Analyse von Nährstoffparametern

M. Häck, J. Wiese

Fortschritte in der Messtechnik haben in den letzten Jahren zu einer deutlichen Reduzierung von Investitions- und Betriebskosten geführt. Gleichzeitig konnte die Verfügbarkeit bei geringerem Wartungsaufwand gesteigert werden. Direkt ins Medium eingetauchte Analysatoren sind bereits seit einigen Jahren verfügbar. Daneben etablieren sich am Beckenrand aufgestellte On-site-Analysatoren.

In-situ- und On-site-Analysatoren verdrängen traditionelle Prozessanalysatoren mit separater Probenaufbereitung, die auf bestimmte Umgebungsbedingungen angewiesen sind und eine Behausung, z.B. einen Messcontainer, erfordern. Verglichen mit den Kosten für die Installation von Prozessmessgeräten ermöglichen diese Konzepte eine Reduktion der Investitionskosten von bis zu 105 000 Euro. Zudem sichern sie hohe Flexibilität in Bezug auf die Messorte, da die Analysatoren ähnlich frei wie Sauerstoff- oder pH-Sonden eingesetzt werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch den geringen Abstand zwischen Probenahme und Analytik Fehlerquellen aufgrund langer Probentransporte eliminiert werden.

Der Durchbruch der kontinuierlichen Messung von Nährstoffparametern erfolgte Anfang der 90er-Jahre, als es gelang, mittels Ultrafiltration aus Belebtschlamm einen partikelfreien Probenstrom bereitzustellen. Allein hierfür waren allerdings Investitionen von über 100 000 Euro (Pumpe inkl. Module) und Energiekosten von rund 1500 Euro/Jahr notwendig. Bei den In-situ- und On-site-Messgeräten haben sich im Analyser integrierte Ionenfilter oder Membranen durchgesetzt. Exemplarisch für die Kostenentwicklungen führt die Tabelle Investitions- und Betriebskosten für eine NH4-N- und PO4-P-Messung (Amtax/Phosphax-Serie von Hach-Lange) auf, angeschafft in den Jahren 1995, 2000 und 2005. Die Investitionskosten für eine PO4-P-Messung konnten um bis zu 42 % und für NH4-N sogar um bis zu 46 % reduziert werden. Zudem wurden auch die Betriebskosten noch deutlich reduziert (PO4-P: 63 %, NH4-N: 54 %).

Bisher bestand ein Messgerät für pH, O2 etc. aus einem Sensor und zugehörigem Umformer, in dem die Signalverarbeitung erfolgte. Smarte Sensoren beinhalten neben dem eigentlichen Sensor auch die Signalauswertung und leiten an den Messumformer lediglich ein digitales Signal, bestehend aus Zahlenwert, Einheit und Status. An einen einzigen Controller können damit verschiedene Sensoren angeschlossen werden. Auch Prozessanalysatoren gelten als einfache Sensoren. Da sie mit anderen Sensoren an einem einzigen Controller betrieben werden können, lassen sich mit Hilfe von Smart Sensoren bis zu 1000 Euro pro Messung einsparen.

Verteilte Messstellen können über moderne Controller kostengünstig miteinander vernetzt werden. Jede Messstelle wird mit einem Sondenmodul ausgestattet, das die Sensoren der Messstelle verbindet. Alle Sondenmodule wiederum sind über ein Buskabel miteinander vernetzt. Das gesamte Netzwerk wird über ein einziges Display bedient. Optional enthalten die Sondenmodule Stromausgänge und Relaiskontakte. Meist kostengünstiger ist jedoch deren Unterbringung in einem zentralen Schaltschrank, also dort, wo die Signale zur Weiterverarbeitung benötigt werden. Der Verkabelungsaufwand reduziert sich damit drastisch, auch die Inbetriebnahme aller Sensoren im Netzwerk ist einfacher. Die Anbindung des Netzwerkes an einen Feldbus erfolgt zentral in einem der Sondenmodule. Darüber hinaus ist auch das Einlesen analoger und/oder digitaler Mess- und Statussignale möglich. Diese können, ähnlich wie in einer SPS (nur komfortabler) mit den Messwerten der angeschlossenen Sensoren mathematisch verknüpft werden, um weitere Signale oder Stellgrößen zu erzeugen.

Die Fernübertragung von Mess- und Statussignalen, die Konfigurierung angeschlossener Sensoren oder ein Upload neuer Software ist via GSM-Module möglich. Ereignismeldungen können per SMS oder E-Mail versandt werden. Prozessanalysatoren informieren so das Betriebspersonal und, wenn gewünscht, auch den Hersteller über den aktuellen Gerätezustand. Bei Warnmeldungen kann unverzüglich auch aus der Ferne reagiert werden, um den Ausfall eines Messgerätes zu verhindern.

Den beschriebenen Kosten von Prozessanalysatoren stehen mögliche Einsparungen gegenüber, die in Abhängigkeit von der Kläranlagengröße eine Investition rechtfertigen können. Aus ökonomischer Sicht sind beispielsweise unnötig hohe Sauerstoffkonzentrationen im Belebungsbecken zu vermeiden. Für den Energieaufwand zur Belüftung des Belebtschlammes gilt gemäß dem ATV-DVWK-M 265-Merkblatt (Regelung der Sauerstoffzufuhr beim Belebungsverfahren (2000)):

N ~ Cs / (Cs-Cx) (1)

Dabei ist Cs die angenommene Sauerstoffsättigungskonzentration und Cx die Sauerstoffkonzentration. Der Energieaufwand N für den Sauerstoffeintrag in Belebungsbecken steigt mit steigender Sauerstoffkonzentration Cx an. Eine Reduzierung der O2-Konzentration von den oftmals anzutreffenden 2 mg/l hinunter auf 1 mg/l während Zeiten schwacher Belastung führt bereits zu Einsparungen von 15 %. Ausgehend von einem Sauerstoffbedarf von ca. 70 g/(EW Tag) und einer Effizienz des Belüftungssystems von 1,5 kg O2/kWh ergibt sich ein jährlicher Energiebedarf von ca. 17 kWh/EW und ein jährliches Einsparpotenzial von ca. 2,5 kWh/EW bzw. 0,25 Euro/(EW Jahr) bei 0,10 Euro/kWh. Demgegenüber stehen die Jahreskosten einer Ammoniummessung entsprechend der Tabelle von rund 54 000 200 Euro/a (ohne Berücksichtigung eventuell anfallender zusätzlicher Personalkosten). Hieraus resultiert bereits heute für den Einsatz eines NH4-N-Analysers eine Wirtschaftlichkeitsgrenze (bei alleiniger Betrachtung der Energieeinsparung) von ca. 2016 800 EW.

Bei der P-Elimination sind es die Kosten für Fällmittel bzw. in noch größerem Ausmaß die Schlammentsorgungskosten, die bei der Wirtschaftlichkeitsberechnung zugrunde gelegt werden müssen. Gemäß ATV-Handbuch lässt sich der Fällmittelverbrauch beim Einsatz einer Festwertregelung gegenüber einer ungeregelten Fahrweise um bis zu 25 % reduzieren. Ausgehend von den Jahreskosten in der Tabelle kann in Abhängigkeit von den Schlammentsorgungskosten und dem Grad der biologischen P-Elimination geschätzt werden, ab welcher Ausbaugröße eine geregelte Fällmitteldosierung wirtschaftlich ist.

cav 452

Die Amtax- und Phosphax-sc-Messgeräte verbinden die Vorteile hoch präziser Prozessanalysatoren mit der unkomplizierten Handhabung einer Prozesssonde. Einfach und direkt am Beckenrand ins-talliert benötigen sie weder zusätzliche Aufbauten noch eine wetterfeste Analyse-Station. Die Gerätegehäuse sind wetterfest und abschließbar. Die selbstreinigende und wartungsarme in-situ-Probenvorbereitung ist direkt im System integriert, das bedeutet kurze Wege für die Probe und eine geringe Ansprechzeit. Nur fünf Minuten bedarf es von der Probenahme bis zum Messwert. Durch den großen Messbereich ermöglichen Amtax und Phosphax sc exakte Analytik in der Abwasser-, Prozesswasserbehandlung und Trinkwasseraufbereitung. Die Analysatoren sind über den SC 1000 Controller mit anderen SC-Sensoren kombinierbar – als Stand-alone-System oder im Netzwerk.

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