gesponsertRegulierung wird zum Innovationstreiber Die Wasser-Weichenstellung: So machen sich Wasserprozesse zukunftsfit

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Endress+Hauser (Deutschland) GmbH+Co. KG

Neue regulatorische Anforderungen erhöhen die Komplexität im Anlagenbetrieb deutlich. Entscheidend ist ein durchgängiges Prozessverständnis – von der Abwasserbehandlung über die vierte Reinigungsstufe bis zum Schutz der Trinkwasserressource.

Wasser ist nicht nur Voraussetzung allen Lebens auf der Erde, sondern auch Grundlage unseres Alltags: als Trinkwasser aus dem Hahn ebenso wie als gereinigtes Abwasser, das sicher in den natürlichen Kreislauf zurückgeführt wird. Diese hohe Versorgungs- und Behandlungsqualität ist nicht zuletzt auch das Ergebnis leistungsfähiger Infrastruktur und klarer gesetzlicher Vorgaben. Doch die Rahmenbedingungen verändern sich spürbar: Spurenstoffe aus Arzneimitteln, die Belastung aus industriellen Einleitungen und steigende Nährstofffrachten in Gewässern geraten zunehmend ins Bewusstsein. Parallel dazu verschärfen sich die regulatorischen Anforderungen deutlich: Mit der novellierten EU-Kommunalabwasserrichtlinie (kurz KARL) werden die seit 1991 geltenden Vorgaben grundlegend überarbeitet. Die neue Richtlinie legt europaweit strengere Grenzwerte für Stickstoff und Phosphor fest, verpflichtet zahlreiche Anlagen zur Einführung einer vierten Reinigungsstufe zur Entfernung von Mikroschadstoffen und erweitert die Anforderungen an Monitoring und Dokumentation erheblich.

Ergänzend dazu fordert die EU-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) einen „guten chemischen und ökologischen Zustand” der Gewässer (dieser umfasst etwa „gesunde Lebensgemeinschaften” sowie eine geringe Schadstoffbelastungen), welcher bis spätestens 2027 erreicht werden soll. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Qualität von Trinkwasser.

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Wasser-Prozesse ganzheitlich optimieren

Die Herausforderungen sind damit klar umrissen: Prozesse für die Wasser- und Abwasserbehandlung müssen in Zukunft noch stabiler, transparenter und effizienter geführt werden als je zuvor. Die Basis hierfür bilden verlässliche Mess- und Prozessdaten: Denn nur wer seine Anlage in Echtzeit versteht, kann sie unter dynamischen Bedingungen auch sicher und zuverlässig betreiben. Doch gute Absichten sind das eine – Wo fängt man an, wenn es darum geht, die Wasser- und Abwasserbehandlung zukunftsfit zu machen?

Auf die richtige Fällmittel-Dosierung kommt es an

Abwasserströme sind volatil: Morgendliche Lastspitzen, im Tagesverlauf schwankende industrielle Einleitungen oder starke Regenereignisse verändern die Zusammensetzung innerhalb weniger Stunden erheblich. Gleichzeitig lassen verschärfte Regularien kaum Spielraum für Ungenauigkeiten. Um die nötigen Grenzwerte einzuhalten und Einblick in die Abwasserbehandlung zu bekommen, arbeiten die meisten Anlagen traditionell mit regelmäßigen Proben und Laboranalysen im Laufe des Tages. Diese liefern zwar präzise Ergebnisse, doch bilden sie nur einzelne Zeitpunkte ab. Das Problem: Zwischen zwei Proben kann sich etwa die Belastung erheblich verändern. Die Folge sind Sicherheitszuschläge in der Dosierung – etwa bei den zur Phosphatentfernung eingesetzten Fällmitteln – um Grenzwertüberschreitungen sicher auszuschließen. Das erhöht die Betriebskosten und erschwert eine stabile Prozessführung.

Vor dieser Situation stand auch die Kläranlage im sächsischen Colditz: Die von der Veolia Wasser Deutschland im Auftrag des Versorgungsverbandes Grimma-Geithain betriebene Anlage musste sicherstellen, dass die Phosphatwerte im Auslauf verlässlich eingehalten werden. Phosphat selbst ist zwar nicht giftig, kann aber aufgrund seiner Düngewirkung insbesondere in Seen, Teichen oder seichten Buchten zu Algenblüte, Eutrophierung und schließlich zum „Umkippen” eines Gewässers führen. Um das zu vermeiden, werden Fällmittel (etwa Eisen- oder Aluminiumsalze) eindosiert, die mit dem gelösten Phosphat feste Verbindungen eingehen, welche dann im Klärprozess entfernt werden können. Die Überwachung dieser „Phosphatfällung” und das Dosieren der Fällmittel erfolgte dabei wie vielerorts auf Basis wöchentlicher Laboranalysen.

Echtzeitdaten statt Momentaufnahmen

Um die gesetzlichen Anforderungen zu erfüllen, reichte eine derartige punktuelle Überwachung allerdings nicht mehr aus. Notwendig war eine kontinuierliche und präzise Kontrolle des Phosphatgehalts im Abwasser. In enger Zusammenarbeit mit Veolia entwickelten die Messtechnikexperten bei Endress+Hauser dafür eine Lösung zur kontinuierlichen Phosphatüberwachung. Dabei kam der Phosphatanalysator CA80PH zum Einsatz: Dieses Gerät misst zuverlässig die Phosphatkonzentration in den zwei Belebungsbecken. Mit den so gewonnenen Werten kann das Fällmittel präzise und bedarfsgerecht dosiert werden.

„Endress+Hauser hat uns geholfen, die nötigen Werte zeitnah zu erhalten, um das Fällmittel nicht über- oder unterzudosieren“, sagt Martin Moisel, Leiter Betrieb und Technische Führungskraft bei Veolia Wasser Deutschland. Anstatt die Dosierung des Fällmittels auf Schätzungen oder auf periodisch ermittelte Laborwerte zu stützen, kann die Betriebsmannschaft sie direkt am Ist-Wert ausrichten. Das bedeutet: Es wird genau so viel Chemikalie dosiert, wie zu diesem Zeitpunkt erforderlich ist – nicht mehr und nicht weniger.

Auch eine Cloudlösung kam dabei zum Einsatz: Die Messdaten werden in Echtzeit über die digitale Gerätemanagment-Plattform Netilion Cloud übertragen, um Wartungsbedarf zu erkennen. Dank eines Fernzugriffs ist es dem Service von Endress+Hauser möglich, wenn nötig direkt auf den Analysator zuzugreifen.

Ein Jahrzehnt vierte Reinigungsstufe

Aber nicht nur die Fällmitteldosierung muss präzise gesteuert werden – in Zukunft wird auch eine vierte Reinigungsstufe für viele (bisher dreistufige Kläranlagen) verpflichtend, um Rückstände aus Arzneimitteln, Industriechemikalien oder anderen persistenten Stoffen aus dem Abwasser zu filtern. Abhängig von den örtlichen Randbedingungen kommen dafür unter anderem Ozonung, Verfahren auf Basis von Aktivkohle oder Kombinationen beider Methoden zum Einsatz.

Das Ziel dabei ist es, definierte Leitstoffe im Mittel um mindestens 80 Prozent zu reduzieren. In der Praxis bedeutet das nicht nur zusätzliche Anlagentechnik, sondern auch ganz neue Wechselwirkungen im Aufbereitungs-Prozess. Schwankende Zulaufqualitäten, variierende Frachten und unterschiedliche Abbaukinetiken erfordern eine deutlich feinere Prozessführung als in den bisherigen vorgelagerten Reinigungsstufen.

Die „People for Process Automation” bei Endress+Hauser unterstützen seit über einem Jahrzehnt Anlagenbetreiber und Forschungseinrichtungen bei der Umsetzung der vierten Reinigungsstufe. Dabei kommen unterschiedliche technische Ansätze zum Einsatz, darunter das so genannte Ulmer Verfahren auf Basis von Pulveraktivkohle sowie Verfahren mit granulierter Aktivkohle und kombinierter Ozonung.

Endress+Hauser ist als Partner für die Prozessmesstechnik mit umfangreicher Erfahrung in diesen Applikationen eingebunden. Der Fokus dabei liegt stets auf einer zuverlässigen und betriebssicheren Anwendung optischer Messverfahren. Diese ermöglichen die kontinuierliche Überwachung des Betriebsmitteleinsatzes sowie der Eliminationsleistung der einzelnen Reinigungsstufen.

So geht die Spurenstoffelimination im Regelbetrieb

Zentraler Bestandteil neuerer Projekte unter Beteiligung von Endress+Hauser ist die Einbeziehung industrieller Abwassereinleitungen in die Arbeitsweise verschiedener Stufen bei der Spurenstoffelimination.

Während die vierte Reinigungsstufe in der Anfangsphase noch stark durch Beobachtung und manuelle Eingriffe geprägt war, entwickelte sich der Betrieb mit zunehmender Erfahrung und mithilfe der eingesetzten Prozessmesstechnik zu einem stabilen Regelprozess. KARL-konformes Messen ist damit weit mehr als eine regulatorische Pflicht – Es wird zum strategischen Instrument, um technische Innovation, Wirtschaftlichkeit und Gewässerschutz dauerhaft in Einklang zu bringen. Und: Es ist schon heute möglich.

Die Zukunft der Wasserbehandlung unter der Lupe: Endress+Hauser stellt Lösungen für eine nachhaltige Wasserwirtschaft auf der Ifat vor: Halle C1, Stand 451

Wenn Kläranlagen mehr leisten müssen, steigt in der Regel auch der Energiebedarf mit den Aufgaben. Mehr Belüftung, mehr Umwälzung und zusätzliche Behandlungsschritte bedeuten meist auch einen höheren Stromverbrauch. Damit wachsen nicht nur die Betriebskosten, sondern in aller Regel auch die CO₂-Bilanz der Anlage. Wer gesetzliche Vorgaben erfüllen und gleichzeitig klimabewusst wirtschaften will, muss deshalb genauer steuern als früher.

Dafür ist es wichtig zu wissen, wie viel Wasser tatsächlich durch die Anlage fließt, erklären die Sensor-Experten. Nur wenn die tatsächliche Belastung bekannt ist, lassen sich die Belüftung und Dosierungen von Hilfsstoffen passend einstellen. Das magnetisch-induktive Durchflussmessgerät Proline Promag W 400 liefert diese Information zuverlässig, so die Entwickler. Das vielseitige Standard-Durchflussmessgerät ist dank seiner birektionalen Mesussung mit konstanter Genauigkeit ideal für die Wassermessung, etwa in Trinkwasser- oder Brauchwasserprozessen sowie bei industriellem und kommunalem Abwasser.

Aber nicht nur das Wasser, auch der Schlamm spielt eine Rolle für den Energiebedarf und damit den Klimaeffekt des Prozesses: Vereinfacht gilt, je höher der Wasseranteil im Schlamm, desto mehr Energie wird für Transport und Entsorgung benötigt. Das Inline-Feststoffgehaltsmessgerät Proline Teqwave MW 300 von Endress+Hauser hilft, den Feststoffgehalt gezielt zu erhöhen und so Energie sowie Entsorgungskosten zu senken.

Zudem ermöglichen schnelle Ammonium- und Nitratmessungen – etwa mit der ionensensitiven Sonde Memosens CAS41E – eine bedarfsgerechte Steuerung der biologischen Reinigung. Die Belüftung läuft dann nur so stark wie benötigt. Das ist entscheidend, denn die Optimierung der Belüftung in den Belebungsbecken gilt als einer der größten Hebel für Energieeinsparungen.

Wasser und Abwasser: Vom Ablauf zur Ressource

Der Schutz der Gewässer endet aber nicht am Ablauf der Kläranlage: So dienen Flüsse und Seen vielerorts als Rohwasserquelle, während das Grundwasser durch Uferfiltrat oder direkte Versickerung gespeist wird. Wenn jedoch etwa bei Starkregen belastete Mischwässer in ein Gewässer gelangen, wirkt sich das nicht nur kurzfristig auf die Wasserqualität aus – es kann auch nachgelagerte Aufbereitungsstufen beanspruchen. Abwasser- und Trinkwasserinfrastruktur sind Teil desselben Systems und müssen aufeinander abgestimmt werden.

Gerade bei intensiven Niederschlägen steigt die Belastung sprunghaft an: Regenüberlaufbecken füllen sich, Pegel steigen und Betreiber müssen entscheiden, ob und wann abgeschlagen wird. Ohne verlässliche Messwerte bleibt dafür häufig nur ein enger Reaktionskorridor.

Die Sensorspezialisten bei Endress+Hauser haben deshalb Lösungen entwickelt, die in solchen Situationen für Transparenz sorgen sollen: So misst der Radarsensor Micropilot FMR20B den Füllstand in Becken und Gerinnen kontinuierlich und berührungslos – unabhängig von Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen oder Schaumbildung. Doch das Gerät kann noch mehr: In Verbindung mit der Anzeige- und Steuereinheit FlexView FMA90 lassen sich Grenzwerte definieren, Alarme auslösen oder Pumpen gezielt ansteuern.

In der Praxis bedeutet das: Bei ansteigendem Pegel kann man rechtzeitig reagieren, Rückhalt optimieren oder die hydraulische Belastung im System verteilen. Unkontrollierte Einleitungen lassen sich so reduzieren, Gewässer entlasten und damit die Grundlage für eine sichere Trinkwassergewinnung schaffen.

Bei aller Unterschiedlichkeit der Prozesse steht jedoch eines sicher fest: Die 2020er-Jahre werden eine Zeit der Weichenstellung für die Wasser- und Abwasserbehandlung. Wenn die Regulatorik die Anforderungen erhöht, braucht es die passende Technologie. Sensoren und smarte Plattformtechnologien sorgen für den nötigen Durchblick und Prozessverständnis und machen die Abwasserbehandlung zukunftsfit.

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