Trübungssensor Sichere Trinkwasser-Überwachung mit neuem Trübungssensor

Als kommunale Wasserbeschaffungsgesellschaft ist Hessenwasser angetreten die Wasserversorgung durch Modernisierungs- und Automatisierungsmaßnahmen effizienter zu gestalten. Dabei kommt dem Qualitätsparameter Trübung eine hohe Bedeutung zu. Ein Praxistest zeigt, dass ein neuer Trübungssensor als Inline- oder Bypassmessung in allen Schritten der Trinkwasseraufbereitung eingesetzt werden kann.

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Endress+Hauser (Deutschland) GmbH+Co. KG

Mettler-Toledo GmbH

Xylem Analytics Germany Sales GmbH & Co. KG

Veolia Water Technologies Deutschland GmbH

Die Trübung ist der wichtigste kontinuierlich gemessene Qualitätsparameter in der Wasseraufbereitung. Er erlaubt eine schnelle kontinuierliche und qualitative Beurteilung aller Aufbereitungsschritte. Memosens-Technologie, hygienisches Design, Verlässlichkeit der Messung wie im Labor sowie umfangreiche Optionen für Selbstreinigung und Überprüfung erweitern und vereinfachen den wartungsfreien Einsatzbereich. Der neue CUS52D ist als Inline- oder Bypassmessung in allen Schritten der Trinkwasseraufbereitung einsetzbar, wie Untersuchungen in der Praxis belegen.

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Kontinuierliche Trübungsmessung in der Trinkwasseraufbereitung

Klares Wasser als ästhetische Wahrnehmung der Reinheit ist eine Grundvoraussetzung für die Genusstauglichkeit von Trinkwasser, wie sie in der TrinkwV (L1) zwingend gefordert wird. Die Entfernung von Partikeln im aufbereiteten Wasser ist damit ein Qualitätsanforderung ersten Ranges für die Akzeptanz des Wassers beim Endverbraucher (L3).

Für Oberflächenwässer gilt zudem der Zusammenhang, dass mit einer möglichst weitgehenden Feststoffentfernung „auch Keime und Mikroorganismen mit hoher Sicherheit abgetrennt werden“ und in nachfolgenden Stufen der Entkeimung die eingesetzten Mittel sehr viel wirksamer eingesetzt werden können (L4).

Ein Maß für Feststoffe im Wasser ist die Trübung. Daher wird basierend auf §11 der TrinkwV nach Aufbereitung von Oberflächenwasser eine Trübung von 0,1…0,2 FNU bei nachfolgender Entkeimung gefordert (L2). Anzustreben ist ein Wert nach allen Aufbereitungsschritten von < 0,1 FNU (L3).

Lesen Sie auf Seite 2 mehr zum Einsatz der kontinuierlichen Trübungsmessung.

Damit fungiert eine kontinuierliche Trübungsmessung als „Hygienischer Hilfsparameter“ (L3) und dient der permanenten Überwachung aller Aufbereitungsschritte im täglichen Betrieb und in Ausnahmesituationen. Eine kontinuierliche Trübungsmessung wird nicht nur im Gesamtstrom gefordert, sondern unter bestimmten Voraussetzungen z.B. bei besonders gefährdeten Rohwässern, unvorhersehbarem Durchbruchsverhalten von Filtern auch im Ablauf jeder Aufbereitungseinheit (L3). Darüber hinaus kann die Trübungsmessung zur Kontrolle und Optimierung der Leistungsfähigkeit, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit jeder Aufbereitungsstufe genutzt werden. Die Trübungsmessung trägt damit zur Erhöhung der Sicherheit der Gesamtanlage bei.

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Aufgrund der hohen Aussagekraft und Bedeutung der Trübungsmessung in der Trinkwasseraufbereitung sind folgende Forderungen an die Prozessmesstechnik zu stellen:

• einfache Einsetzbarkeit in allen Aufbereitungsschritten,

• hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit im unteren Messbereich,

• Überprüfbarkeit der Ergebnisse,

• weitgehend wartungsfreie Messung,

• geringe Invest- und Betriebskosten.

Der neue Trübungssensor von Endress+Hauser mit Memosens-Technologie, hygienischem Design und Verlässlichkeit wie im Labor geht neue Wege, die genannten Anforderungen zu erfüllen, wie im folgenden Kapitel dargelegt und anhand eines Praxisbeispiels erläutert wird.

Verlässlichkeit durch Messung wie im Labor

Der Sensor arbeitet nach der 90°-Streulichtmethode bei einer Wellenlänge von 860 nm. Besonderes Augenmerk wurde auf eine hochgenaue und den Anforderungen exaktentsprechende Optik des Sensors gelegt. Die Norm ISO 7027 beschreibt die technische Auslegung der Trübungsmessung unter 90°, dem Winkel zwischen dem Weg des Lichtes aus der Lichtquelle und Optik kommend und dem Empfänger, der das Streulicht der beteiligten Partikel misst. Während der Empfänger eine optische Öffnung von ca. 20° aufweisen darf, wird für den Lichtstrahl quasi paralleles Licht einer Punktquelle gefordert - schlichtweg die herausragende technische Herausforderung für die Lichtquelle und die zugehörige Optik bei der Realisierung eines Prozesssensors, der dann auch noch über einen weiten Temperaturbereich arbeiten soll.

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Neu für einen Prozesssensor ist die exakte Übereinstimmung mit der Norm ISO 7027. Das schafft eine bis dahin nicht gekannte Verlässlichkeit: die Messung entspricht damit einer Labormessung und der werkskalibrierte Sensor muss vor Ort auch im niedrigen Trübungsbereich nicht kalibriert werden. Als Zubehör auswählbar sind Messwannen, die eine Messung unter weitgehender Vermeidung von Rückstreuungen und Wandeinflüssen ermöglichen. In diesen Behältnissen lassen sich mit dem Sensor vor Ort jederzeit aussagekräftige Vergleichsmessungen durchführen.

Dank digitaler Memosens-Technologie und „Hot Plug&Play“ ist die Inbetriebnahme des werkskalibrierten Sensors in kürzester Zeit erledigt. Eine Kalibrierung des Sensors ist nicht erforderlich. Lediglich die verwendete Einbauarmatur wird im Messumformer angegeben und damit automatisch die entsprechende Einbauanpassung eingestellt, die die Rückstreuung der Armatur berücksichtigt. Bei unbekannter Einbausituation kann eine Einbauanpassung basierend auf Material und Rohrdurchmesser eingegeben werden. Die Messstelle ist anschließend sofort messbereit.

Im laufenden Betrieb sind keine weiteren Einstellungen notwendig. Eine Überprüfung des Sensorzustandes nach Langzeiteinsatz erfolgt durch einfaches Aufstecken einer Festkörperreferenz auf den Sensorkopf. Eventuelle Abweichungen können dokumentiert und nachkalibriert werden.

Kostenreduktion durch Inline-Messung

Jeder Tropfen Wasser zählt. Betreiber verstärken ihre Anstrengungen Produktverluste im Netz und in den Wasserwerken zu minimieren. Rückspülungen in Filtrationsanlagen und die Bypässe z. B. für Analysenmessungen sind Quellen für ständigen Produktverlust. Werden wie oben beschrieben dazu an weiteren Messpunkten Trübungsmessungen eingesetzt, summieren sich die Verluste zu einer nicht mehr vernachlässigbaren Menge.

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Dank seines hygienischen Designs und der eingesetzten mediumsberührenden Werkstoffe des Edelstahlsensors gibt es mit dem neuen Turbimax CUS52D zwei Möglichkeiten, die Produktverluste zu vermeiden:

• Die Rückführung des Bypassstromes in die Trinkwasserleitung; hierbei müssen auch alle Leitungen und Armaturen Anforderungen an Materialien für Trinkwasser und hygienischen Ansprüchen genügen. Zudem muss der Druckverlust durch die Bypassführung ausgeglichen werden. Dieser Ausgleich ist durch Einsatz einer Pumpe im Bypassstrom oder durch Druckreduzierung im Hauptstrom z. B. mittels Blenden möglich. Beides ist mit Aufwendungen verbunden.

• Viel einfacher ist der Einsatz des neuen Sensors direkt inline in der Rohrleitung. Der Sensor macht sich wegen der Schmutzunempfindlichkeit und den geringen Installationsaufwand sofort bezahlt: die Installation ist denkbar einfach, zusätzliche Bypass-Installationen und in barer Münze aufsummierbare Produktverluste können vermieden werden. Selbstverständlich sind auch hier die gleichen hygienischen Anforderungen wie im Bypassstrom Voraussetzung.

Verwendet wird ein einfach zu lösender Prozessanschluss (Clamp), wie er bei Industrieprozessen häufig zum Einsatz kommt. Ideal ist diese Anschlussmöglichkeit z.B. bei der Wasserfassung oder zur Filterüberwachung. Damit lassen sich Produktverluste bei der Filterrückspülung minimieren. Der Einsatz als Inline-Sensor direkt an den Aufbereitungsstufen ist ideal dafür geeignet, geforderte hygienische oder energetische Prozessoptimierung durchzuführen. Entscheidend hierbei ist ein wartungsarmer Einsatz des Sensors, der lange Intervalle ohne jeden Eingriff ermöglicht.

Über lange Zeiträume wartungsfreier Einsatz

Das hygienische Design und die spezielle Oberflächenbehandlung des Sensors verhindern die Anhaftung von Partikeln oder Luftblasen. Optional stehen für Spezialfälle sehr wirkungsvolle Reinigungssysteme zur Verfügung.

In sehr hartnäckigen Fällen kann für einen nahezu wartungsfreien Betrieb die Ultraschallreinigung auf eine Rohrleitung oder eine Bypass-Armatur befestigt werden.

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Ähnlich wie bei der Reinigung von Brillengläsern beim Optiker werden hiermit anhaftende Verschmutzungen sehr wirksam entfernt. Die Vorteile der Reinigung sind:

• berührungslose Reinigung – keine hygienische Beeinträchtigung

• keine beweglichen Teile – nahezu wartungsfreies Reinigungskonzept

• leichte Installation

• Damit ist in allen Anwendungen ein über lange Zeiträume wartungsfreier Einsatz der leistungsfähigen Trübungsmessung planbar.

Neue Möglichkeiten in der Praxis bestätigt

Betriebsergebnisse zeigen eindrücklich die neuen Möglichkeiten des Sensors. Als Beispiel für eine solche Anwendung wird nachfolgend der Einsatz im WW Allmendfeld von Hessenwasser eingehender beschrieben.

Hessenwasser betreibt als kommunale Wasserbeschaffungsgesellschaft eine komplexe Infrastruktur für die nachhaltige Wasserversorgung in der Metropolregion Frankfurt/Rhein-Main. Das Versorgungssystem besteht derzeit aus 28 Trinkwassergewinnungsanlagen, 30 eigenen Trinkwassernetzbehältern mit Druckerhöhungsanlagen und rund 350 km Transportleitungen als Teil des regionalen Leitungsverbundnetzes. Darüber hinaus werden für die Grundwasseranreicherung und die landwirtschaftliche Beregnung drei Flusswasseraufbereitungsanlagen betrieben. Neben den eigenen Anlagen werden fünf Wasserverbände über eine Betriebsführung bzw. Geschäftsführung betreut. Die jährliche Trinkwasserabgabe beträgt rund 100 Millionen Kubikmeter, davon sind rund 60% Eigengewinnung.

Hessenwasser ist angetreten die Wasserversorgung durch Modernisierungs- und Automatisierungsmaßnahmen effizienter und wirtschaftlicher zu gestalten. Dabei kommt dem Qualitätsparameter Trübung bei der Kontrolle und Optimierung der Aufbereitung eine hohe Bedeutung zu.

Einsatz im Reinwasser

Bei der Installation im Bypass ist die Bildung von Luftblasen zu vermeiden. Die Installation und Inbetriebnahme der Teststellung erfolgte mit sehr geringem Aufwand. Hierzu wurde mit einem Ventil der Abfluss soweit reduziert und der Druck erhöht, dass keine Gasblasenbildung mehr vorhanden war.

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Sofort nach Inbetriebnahme und Beruhigung wurde ein stabiler Messwert von 0.03 FNU angezeigt; eine Kalibrierung war nicht notwendig. Anschließend wurde die Messung für die gesamte Messdauer von 50 Tagen ohne personellen Aufwand durchgehend betrieben.

Vergleicht man den Verlauf der Messwerte im Reinwasser mit den installierten Messungen, zeigen sich als erstes regelmäßige Spitzen. Hier als Trübung angezeigt werden Luftblasen, die bei den Filterrückspülungen mit Druckluft entstehen.

Damit kann die Messung sofort betriebliche Belange sichtbar machen – die Trübungsmessung ist ein ideales Werkzeug nicht nur zur Überwachung sondern auch zur Anlagenoptimierung.

Beim Verlauf der Trübung ist im Reinwasser zu sehen, dass im Vergleich zu den installierten Messungen über lange Zeiträume ein Betrieb im Medium ohne jede zusätzliche Reinigung und Wartung sehr stabil im untersten Messbereich von 0,01 bis 0,05 FNU möglich ist. Bei Beendigung der Messung war noch keinerlei Erhöhung der Messwerte aufgrund von Verschmutzung festzustellen.

Einsatz in Rohwasser

Auch der Einsatz über 50 Tage im Rohwasser bei schwankenden höheren Trübungsgehalten von 0,1 bis 0,4 FNU zeigt ähnliche Verläufe. Wieder zeigen die Messwerte, dass bei den Filterspülungen auch in diesen Rohrleitungsteil Luft gelangte. Diese bewirkt hier eine kurze Aufwirbelung von Partikeln, die eine längere Zeit benötigen, bis sie aus der Bypassinstallation verdrängt werden. Eine automatische Spülung des Bypasses oder der Einsatz der Messung direkt in der Rohrleitung würden dies schnell beheben. Anschließend ist aber das alte Niveau der Trübung wieder stabil erreicht und die Messung läuft auch hier ohne jeden manuellen Eingriff sicher.

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In Bild 6a ist der frisch aus der Armatur entnommene Sensor mit leichten Verschmutzungen zu erkennen. Mit Verschmutzung zeigt der Sensor an Luft nur eine Trübung von 0,02 FNU und nach Abwischen mit einem Papiertuch nur noch von 0,01 FNU (Bild 6b). Die anhaftende Verschmutzung nach 50 Betriebstagen im Rohwasser ist somit für die Messung unerheblich. Hier zeigt sich die gute Selbstreinigungsfähigkeit des Sensors mit dem hygienischen Design.

Der Einsatz zeigt, dass auch ein wartungsarmer Betrieb eines mediumsberührenden Sensors im feststoffhaltigen Trinkwasser möglich ist. Ein noch weit längerer Betrieb ohne jeden Eingriff läßt sich erreichen, wenn die beschriebene optionale Ultraschall-Reinigung installiert wird.

Damit zeigt sich, dass die Messung in allen Aufbereitungsstufen eines Wasserwerkes und als Referenzmessung im Labor sehr einfach einzustellen, handzuhaben und sehr wartungsarm ist.

Im Hinblick auf den personellen Aufwand durch das Fachpersonal vor Ort sind unkomplizierte Installation und Handhabung eines Messgeräts besonders wichtig. Die erzielten Ergebnisse entsprechen somit den Vorstellungen des Betreibers.

Literatur:

L1: TrinkwV "Trinkwasserverordnung in der Fassung der Bekanntmachung vom 2. August 2013 (BGBl. I S. 2977), die durch Artikel 4 Absatz 22 des Gesetzes vom 7. August 2013 (BGBl. I S. 3154) geändert worden ist"

L2: Umweltbundesamt, Liste der Aufbereitungsstoffe und Desinfektionsverfahren gemäß § 11 der Trinkwasserverordnung; Stand: November 2012

L3: DVGW Wasser-Information Nr. 53: Hinweise zur Optimierung der Partikelabtrennung bei der Wasseraufbereitung; Eine Information des DVGW-Fachausschusses „Wasseraufbereitung“; Ausgabe 5/98

L4: DVGW Wasser-Information Nr. 48: Kontinuierliche Trübungsmessung im Wasserwerk; Eine Information des DVGW-Fachausschusses „Wasseraufbereitung“; Ausgabe 2/97

* Ch. Wolter ist Marketing Manager Analyse bei Endress+Hauser, Weil am Rhein, und K. Stiller ist Mitarbeiter bei Hessenwasser.

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