G A L L E R I E

Kläranlage Weikersheim

Der Kläranlage stehen vier SBR Reaktoren in Form 4 gleichgroßer Becken zur Verfügung. Das Einzelbeckenvolumen (L/B/H=20*20*6 m) beträgt ca. 2400 m³. Die Anlage verfügt über kein weiteres Pufferbecken. Der Zulauf aus der örtlichen Kanalisation wird jedoch bei Regenwetter durch mehrere Regenüberlaufbecken (RÜB) vermindert.

SBR-Reaktor

Das SBR-Verfahren ist eine Variante des Belebtschlammverfahrens, welches schon zum Ende des vergangenen Jahrhunderts als so genanntes "Fill & Draw”-Verfahren vom englischen Ingenieur Sir Thomas Wardle für den Betrieb von Abwasserteichen vorgeschlagen wurde.

Zwei Dekaden später führten Ardern und Lockett in Manchester Versuche mit einer ganz ähnlichen Prozesstechnik durch. Die im Labormaßstab gewonnenen Ergebnisse waren so ermutigend, dass das Verfahren auf der Kläranlage der englischen Stadt Salford 1914 zum großtechnischen Einsatz kam. Ein Jahr später ging eine ähnlich konzipierte Anlage in Milwaukee, im US Bundesstaat Wisconsin, in Betrieb. Das mit diesen Anlagen erzielte Reinigungsergebnis war befriedigend, es entstanden jedoch eine Reihe technischer Probleme, die mit den damaligen Mitteln nicht zu bewältigen waren. Insbesondere war der Bedienungsaufwand für das Zu- und Abschalten der Pumpen, Schieber und Belüfter unvertretbar hoch. Die Aggregate mussten zur damaligen Zeit weitestgehend von Hand zu- und abgeschaltet werden, was zu zahlreichen Fehlschaltungen führte.

Das SBR-Verfahren geriet in der Folge für viele Jahre in Vergessenheit, bis es 1952 von Hoover and Porges sowie 1959 von Pasveer quasi wiederentdeckt wurde. Im Unterschied zu der ursprünglichen Betriebstechnik wurde von den genannten Autoren vorgeschlagen, das Abwasser bei zunächst geschlossenem Ablaufwehr kontinuierlich in das SBR-Becken einzuleiten. In dem Becken kommt es dadurch zu einem Aufstau. Nachdem eine obere Wasserstandsmarke erreicht ist, wird die Belüftung abgeschaltet. Der Belebtschlamm kann nun sedimentieren, und das Klarwasser durch Absenken des Ablaufwehrs abgezogen werden.

Das von Pasveer entwickelte Verfahren wurde in den sechziger Jahren weltweit an zahlreichen Stellen angewandt. Problematisch ist, dass während des Klarwasserabzugs in das Becken Rohabwasser zuströmte. Um die Vermischung von ungereinigtem Zulauf mit gereinigtem Ablauf zu vermindern, wurde von Goronszy vorgeschlagen, die Einlaufzone des Beckens durch eine Tauchwand von dem restlichen Beckenraum abzutrennen. Aus dieser Idee entwickelten sich eine Reihe spezieller, zum Teil patentrechtlich geschützter Firmenlösungen.

Die ursprüngliche, von Ardern und Lockett eingeführte Betriebstechnik, die auf eine strikte Trennung der Prozeßphasen "Füllen" und "Klarwasserabzug" aufbaute, wurde von Irvine aufgegriffen. Durch systematische Arbeiten im Labor- und im großtechnischen Maßstab wurden in den USA wie auch in Deutschland die wissenschaftlichen und technischen Grundlagen für das Verfahren erarbeitet und vertieft, und dem SBR-Verfahren so seine heutige Einsatzreife verliehen.

Allgemeine Verfahrensbeschreibung

SBR steht für "Sequencing-Batch-Reactor", und wird in Deutschland als "sequenzielles biologisches Reinigungsverfahren" bezeichnet.

Die Anzahl der in der BRD noch nicht sehr weit verbreiteten SBR-Anlagen, nahm in den letzten Jahren stark zu, was nicht zuletzt darauf zurückzuführen ist, dass diese Anlagen bei relativ geringen Baukosten aufgrund der Verfahrenstechnik flexibler sind als die meisten anderen Klärverfahren und sich dadurch auch leichter erweitern lassen. Die Fortschritte in der Computer-, Software- und MSR-Technik ermöglichten es zudem, auch komplexe Systeme modelltechnisch nachzubilden und darauf aufbauend, angepasste Betriebsweisen zu entwickeln, was für weitere Verbreitung dieses Anlagentyps in den nächsten Jahren sorgen dürfte.

Im Gegensatz zur kontinuierlich durchflossenen Abwasserreinigungsanlage, wird beim SBR-Verfahren das Abwasser " chargenweise" gereinigt. Pro Reinigungszyklus laufen laut Lehrbuch 5 Betriebsphasen nacheinander ab:

• “Befüllen”,
• “Füllstand (Belüften/Rühren)”,
• “Sedimentation”,
• “Klarwasserabzug (Ablauf)”,
• “Warten (Pause)”
  .

Die hydraulische Entkopplung des SBR-Verfahrens macht es möglich, Dauer, Häufigkeit und Anordnung der Phasen des Zyklus variabel zu gestalten. Der Zyklus beginnt mit der Füllphase, in der bereits unter anaeroben oder anoxischen Verhältnissen – ohne Sauerstoff – die ersten Abbauprozesse beginnen. In der eigentlichen Abbau- oder Reaktionsphase wird der Reaktor belüftet. Je nach Reinigungsziel können auch unbelüftete Phasen eingeführt werden. Es folgt die Sedimentationsphase, in der sich der belebte Schlamm absetzt und sich eine Klarwasserschicht ausbildet. In der Dekantierphase wird das überstehende Klarwasser abgezogen. Anschließend kann eine betriebsbedingte Ruhephase folgen oder der Zyklus beginnt erneut. Eine separate Nachklärung ist beim SBR-Verfahren nicht notwendig. Dies wirkt sich naturgemäß positiv auf die Gesamtkosten der Investition aus. Die für die Sedimentation zur Verfügung stehende Zeit kann beim SBR-Verfahren deutlich flexibler gestaltet werden als beim klassischen Belebungsverfahren. Es ist somit möglich, die Konzentration der Biomasse und damit die Reinigungsleistung der Mikroorganismen erheblich zu steigern. Jedoch besteht auch beim SBR -Verfahren die Schwierigkeit, den Mikroorganismen ausreichend Sauerstoff zur Verfügung zu stellen. Das Verfahren ist prädestiniert für Industriebetriebe, die nur 8 oder 12 Stunden am Tag produzieren und der Sauerstoffbedarf mit konventionellen Belüftungssystemen wirtschaftlich gedeckt werden kann. Das angefallene Abwasser kann dann in den Nachtstunden weiter gereinigt werden.

Die Anlage in Weikersheim erhielt über diese Grundphasen hinaus noch die Sequenzen “Fällung” und “Überschussschlammabzug”.

Die Anlage in Weikersheim wurde “voll automatisiert”. Bei der Erstellung der Automatisierungs-Software wurden Strategien zur Anpassung der Anlage an verschiedene Zulaufbedingungen bzw. zur automatischen Reaktion auf Störfälle (Havariebetrieb) berücksichtigt

SBR Verfahren in Weikersheim

Beim Weikersheimer SBR Verfahren spricht man im Gegensatz zum “Lehrbuchverfahren” von sieben Phasen innerhalb eines Zyklus. Die hinzugekommenen Schritte sind eigentlich keine Phasen im funktionellen oder biologischen Sinn, die Gliederung der Betriebsabläufe soll bei Errichter und Betreiber vielmehr für mehr Ablauf-Transparenz sorgen:

• Warten
• Befüllen
• Füllstand (Biologische Umwandlung)
• Fällung
• Sedimentation
• Klarwasserabzug (Ablauf)
• Üss-Abzug (Überschussschlammabzug

Die SBR-Becken verfügen alle über entsprechende Lufteintragsvorrichtungen, je 2 Rührwerke, Dekantiersysteme für den Klarwasserabzug und entsprechende Saugleitungsanschlüsse an das Üss-System. Die Abläufe lassen sich über Schiebersysteme drosseln, so dass bei Trockenwetter der Klarwasserabzug verlängert werden wodurch sich auch die Reaktionszeit der Schlammstabilisation verbessert.
Der Überschussschlamm wird in zwei gleichgroße, geschlossene Pufferbecken abgezogen, in denen der Schlamm bis zur Weiterverarbeitung in der Schlammpresse zwischengelagert werden kann. Die Pufferbecken sind jeweils mit Rührwerken und Trübwasserabzugseinrichtungen ausgestattet. Solange ein Puffer zum Üss-Abzug vorgehalten wird, kann in kurzen Arbeits- Pausebetriebsphasen gerührt werden um die Konsistenz des Materials beizubehalten. Ist der Puffer gefüllt, bzw. steht er durch Umschaltung nicht mehr zum Üss-Abzug zur Verfügung, wird in regelmäßigen Zeitabständen eine Trübwasserabzugsvorrichtung gestartet.
Das abgezogene Trübwasser gelangt über ein Leitungssystem in einen weiteren Puffer, von dem aus es in den Nachtstunden mit geringen Zulaufmengen dem Einlauf der Anlage wieder zugeführt wird.
Die Abläufe der Üss-Speicher führen zu einer Schlammpresse. in der das Material weiter entwässert werden kann. Das in der Presse abgeschiedene Filtratwasser wird zu einem entsprechenden Filtratspeicher gepumpt und dann dem Trübwasser entsprechend dem Einlauf zugeleitet wird. Filtratspeicher und Trübwasserspeicher sind groß genug ausgelegt, die Pufferung auch für eine längere Spitzenzulaufphasen vornehmen zu können.

Die elektrische Versorgung der Anlage erfolgt aus dem 2kV Mittelspannungsnetz des örtlichen Stromversorgungsunternehmens. Die Umspannung auf das benötigte Niederspannungsnetz wird in einer hauseigenen Trafostation vorgenommen, die als Betonfertigzelle auf dem Gelände der Kläranlage platziert, auch die Niederspannungshauptverteilung (NSHV) und die automatische Sammelkompensationsanlage beherbergt.

Über die NSHV erfolgt die Versorgung der Klärwerkstechnik über mehrere Einspeisungskabel in den Schaltraum MG1, des Maschinengebäudes. Von dort zweigt die Versorgung auf an MG2 (Schaltanlage Zulaufbereich) und MG3 (Schaltanlage Schlammspeicherbereich).

Die Versorgung der Schlammpresse und des Wartengebäudes erfolgen direkt aus der NSHV.

An der Schaltanlage MG1 kann bei längeren Stromausfällen über ein transportables Notstromaggregat auf NEA-Netz eingespeist werden. Dadurch können Automatisierungsanlage, Einlaufhebewerk und Zulaufschieber weiterbedient werden. Für den vollbiologischen Reinigungsbetrieb reicht diese Ergänzung des Normalnetzes (NN) allerdings nicht aus.

Die Wasserversorgung erfolgt aus 3 verschiedenen Quellen:

• Stadtwassernetz
• Brauchwassernetz A
• Brauchwassernetz B

Das Stadtwassernetz dient der Versorgung des Trinkwasserbereichs und der Laboranschlüsse.Das Brauchwassernetz A bezieht sein Wasser aus einem Brunnen auf dem Klärwerksgelände.

Über das Brauchwassernetz B werden Rechen und Sandwaschanlage mit Wasser versorgt. In einem Ablaufbauwerk, welches mittig zwischen den 4 SBR’s angebracht ist, bleiben aus den Klarwasserabzugsphasen immer ca. 30 m³ Wasser stehen. An diesem Reservoir bedient sich eine mehrstufig geregelte Pumpenanlage, die einen gleich bleibenden Netzdruck aufrecht hält.

Dekantiersysteme für Klarwasserabzug

Die Dekantiereinrichtungen werden für den Klarwasserabzug benötigt. Damit etwaige Schwimmstoffe, die sich auf der Wasseroberfläche der SBR Becken befinden, nicht mit in den Ablauf gelangen, taucht man ein ablaufrohr-ähnliches Instrument knapp unter die Wasseroberfläche ein und öffnet dann den Ablaufschieber. Das nach der Sedimentation im Becken befindliche Klarwasser kann dann abfließen. Während des Abflussvorganges muss der Dekanter dem Wasseroberflächenspiegel natürlich folgen. Würde er auftauchen, würden die schwimmenden Verunreinigungen in den Ablauf gelangen.
Zum Klarwasserabzug in den SBR-Becken kam statt eines Systems mit Schwimmkörpern eine T-förmig ausgebildete Rohrkonstruktionen mit Unterwasser-Gelenken zu Einsatz. Die Dekantiereinrichtungen bestehen aus T-förmig ausgebildeten Rohrkonstruktionen mit Unterwasser-Gelenken und Seilwinden zum Heben und Senken der Konstruktionen. Tabelle : Antriebe Klarwasserdekanter

Um auf beweglichen Kabelstränge für eine Schwimmersteuerung oder sonstiger Höhenstandsmessungen zu verzichten, baute der Hersteller erstmals Mehrwendelpotentiometer zur Bestimmung der abgewickelten Seillänge in die Seilwinden ein. Über die Segmentierung verschiedener Stützstellen die den entsprechenden Höhenständen beim Eintauchen der Dekander entsprechen, errechnet die Automation eine “quasi” lieneare Eintauchtiefe, mit deren Hilfe der Deakander dem Wasserspiegel stetig nachgeführt wird

Für die notwendigen Analysemessungen wurde das das so genannte IQ SENSOR NET System von WTW eingebaut. IQ-Sensor-Net ist ein modulares Messsystem für die Online -Analytik:
Durch die Umsetzbarkeit des Terminals spart der Betreiber Anschaffungskosten und hat die notwendigen Zugriffsmöglichkeiten trotzdem immer vor Ort an den Sensoren. IQ Sensoren können an jedes MIQ Modul angeschlossen werden, das einen freien Anschluss für das IQ SENSOR NET besitzt. Die Verbindung zwischen IQ Sensor und MIQ Modul erfolgt über ein Sensoranschlusskabel. Dieser Umstand war in Weikersheim Anlass ein Reserve-Sensoranschlusskabel zu montieren, damit der Betreiber die Außensensoren auch bei schlechtem Wetter abnehmen und bequem in einem entsprechenden Innenraum kalibrieren kann.

Dem sich laufend ändernden Wasserspiegel im Reaktor-Becken wurde damit Rechnung getragen, dass die Sensoren in eine Schwimmerkonstruktion montiert wurden, die sich an einer Führungsstange auf und abwärts bewegen kann.

Nitrat- und Ortho-Phosphatmessungen

Nitratmessung- und Ortho-Phosphatmessungen nehmen eine besondere Stelle unter den Online-Analysemessungen ein. Die Messungen bzw. Sonden sind aus Kostengründen nur jeweils einmal vorhanden, messen aber die Werte in 4 verschiedenen Becken. (siehe ) weswegen eine “Probenumschaltung” erforderlich ist. Sie steuert die Probenehmerpumpen und die gesamte Umschaltung der Nitrat- und Phosphatproben.

In den Zyklusphasen “Füllen”, “Biologische Umwandlung” und “Fällung” pumpt jeweils eine Probenahmepumpe einen stetigen Strom aus dem SBR über einen Verteiler zurück in den Zulauf. Der Verteiler schaltet die Nitratmessung im 5 Minuten-Rhythmus und die Phosphat-Messung im 15 Minuten-Rhythmus rollierend um auf andere Becken, sich auch in den entsprechenden SBR-Phasen befinden. Während ein zweites Becken abgefragt wird, friert die SPS die Werte des ersten Beckens ein, so dass am PLS-System immer eine gültige Anzeige zur Verfügung steht. Die unterschiedlichen Rollierungszeiten für Nitrat- und Phosphatmessung werden wegen der unterschiedlichen Reaktionszeiten der Messsysteme benötigt. Während das optische Messprinzip der Nitratsonde praktisch ohne Verzögerungszeit messen kann, muss die Probe für die Phosphatgehaltsbestimmung erst automatisch aufbereitet werden.

Der Nitratgehalt wird durch spektrale Messung in einem Sensor mit 40 mm Durchmesser ermittelt. Die Messwertbestimmung erfolgt durch spektrale Auswertung des gescannten UV/VIS Spektrums mit digitaler Anbindung an das Multiparameter-System IQ SENSOR NET. Durch Zwei-Strahl-Verfahren ergibt sich eine besonders effektive Kompensation von Störeinflüssen.

Der Sensor misst direkt im Prozessmedium ohne Probenaufbereitung. In unserem Fall wurde dafür ein Quelltopf installiert, der zur Aufnahme einer weiteren Sonde geeignet ist. Zwischen Probennahme und Messergebnis ergibt sich keine Verzögerungszeit. Die aktuellen Werte sind sofort verfügbar. Bei der Umschaltung auf ein anderes Becken ist deshalb nur die Füllzeit des Quelltopfes zu berücksichtigen.

Automatisierungsgeräte, SPS-System

Zum Einsatz kam ein dezentral mittels Feldbus vernetzbares PS4-300 System von Moeller, unterstützt von vier programmierbaren TC9100 DDC-Reglern von Johnson Control. Der PS4-Controller kommuniziert mit seinen E/A Komponenten über den Suconet -Feldbus, verfügt aber auch über einen Profibus-Master an dem der WTW-Messcontroller für die Analysemessungen angeschlossen ist. Der Datenaustausch mit den DDC-Reglern erfolgte über E/A-Anschlüsse bzw. per OPC über das PLS-System.

Das ”local area network” in Weikersheim dient einzig und alleine dem Zweck, die Automatisierungskomponenten untereinander zu verbinden und den Datenaustausch zwischen verschiedenen Hardware- und Softwarekomponenten zu gewährleisten.
Bisher war es die Regel die Kommunikation der verschiedenen Einzelkomponenten auf Feldbusebene aufeinander abzustimmen. Dies hindert den Betreiber aber oft daran, preisgünstige Zusatzkomponenten einzusetzen und erzeugt auf der Softwareseite immense Kosten für die Programmierung und Inbetriebnahme der Datenanbindungen. Hier wurde die gemeinsame Kommunikationsplattform auf die OPC-Ebene gelegt, wodurch die verschiedenen Feldbussysteme zunächst mit preisgünstigen Interfaces auf das Ethernet aufgeschaltet werden können. Programmieraufwand für die Kommunikation der verschiedenen “SPS-Welten” untereinander und mit dem PLS-System entfällt quasi.

Zur Regelung der biotechnologischen Prozesse im Belebungsbecken sind 4 Fuzzy-Control Systeme vom Typ Aqualogic® installiert. Aqualogic® (http://www.passavant-intech.de) besteht aus 4 parallel arbeitenden Softwarereglern die auf einem gesonderten PC installiert wurden.

Der Scada-Rechner wurde deshalb mit dem Aqualogic®-Rechner über ein local-area-network verbunden. Der Moeller OPC-Server, über den sowohl das Prozessleitsystem, als auch die Aqualogic®-Regler mit der SPS-CPU kommunizieren, läuft auf dem PLS -Rechner. Die Aqualogic®-Systeme können somit ohne weitere Nachteile für das Gesamtsystem bei Bedarf abgeschaltet werden