Einführung
Die Verschärfung der Abwasserzulassungen aufgrund von Faktoren, die die Wasserqualität der Flüsse beeinflussen, erfordert weitere Investitionen für eine verbesserte Stickstoff- und Phosphorentfernung aus Kläranlagen (WwTP). Infolgedessen haben die Verfahren der Drittbehandlung an Bedeutung gewonnen. Dies hat dazu geführt, dass ein besseres Verständnis des Prozesses und der Mechanik der tertiären Entfernungssysteme erforderlich ist, um sowohl jetzt als auch im Hinblick auf die künftige Senkung der Abwassereinleitungsgrenzwerte konform zu bleiben. Es wurden erfolgreich Anstrengungen unternommen, um bestehende tertiäre kontinuierliche Sandfilter mit der neuartigen Sand-Cycle-Technologie nachzurüsten und zu modernisieren. Dies hat zu einem besseren Verständnis des Verhältnisses zwischen Sandumwälzung und Filtrationseffizienz geführt. Echtzeit-Informationen dienen als Frühwarnsystem, um durch schnellere reaktive Maßnahmen und proaktive Datenanalyse durchgängig bessere Abwasserqualitäten zu erreichen.
Phosphorbehandlung in bestehenden Kläranlagen
Die Einhaltung eines jährlichen gleitenden Durchschnittswerts für den Gesamt-P-Gehalt von 0,25 - 0,50 mg/l kann eine primäre, sekundäre und/oder tertiäre Dosierung von Koagulierungsmitteln erfordern. Die tertiäre Sandfiltration mit einer durchflussgesteuerten Koagulationsmitteldosierung hat sich als wirksam erwiesen, um die Koagulationsmitteldosierung zu minimieren und die Grenzwerte für die Fe-Restkonzentration einzuhalten (Wouters, 2018).
80% der DCWW-Standorte sind kleine Kläranlagen: Kapazitäten unter 2.000 Einwohnergleichwerten. Es ist eine Herausforderung, diese Anlagen in einem weiten und vielfältigen geografischen Gebiet zu verwalten. Darüber hinaus stehen diese Anlagen vor der Herausforderung, die strengeren Abwasservorgaben zu erfüllen. Da das Betriebspersonal reduziert wurde und der Aufbereitungsprozess immer komplexer wird, erfordert dieses Paradigma einen deutlichen Wechsel bei den Überwachungs- und Kontrollstrategien. Fernerkundung, Expertenurteile und Big-Data-Analysen sind der Schlüssel zur Unterstützung der Anlagenoptimierung. Dies wird an zwei kürzlich modernisierten tertiären Durchlauffilteranlagen von DCWW veranschaulicht.
Überwachung und Steuerung von kontinuierlichen Sandfiltern
Die kontinuierliche Sandfiltration mit ununterbrochener Filtration und kontinuierlicher Medienwäsche ist in der Wasser- und Abwasseraufbereitung weit verbreitet. Für die tertiäre Behandlung kommunaler Abwässer werden verschiedene Typen und Fabrikate von Durchlauffiltern verwendet. Die wichtigsten Merkmale sind die homogene Sandzirkulation über die gesamte Filterfläche und die gleichzeitige kontinuierliche Sandwäsche.
Die tatsächliche Sandumlaufgeschwindigkeit beeinflusst die Filtrationseffizienz sowohl bei der Entfernung von Feststoffen als auch bei der biologischen Umwandlung. Die Überwachung und Steuerung der Sandumwälzung in Echtzeit ist daher von entscheidender Bedeutung, um die Leistung der Anlage zu optimieren und Ausfallzeiten zu reduzieren.
Abbildung 1: Angezeigter RFID-Tag
Um die Bewegung der Sandkörner zu überwachen, werden passive RFID-Etiketten angebracht (Abbildung 1). Die RFID-Etikettierung ist ein Identifizierungssystem, das kleine Funkfrequenz-Identifizierungsgeräte für Identifizierungs- und Verfolgungszwecke verwendet. Es umfasst den Tag selbst (Transponder), ein Lesegerät und eine Host-Systemanwendung für die Datenerfassung, -protokollierung, -verarbeitung und -übertragung. Das RFID-Etikett wird durch die Funkfrequenzabtastung des Lesegeräts kurzzeitig aktiviert.
Jeder Transponder hat einen eindeutigen Code, der nicht dupliziert werden kann. Obwohl RFID-Etiketten in vielen Bereichen eingesetzt werden, z. B. bei der Verfolgung von Wildtieren und Vieh, ist der Einsatz in der Wasserwirtschaft neu und bietet in einer flüssigen Umgebung große Chancen.
Jeder Transponder wird beim Passieren des Lesegeräts, das in den Luftheber des Sandfilters integriert ist, erkannt. Die Codes, Daten und Zeiten der passierenden Transponder werden über einen Decoder auf den Datenlogger übertragen, der die Daten an das Backend des Online-Datenservers sendet. Dieser Server wandelt die rohen Felddaten mit Hilfe spezieller Algorithmen in relevante Ausgabedaten um. Die Ergebnisse stehen den Betreibern rund um die Uhr über das Front-Office des Datenservers zur Verfügung und werden in Dashboards dargestellt.
Skalenendwert
Im Jahr 2020 wurden zwei DCWW-Tertiärfilteranlagen mit Sand-Cycle ausgestattet. In Whitchurch wurden vier kontinuierliche Filter (Marke Colloide, Abbildung 2) mit Sand-Cycle installiert, nachdem 2018 ein erfolgreicher Innovationsversuch an einem einzigen Filter durchgeführt wurde, auf den eine gezielte Modernisierung folgte. Seit September 2020 arbeiten alle Einheiten konstant und erfüllen die Abwasserziele ohne Eingriffe.
Abbildung 2: Tertiärfilteranlage in der Kläranlage Whitchurch
In der Kläranlage Llanddewi Brefi wurde Mitte 2020 ein einzelner kontinuierlicher Filter in Betrieb genommen, um die Abwasserkriterien für Eisen, Feststoffe und Phosphor zu erfüllen. Die Dashboards zeigen einen stabilen Betrieb unter verschiedenen Prozessbedingungen. Jede Abweichung, z. B. eine Unterbrechung der Luftzufuhr, die zu einem Absinken der Sandumlaufgeschwindigkeit führt, wird sofort erkannt und dem Betreiber gemeldet (Abbildung 3). So können geeignete Maßnahmen ergriffen werden.
Abbildung 3: Sand-Cycle-Dashboard (Kläranlage Llanddewi Brefi)
Steigerung der Filtrationsleistung
Kontinuierliche Sandfilter werden häufig unter nicht optimalen Bedingungen betrieben, so dass ihr Potenzial nicht voll ausgeschöpft wird. Der Schlüsselfaktor ist die angewandte Sandumlaufgeschwindigkeit. Ist die Umwälzrate zu hoch, befindet sich das Filterbett in einem "sauberen" Zustand, ähnlich wie beim Anfahren eines herkömmlichen Schwerkraft-Sandfilters direkt nach einer Rückspülung. Um das volle Potenzial zu nutzen, sollten die Poren teilweise mit Feststoffen gefüllt sein, um den Filtrationsmechanismus zu verbessern. In einem kontinuierlichen Filter wird dies durch die Steuerung des Luftstroms zum Luftheber bewerkstelligt, der die tatsächliche Sandumwälzungsrate bestimmt.
Dies ist in Abbildung 4 dargestellt. Das linke Diagramm zeigt hohe Sandwechselraten, die einem Bettumschlag von durchschnittlich 6 Stunden entsprechen, wodurch das Filterbett durchweg zu sauber ist. In dieser Betriebsart wird keine "Feststoff"-Ablagerung im Filterbett erreicht. Das rechte Diagramm zeigt niedrigere Sandumlaufgeschwindigkeiten (mit einer höheren Bettumwälzung von durchschnittlich 10 Stunden), die so eingestellt sind, dass optimale Filterwirkungsgrade erzielt werden. Jetzt unterstützt die Ansammlung von Feststoffen im Filterbett die Feststoffentfernung. Dadurch werden höhere Filtrationswirkungsgrade und/oder niedrigere Zustimmungswerte erreicht.
Abbildung 4: Einfluss der Sandumlaufzeit auf die Filterleistung
Die Kombination aus Echtzeit-Überwachung der Sandumwälzung und Steuerung des Luftstroms zur Ermittlung der bestmöglichen Filterleistung hat sich als leistungsfähiges Instrument erwiesen, um das Betriebsfenster kontinuierlicher Sandfilter zu erweitern und die höchstmögliche Abscheideleistung zu erzielen.
Referenzen
1 Wouters, J.W. &. Agema. K.J, 2018. RFID-Technologie als kosteneffizientes Echtzeit-Prozessüberwachungs- und Steuerungsinstrument in kontinuierlichen Sandfiltern: zwei Fallstudien, die Niederlande: RFID-Technologie als kosteneffizientes Echtzeit-Prozessüberwachungs- und Steuerungsinstrument in kontinuierlichen Sandfiltern: zwei Fallstudien' HIC 2018 - Palermo
2 Rathnaweera, S.S.; Rusten, B.; Manamperuma, L.D.; Gjevre, J.; Tranum, I., Evaluation of moving bed sand filter for denitrification, suspended solids removal and very low effluent total phosphorus concentrations, Water Science & Technology, 2019, p 232-242
