Automatisierung macht’s möglich Effiziente Rückgewinnung von Rohstoffen aus Abwasser und Abfall

Autor / Redakteur: Dr. Achim Gahr / Dr. Jörg Kempf

Wasser für den tagtäglichen Bedarf ist auf unserer Erde nur begrenzt verfügbar. In stark besiedelten Gebieten ist der Ressourcenbedarf enorm und nimmt im Zuge von Urbanisierung und demografischem Wandel stetig zu. Auch die Abwasserreinigung, die Abfallbeseitigung und die Energiegewinnung werden dadurch vor immer größere Probleme gestellt. Ein innovatives Konzept mit angepassten Automatisierungslösungen zeigt: Solche Herausforderungen lassen sich in Zukunft meistern.

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Ein Antwort auf die Urbanisierung: das erste semizentrale Resource Recovery Center (RRC) in China
Ein Antwort auf die Urbanisierung: das erste semizentrale Resource Recovery Center (RRC) in China
(Bild: Cosalux/Susanna Neunast)

Semizentral – hinter diesem Namen steckt ein flexibler Infrastrukturansatz, der eine ressourcenschonende und energieeffiziente Wasserver- und Abwasserentsorgung von neu entstehenden Siedlungsgebieten in Megastädten ermöglicht. Der zukunftsfähige Ansatz wurde vom Institut Iwar der Technischen Universität Darmstadt entwickelt und im Mai dieses Jahres mit dem Greentec Award 2015 in der Kategorie Urbanisierung ausgezeichnet und für den „Deutschen Nachhaltigkeits­preis Forschung 2015“ nominiert.

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Auf der Grundlage von Semizentral wurde in einer deutsch-chinesischen Kooperation das erste semizentrale Resource Recovery Center (RRC) im chinesischen Qingdao errichtet und im April 2014 offiziell eröffnet. Es besteht aus verfahrenstechnischen Modulen, die durch die getrennte Aufbereitung von Abwässern und die Behandlung von organischen Abfällen Rohstoffe in Verbrauchernähe zurückgewinnen und Energie erzeugen.

In der Grauwasserbehandlung werden Abwässer aus Duschen und Waschmaschinen zu Brauchwasser aufbereitet, das für die Toilettenspülung und zur Bewässerung verwendet werden kann. Dies senkt den Frischwasserbedarf um mindestens 30 %. In der Schwarzwasserbehandlung erfolgt die Aufbereitung von Abwässern aus Toiletten und Küchenabläufen. Der anfallende Klärschlamm wird zusammen mit Bioabfällen thermophil behandelt. Das Biogas wird energetisch genutzt und ermöglicht einen energieautarken Betrieb. Die verbleibenden Gärreste sind biologisch stabil und lassen sich z.B. als Bodenverbesserer nutzen. Die Optimierung der einzelnen Schritte setzt aufeinander abgestimmte Automatisierungslösungen voraus.

Feldebene

Die Prozessinstrumentierung im RRC umfasst Sensoren und Systeme für die Analyse von Stoffströmen, Messgeräte zur Bestimmung des Durchflusses sowie des Füll- und Grenzstandes und Komponenten für das Energiemonitoring. Für die Flüssigkeitsanalyse kommen digitale Sensoren mit Memosens-Technologie zum Einsatz, die an Messumformer der Liquiline-Plattform angeschlossen sind. Diese Technologien sind aus Betreibersicht für den regulären Betrieb des RRC wesentlich, da sie hinsichtlich Zuverlässigkeit und Handhabung bei der Installation und Wartung den hohen Ansprüchen genügen.

Das Messsignal wird in den Sensoren digitalisiert und über eine kontaktlose Verbindung induktiv zum Messumformer übertragen. Die kontaktlose Signalübertragung und galvanische Trennung des Sensors vom Messumformer schließt unerwünschte Einflüsse durch Störsignale, Feuchtigkeit, Salzbrücken und Korrosion aus. Außerdem werden im Messkopf Geräte- und Messstellendaten automatisch gespeichert, die das Anlagenpersonal zur Erstellung optimierter Wartungspläne nutzen kann. Sie bieten auch die Möglichkeit Sensoren anstatt im Feld im Labor zu kalibrieren, was einen Sensortausch vereinfacht.

Die Messumformer sind zu den Memosens-Sensoren vollkommen kompatibel. Bei Betriebsoptimierungen ist es daher einfach möglich, Messstellen anzupassen und um Sensoren zu erweitern. Dies geschieht durch echtes „Plug & Play“, denn der Messumformer erkennt die Sensoren automatisch, und der mechanische Anschluss erfolgt über einen einheitlichen und verdrehsicheren Bajonettverschluss. So wird ein hohes Maß an Einfachheit und Flexibilität erreicht, was angesichts der raumoptimierten Bauweise im RRC, der kompakten Verfahrenstechnik und der teils schwierig zugänglichen Messstellen von großem Vorteil ist.

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Ferner kommen Prozessanalysatoren und Probenehmer zum Einsatz, die auf der digitalen Memosens-Technologie beruhen. Sie sind mit standardisierten Plattformkomponenten und einem einheitlichen Bedienkonzept ausgestattet. Dies vereinfacht die Lagerhaltung, vermeidet Bedienungsfehler und stellt Flexibilität sicher.

Steuerungs-/Regelungsebene

Die von den Feldgeräten gelieferten Daten werden für Überwachungsaufgaben sowie für Steuerungs- und Regelungszwecke genutzt. Für die Prozessoptimierung und zur Sicherstellung stabiler Betriebszustände erfordert das RRC angepasste Automatisierungskonzepte („Advanced Process Control“), die z.B. vermaschte Regelungen ebenso ermöglichen wie die Berücksichtigung der Lastsituation in den Zuläufen der Grau- und Schwarzwasserbehandlung für eine prädiktive Regelung.

Im Rahmen des Projektes wurde daher ein flexibler Spezialregler erstellt, der für unterschiedliche Abwasserreinigungsanlagen eingesetzt werden kann. Insbesondere Anlagen mit starken und/oder plötzlichen Frachtspitzen profitieren von dem neuen regelungstechnischen Prinzip. Durch Erweiterungen und Anpassungen kann der Regler grundsätzlich im RRC für den regulären Betrieb implementiert werden.

Das Regelungskonzept basiert auf einem Belebungsregler, der für die intermittierende Belebung ebenso verwendet werden kann wie für Anlagen mit kontinuierlicher Belebung.

Speziell bei der kontinuierlichen Belebung arbeitet der Regler frachtbasiert und berechnet den Luftmassenbedarf auf Basis der Ammonium-Fracht im Zulauf zur Belebung. Der Regler trägt die tatsächlich benötigte Luftmenge zur richtigen Zeit ein und arbeitet damit höchst effizient. Frachtspitzen werden früh erkannt und abgefangen. Dadurch wird eine deutlich ruhigere Betriebsweise und höhere Betriebsstabilität erreicht. Eine zweite Messung am Ende der Belebung stellt über einen weiteren Regler die Einhaltung der Ablaufwerte sicher.

Das Konzept berücksichtigt ferner einen Regler für die Phosphatelimination, der je nach Bedarf als reine Steuerung, reine Regelung oder als Kombination von beidem arbeiten kann. Die kombinierte Regelung vereint die Vorteile beider Verfahren. Über die Steuerung werden Tot- und Fließzeitprobleme umgangen, während die nachgeschaltete Regelung bei Bedarf korrigierend eingreift und die Einhaltung der Grenzwerte sicherstellt.

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Leit-/Betriebsebene

Für den zukünftigen Regelbetrieb muss die Überwachung und Bedienung des RRC möglichst einfach gestaltet sein. Der Detaillierungsgrad der Prozessinformationen ist dabei an den Bedarf anzupassen, der sich aus der aktuellen Anlagensituation und den nötigen Handlungsmaßnahmen ergibt.

Die Informationshandhabung beruht auf einem Plattformkonzept zur Speicherung, Anreicherung und Verknüpfung von Daten. Feldinformationen können flexibel gewonnen werden, wobei der Realisierungsaufwand durch standardisierte Komponenten minimiert wird. Hierfür wurde eine neue Systemarchitektur mit Unterstützung von OPC UA entwickelt, um einen dynamischen Zugriff auf unterschiedlichste Felddatenquellen zu ermöglichen.

Das Konzept erzeugt einen strukturierten Pool an Information, der für weitergehende Verarbeitungszwecke selektiv zur Verfügung gestellt werden kann und maximale Durchgängigkeit des Datenzugriffs liefert. Die Prozessinformationen werden für ein Kennzahlensystem genutzt, das einerseits anlagenspezifische Größen ermittelt und andererseits durch logische Verknüpfungen Zustandsdiagnosen von Prozessen ermöglicht.

Ein webbasiertes Front-End stellt entscheidungsrelevante Informationen visuell als kunden- und anlagenspezifische Kennzahlen dar und hilft optimierte Analysen des Prozesses einfach zu visualisieren. Diese Informationen stehen dem Nutzer in einer Bibliothek in Form einheitlicher und vordefinierter Visualisierungsmodule zur Verfügung, mit denen ein individuelles „KPI Dashbord“ intuitiv konfiguiriert werden kann. So lässt sich auch die Leistungsfähigkeit des RRC in Bezug auf die Rohstoffrückgewinnung und Energieeffizienz durch Kennzahlen verständlich darstellen.

* Der Autor ist Business Development Manager Environmental / Marketing, Endress+Hauser Conducta GmbH + Co. KG, Gerlingen.

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