Regelungssysteme zur
Prozessoptimierung auf Kläranlagen

Die Belebung der Kläranlage Volksdorf umfasst drei Belebungsbecken, die im Tricycle Prinzip durchflossen werden.

Abbildung 1: Aufbau der Kläranlage Volksdorf

Beim Tricycle Prinzip ändern die einzelnen Becken im Reinigungsbetrieb ihre Funktion, aus diesem Grund wird im Weiteren folgende Nomenklatur herangezogen:

Becken A: Das Becken, das aktuell den Zulauf erhält

Becken B: Das Becken, das seinen Zulauf von Becken A erhält

Becken C: Das Becken, das seinen Zulauf von Becken B erhält und von dem der Ablauf in den Ablaufschacht geleitet wird.

Im regulären Betrieb werden die drei Becken zyklisch betrieben. Der komplette Zulauf wird in ein Becken (Becken A) eingeleitet. Über einen Verbindungsschieber gelangt ein Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch in das zweite Becken (Becken B) und von dort wiederum ins dritte Becken (Becken C). Vom dritten Becken wird der Ablauf in einen Ablaufschacht geleitet.

Nach Ablauf der Zyklusdauer wird der Zulauf in das vormalige Becken C geleitet. Dies wird somit das neue Becken A. Das vorherige Becken A wird Becken B, das Becken B wird zu Becken C. Die Umschaltung erfolgt entgegengesetzt zur Fließrichtung des Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch.

In allen drei Becken wird die Sauerstoffkonzentration, der Ammoniumgehalt und das Redoxpotential gemessen.

Im Oktober 2017 wurde das alte AQUADATA Regelungssystem ARS gegen das neue AQUADATA Regelungssystem Marvin DB auf der Kläranlage Volksdorf ausgetauscht. Die Regelung umfasst:

• die Ansteuerung der Zulauf-, Verbindungs- und Ablaufschieber
• das Umschalten des Zyklus
• das Umschalten des mittleren Beckens zwischen Denitrifikation und Nitrifikation
• die Regelung der Belüftungsschieber.

Das Regelungsprinzip für den Betrieb der einzelnen Becken sieht wie folgt aus:

Das erste Becken (Becken A) bekommt den Zulauf und wird nicht belüftet. Das aus vorhergehenden Belüftungsphasen aufgebaute Nitrat wird unter Ausnutzung des Kohlenstoffs aus dem Zulauf denitrifiziert.

Im zweiten Becken (Becken B) kann – abhängig von der NH4-Konzentration und dem Redoxpotential – während dieses Zyklus denitrifiziert und nitrifiziert werden. Um den vorhandenen Kohlenstoff auszunutzen, wird stets mit der Denitrifikationsphase begonnen.

Das dritte Becken (Becken C) wird während eines Zyklus durchgehend belüftet.

Abbildung 2 zeigt das Regelungsprinzip beispielhaft für Belebungsbecken 1. Das Becken, welches den Zulauf erhält (Belebungsbecken 1), ist (definitionsgemäß) Becken A und befindet sich in der Denitrifikationsphase. Nach dem Zykluswechsel wird der Zulauf in das Belebungsbecken 3 geleitet. Belebungsbecken 1 wird somit das mittlere Becken (Becken B) und befindet sich so lange in Denitrifikation, bis vom Regler ein Knickpunkt im Redoxpotential erkannt wird. Im Anschluss wechselt es in Nitrifikation und bleibt auch beim nächsten Zykluswechsel, wenn der Zulauf in Becken 2 geleitet wird und Becken 1 das letzte Becken (Becken C) ist, in Nitrifikation.

Abbildung 2: Darstellung des Regelungsprinzip für Belebungsbecken 1

Die Zyklusdauer ist variabel und wird durch die Definition einer minimalen und maximalen Dauer begrenzt.

Wenn in Becken A ein Redox-Knick erkannt wurde und die eingestellte Verlängerung zur Ver-besserung der biologischen Phosphor-Elimination abgelaufen ist, wechselt das Becken von Denitri-fikation zu Nitrifikation, es wird das neue Becken B. Becken B beginnt in diesem Fall nicht mit Denitrifikation, sondern mit Nitrifikation.

Wenn in Becken C der NH4-Gehalt hinreichend gering ist, wechselt das Becken von Nitrifikation zu Denitrifikation wechseln.

Somit kommt es zu einem Zykluswechsel.

Ein Zykluswechsel bedeutet, dass die Zulauf-, Ablauf und Verbindungsschieber ihre Positionen ändern müssen.

Wird in Becken B ein Knickpunkt erkannt und die minimale Denitrifikationsdauer ist abgelaufen, wechselt das Becken in die Nitrifikation. Es kommt aber nicht zu einem Zykluswechsel, d.h. Becken A (Denitrifikation) und Becken C (Nitrifikation) bleiben unverändert.

Abbildung 3: Becken B: Früher Knick im RedoxpotentialB

Abbildung 4: Becken B: Später Knick im Redoxpotential

Abbildung 3 und Abbildung 4 zeigen die Redox-Verläufe am Beispiel Belebungsbecken 2. Wenn der Zulauf in Becken 1 eingeleitet wird, ist das Belebungsbecken 2 das mittlere Becken (Becken B). Dieses Becken war zuvor Becken A und befindet sich somit in der Denitrifikation. In Abbildung 3 ist zu erkennen, dass zeitnah in diesem Zyklus ein Knickpunkt erkannt wird und das Becken somit nach kurzer Denitrifikation in die Nitrifikation umschaltet. Abbildung 4 zeigt hingegen eine längere Denitrifikationsphase. Durch diese Flexibilität und dadurch, dass immer mit der Denitrifikation begonnen wird, wird der Kohlenstoff im Abwasser stets optimal für die Denitrifikation genutzt. Da sich das letzte Becken (Becken C) die gesamte Zykluszeit in der Nitrifikation befindet, ist sichergestellt, dass es zu einem ausreichendem Ammoniumabbau kommt.

Dies wird in Abbildung 5 dargestellt. Hier ist die Ammoniumkonzentration in dem jeweils letzten Becken (Becken C) in einer Kurve dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Ammoniumkonzentration über den gesamten Zeitraum im Bereich des Zielwertes liegt. Im Mittel liegt die Ammoniumkonzentration bei 1,9 mg/L, somit knapp unter dem eingestellten Zielwert von 2,0 mg/L.

Abbildung 5: Ammoniumablauf Werte

Zudem wurde die Möglichkeit geschaffen, den Regler nur mit dem Redoxpotential und ohne die Ammoniummessung zu betreiben. Dies wird auf der Anlage seit dem Jahr 2021 genutzt.

Des Weiteren werden auf der KA Volksdorf die Belüftungsschieber geregelt.

Zur Belüftung der Anlage gibt es zwei Gebläsegruppen, jedem belüfteten Becken wird eine Gebläsegruppe zugeordnet. Nach jedem Zykluswechsel müssen die Schieberstellungen in der Gebläsestation geändert werden, damit den neuen Becken B und C jeweils eine Gebläsegruppe zugeordnet ist.

Der Regler/Das Regelungsssystem berechnet die erforderliche Anzahl und die Motorfrequenz der Gebläse so, dass die vom Regler berechneten Sauerstoffsollwerte erreicht werden, wie in Abbildung 6 dargestellt. Diese werden in Abhängigkeit von der aktuellen Ammoniumkonzentration berechnet und entsprechend optimal an die aktuelle Belastung angepasst. Somit kann bei einer niedrigen Belastung Energie eingespart werden, da zu diesen Zeitpunkten ein ausreichender Ammonium-Abbau auch mit geringeren Sauerstoffkonzentrationen erreicht werden kann.

Abbildung 6: Sauerstoffsollwerte in Abhängigkeit der Ammoniumkonzentration