25.03.2015
ForschungUmwelt

Gesteuerte Dosierung von Abwasserbehandlungsmitteln

  • Abb. 1: H2S-Konzentration im Zu- und Ablauf der Versuchsanlage während der gesteuerten Dosierung.Abb. 1: H2S-Konzentration im Zu- und Ablauf der Versuchsanlage während der gesteuerten Dosierung.
  • Abb. 1: H2S-Konzentration im Zu- und Ablauf der Versuchsanlage während der gesteuerten Dosierung.
  • Abb. 2: H2S-Gaskonzentraion am Ende der Druckleitung, ohne Dosierung, ab 04. April mit konstanter Dosierung von 12 ml/min., ab 07. April mit 15 ml/min (siehe Markierungen).
  • s.u.
  • Abb. 3: H2S-Gas-Konzentration am Ende der Druckleitung mit gesteuerter Dosierung (oben: nach 3,1 km) und am Auslauf der nachfolgenden Druckleitung (unten: nach 5,5 km).

Der demografische Wandel und der sparsame Umgang mit Trinkwasser sind sich überlagernde Effekte, die in Deutschland zu rückläufigen Abwassermengen führen. Mit der Zentralisierung der Abwasserbehandlung verlängern sich die Verweilzeiten in Abwasserbauwerken, was durch die Ausbildung anoxischer und anaerober Zustände insbesondere in Druckleitungen eine verstärkte biogene Schwefelreduktion bewirkt.

Durch die Dosierung von Abwasserchemikalien kann das gebildete Sulfid, das zu Geruchsbelästigung und Korrosion im Kanal führt, gebunden oder oxidiert werden. Der Bedarf dieser Einrichtungen wird mit den prognostizierten Klimaveränderungen zunehmen, so dass durch eine intelligente Steuerung, die bedarfsgerecht dosiert, der Verbrauch der Behandlungsmittel gemindert werden soll.

Methode
Die bedarfsgerechte Dosierung erfordert eine Vor-Ort-Messung und Prognose der Sulfidbelastung. Einfache Berechnungsmodelle zur Sulfidbildung gehen vom Rohrdurchmesser und der Verweilzeit des Abwassers aus. Eine bessere Vorhersage liefern Berechnungsmodelle, die die CSB bzw. BSB5-Konzentration des Abwassers berücksichtigen [1]. Gegenstand der Untersuchungen war die Nutzung der Sulfideingangskonzentration als Basis für die Sulfidprognose und damit der Optimierung der Dosierung.

Aufbauend auf dem Berechnungsmodell zur Sulfidbildung in Abhängigkeit der Belastung [2] wurde ein Regelalgorithmus zur bedarfsgerechten Dosierung programmiert und sowohl in einer Versuchs, als auch in einer Praxisanlage mit kommunalem Abwasser getestet. In der Versuchsanlage, die eine reale Druckleitung nachbildet, wurden neben der simultanen Messung des H2S-Gehaltes im Zulauf und Ablauf weitere Parameter wie pH-Wert, Redox-Potenzial, Temperatur und Sauerstoffgehalt im Zulauf des Abwassers kontinuierlich gemessen und für die Sulfidbildungsprognose verwendet.

Die kontinuierliche H2S-Bestimmung wurde mit einem Messgerät durchgeführt, das für die Bestimmung des Schwefelwasserstoffs nicht in der Gasphase, sondern direkt im Abwasser entwickelt wurde.

Durch diese Analyse des Sulfidgehaltes im Wasser sind sehr empfindliche Bestimmungen auch im frischen Abwasser möglich. Dies ist für eine sichere Sulfidprognose sehr hilfreich. Das Messprinzip basiert auf der amperometrischen H2S-Bestimmung nach Abtrennung des H2S aus dem Wasser mittels Gasextraktion. Das System wurde an die Probenahme an der Druckleitung der Versuchsanlage angepasst, so dass automatisch am Zulauf und Ablauf Proben analysiert werden konnten. Eine automatische Rückspülung der Probenahmeleitungen sorgte für einen wartungsarmen Betrieb im Abwassersystem.

Ergebnisse
Ergebnisse der Versuchsanlage
In der Versuchsanlage mit einem Volumen von 160 l und 100 mm Nennweite wurde die Robustheit der Messung und der Regelung getestet. Kontinuierlich wurde Abwasser vor der biologischen Behandlung von der kommunalen Kläranlage abgezweigt und durch die Modell-Druckleitung transportiert. Die Verweilzeit wurde auf 4 - 5 h eingestellt, wie es in der Praxis häufig vorkommt. Die Messung der H2S-Konzentration erfolgte sowohl am Zulauf zur Anlage als auch am Ablauf.

Da das Abwasser bereits das gesamte Kanalsystem passiert hatte, wies es hohe H2S-Eingangsbelastungen von 7,2 mg / l (1,2 - 33 mg / l) auf, wie Abbildung 1 zeigt.

Die grüne Linie zeigt die berechnete und durch den Regler dosierte Menge des Behandlungsmittels an. Hier erkennt man eine deutliche Abhängigkeit von der Sulfid­zulaufskonzentration, obwohl für die Prognose weitere Eingangsgrößen verwendet wurden.

Bei einer konstanten Dosierung sind 6,7 - 7,8 ml/min des verdünnten Abwasserbehandlungsmittels dosiert worden, um die Sulfidfracht zu binden. Durch die Dosiersteuerung im August konnte die durchschnittliche Dosierung auf 5,5 ml / min Eisen(II)-Fällmittel gesenkt werden, und die Konzentration am Ende der Druckleitung auf 2,3 mg / l reduziert werden. Somit wurde gegenüber der konstanten Dosierung eine Einsparung von ca. 18 - 29  % erreicht.

Ergebnisse aus der Praxisanlage
Im Anschluss wurde die Dosiersteuerung in einer realen Druckleitung im kommunalen Abwassernetz des Wasser- und Abwasserzweckverband Holtemme-Bode (WAHB) mit einem Volumen von 256 m3 - DN 372 und einer mittleren Verweilzeit im Trockenwetterfall von 2 - 3 h eingesetzt. Zur Vereinfachung der zu installierenden Messtechnik wurde die durchschnittliche Zusammensetzung des Abwassers anhand der regelmäßigen Beprobung ermittelt und diese für die Dosiersteuerung verwendet. Die Anpassung der Dosierung erfolgte durch die Online-Messung der Sulfidkonzentration des Abwassers. Zur Erfolgskontrolle diente die Gasmessung am Ende der Druckleitung.

In der Startphase im März 2014 unterdrückte die konstante Dosierung mit 12 bzw. 15 ml / min die H2S-Emission am Ende der Druckleitung weitgehend (Abb. 2). Die gemessenen Lufttemperaturen lagen im Mess-Schacht noch bei etwa 15 °C, so dass die Sulfidbildung in dieser Phase noch niedrig war.

Anschließend wurde mit den online-gemessenen Parametern die Dosiermenge berechnet und durch den Regler die Dosierpumpe angesteuert. Die maximal berechnete Menge von 50 ml / min. konnte im Versuchsaufbau nicht realisiert werden, da die verwendete Dosierpumpe in der Einbausituation eine maximale Förderleistung von 30 ml / min erreichte.

Ab Ende Mai erfolgte die gesteuerte Dosierung des Behandlungsmittels mit einer Spanne von 10,93 - 26,70 ml / min. Dabei wurden durchschnittlich 13,95 ml / min dosiert, so dass hier eine Einsparung von 7 % ggü. dem konstanten Betrieb erzielt wurde. Die Abbildung oben zeigt die H2S-Gaskonzentration am Ende der Druckleitung. Es wird deutlich, dass mit der gesteuerten Dosierung die Sulfidemission niedrig (unter 10 ppm im Tagesmittel) gehalten wurde.

Ab Mai wurde die Sulfidbildung der nachfolgenden Druckleitung mit 2430 m Länge im Verlauf des Kanalsystems berücksichtigt, so dass die Dosierung im Mittel auf 18,5 ml / min erhöht wurde. Damit konnte die Sulfidemission am Auslauf der ersten Druckleitung komplett unterbunden und die Wirkung bis zum Ende der nachfolgenden Druckleitung (Abb. 3 unten) verlängert werden, so dass die korrosive Wirkung für diese nachfolgenden Leitungen und Schächte reduziert wurde.

Zusammenfassung
Das Online-Mess- und Dosiersystem auf Basis der Sulfidzulaufkonzentration und -prognose als Grundlage für die Dosiersteuerung hat sich als geeignet erwiesen, sowohl Geruchsemissionen als auch Korrosion zuverlässig zu mindern. Durch Dosierung am Anfang der Druckleitung wird die Sulfidbildung verringert, so dass hierdurch geringere Mengen des Dosiermittels benötigt werden.

Durch die gesteuerte Dosierung wurde 7 - 15 % des Abwasserbehandlungsmittels gegenüber der konstanten Dosierung eingespart (15 % in der Versuchsanlage, ca. 7 % in Praxisanlage). Weitere Untersuchungen mit Nitrat-basierten Mitteln wurden in der Versuchsanlage durchgeführt.

Danksagung
Für die Förderung der Arbeiten im Rahmen des Forschungskooperationsprojektes der Hochschule Harz und der Elektrochemie Halle danken wir dem BMWi-Programm AiF-ZIM. (AiF - KF 2488204 SA0)

Literatur
[1] Hvitved-Jacobsen T.: Sewer processes - microbial and chemical process engineering of sewer network, CRC Press LLC, 2002, Florida, USA
[2] U. Urban: Verhinderung der Sulfidbildung in Abwasserdruckleitungen durch lineare Belüftung; Dissertation TU Dresden, Shaker Verlag, Aachen (2011)

Autoren
1Dr.-Ing. U. Urban, 1Prof. Dr.-Ing. 1A. Heilmann, 2Dr. D. Wilke, 2Dr. M. Hahn
1Hochschule Harz
2Elektrochemie Halle

 

Weitere Beiträge zum Thema: www.git-labor.de/category/tags/wasseranalytik
Mehr Informationen zum WAHB: www.wahb.eu

 

Kontaktieren

Hochschule Harz
Friedrichstr. 57 -59
38855 Wernigerode
Telefon: 03943/659360

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.