werden kann. Die Funktionszusammenhänge zwischen Sensorsignalen und Zentrifugenparametern konnten somit erfolgreich ermittelt werden.

Der Zentratsensor kann die Grenze der Kennlinie bzw. das Kennfeld zum Umschlagspunkt zu unzulässigen Zentratwerten bestimmen. Zudem soll es möglich sein die Zentratbelastung zu messen und so auch gewünschte schlechtere Abscheidegrade zuzulassen, z.B. 100% - 95% einstellbar.

Da sich die Zentratbelastung dabei noch im zulässigen Bereich befindet aber der Entwässerungswert erhöht ist, ist eine Reduktion des unnötig transportierten und kostspielig entsorgten Wassers im entwässerten Klärschlamms möglich.

Aus den praktischen Versuchen hat sich durch den zeitlichen Aufwand der Grundzusammenhänge in Verbindung mit dem Zentratsensor leider keine praktische Umsetzung der ausgearbeiteten Konzepte mehr ergeben.

Trotzdem lassen sich anhand der gesammelten Erfahrungen die Konzepte nun besser auf ihre Wirkung hin überprüfen. Anhand von Randparametern wird versucht abzuschätzen welchen Erfolg das eine oder andere Konzept erzielen kann.

Die Regelungskonzepte können aber nur rein theoretisch in Zusammenhang mit ihrem Nutzen gebracht werden, da die Möglichkeit für einen Dauerbetrieb mit den jeweiligen Konzepten im Vergleich zur konventionellen Fahrweise aus bestimmten Gründen schwierig umzusetzen gewesen wäre.

Die Optimierungen und möglichen Einsparungen bzw. vermiedenen Zentratbelastungen können hier nur empirisch bewertet werden. Ein kontinuierlicher Vergleichsbetrieb war in dem Projekt mehr nicht möglich.

Der Personalaufwand zur fortlaufenden manuellen Anpassung der Entwässerung im Vergleich zur vollautomatisiert geplanten Entwässerung entspricht ca. 1-2 Vollzeitstellen in der Entwässerungshalle.

Die ursprüngliche Zielsetzung, dass der Zentratsensor eine Optimierung der AMF darstellt, ist vollständig gegeben. Der Sensor trägt einen guten Anteil zur Verbesserung der Energieeffizienz bei, wodurch Gas und Strom eingespart und energetische Abhängigkeiten reduziert werden. Anhand des ermittelten Zentrifugenkennfeldes ließ sich zeigen, dass der Zentratsensor auch bei den neuesten Entwässerungsmaschinen noch erhebliche Optimieriungspotentiale aufzeigt.

Öffentlichkeitsarbeit

Aufgrund pandemiebedigter Verzögerungen und Zugangsbeschränkungen konnten Teile vom Abschnitt 6 mit dem Versuchsstand im Technikum durchgeführt werden. Die dazu benötigten Betriebsmedien sind auf der Kläranlage beprobt worden. Die in Abschnitt 6 entwickelten Steuerungskonzepte (1 bis 3) sind im Rahmen dreimonatiger Pilotversuche getestet und optimiert worden.

Durch den Wechsel der Kläranlage mussten einige Anpassungen in vorangegangenen Arbeitsabschnitten vorgenommen werden. Zudem hat sich während des Projektes eine Änderung in der Projektverantwortlichkeit ergeben.

Die in der Abwassertechnik eingesetzten polymeren Flockungsmittel bestehen überwiegend aus Polyacrylamiden. Sind eine Form von Mikroplastik, gefährden die Umwelt und stellen für die Abwasserbehandlung einen erheblichen Kostenfaktor dar. Acrylamide gelten zudem als potenziell kanzerogen, weshalb deren Emission nach dem (gesundheitlichen) Vorsorgeprinzip grundsätzlich minimiert werden sollte.

Dem Umweltgefährdungspotential der polymeren Flockungsmittel wird über die neue Düngemittelverordnung (DüV) Rechnung getragen. So wird z.B. die Ausbringung auf die Felder reglementiert. Für den Verbrauch an Flockungsmitteln gibt es jedoch auch nach der novellierten Klärschlammverordnung (AbfKlärV), mit Ausnahme der landwirtschaftlichen Verwertung, keine gesetzlichen Grenzwerte.

Die Automatisierung erlaubt es auch eine schlechtere Entwässengsqualität zuzulassen und damit polymere Flockungsmittel (pFM) einzusparen. Je nach Reinigungsleistung der Kläranlage kann bewusst zu wenig pFM eingesetzt werden. Die Vorteile des Messkonzeptes durch AMF und Zentratsensor sollen zudem für die Bewertung der Umweltauswirkungen betrachtet werden.

Darüber hinaus werden die Kosten für Kläranlagen durch eine geringere Dosierung von pFM gesenkt. Höhere Mengen an pFM brauchen nur in Zeiten verwendet werden, in denen eine Kläranlage weniger freie Kapazität hat.

Fazit

Die in diesem Projekt geplante und umgesetzte Erweiterung der AMF basiert auf der Notwendigkeit, Betriebsparameter von Zentrifugendekantern anzupassen und zu optimieren. Flockung und Entwässerung müssen aufeinander abgestimmt sein.

Anhand der Messergebnisse ist zu erkennen, welche Nachteile konventionelle Regelstrategien haben. Die Abweichungen der klassischen Sensordaten vom Istwert können, trotz technisch neuester Technik, nicht ausgeglichen werden.
Zudem wäre der Betreuungsaufwand für einen manuellen Ausgleich von Schwankungen in der konventionellen Entwässerung enorm.

Das neue Messsystem stellt direkt die Veränderungen der Schlamm- und Zentrat- sowie der Polymereigenschaften fest, ohne auf klassische Messtechnik zurück zu greifen. Erst eine intelligente Sensorik ermöglicht es bekannte Ungenauigkeiten von Funktionsgruppen und -einheiten auszugleichen.

Die Aufgabe der Automatisierung ist der Ausgleich der Abweichungen und Schwankungen. Neben der Flockung sind nun auch die Betriebsparameter für die Zentrifuge Teil der Automatisierungsstrategie. Dadurch kann die gesamte Prozesskette der Schlammentwässerung optimiert werden.

Mit dem entwickelten System lassen sich zeitlich vorgegebene Kosten oder Qualitätsanforderungen für den entwässerten Schlamm einbinden, und entsprechende Regelstrategien für eine stabile Entwässerung 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 können diese Lücke schließen.

Für eine Marktreife ist nun noch die Robustheit des Systems zu erhöhen. Für einen stabilen Dauereinsatz in der Praxis sind ggf. noch Optimierungen der Software und der Konstruktion erforderlich. Die Messtechnik soll damit unempfindlicher gegenüber Störeinflüssen wie z.B. Vibrationen werden.