5.1 Laborversuche
5.2.3 Kontinuierliche Versuche unter Regelung der einzutragenden Ozondosis
Abb. 21 zeigt exemplarisch den Verlauf eines Regelungsversuches. Hier sollte zunächst ein BSB5/CSB-Verhältnis von 0,07 erreicht werden. Nach den in den Vorversuchen ermittelten Korrelationen hat das Regelungsprogramm daraus den Ziel-SAK von 146,3 m-1 errechnet.
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9:30 11:30 13:30 15:30 17:30 19:30 21:30 Zeit [h]
Abb. 21: exemplarischer Versuchsablauf eines Pilot-Regelungsversuches (RV 6)
Eine Stunde nach Versuchsbeginn – um 11:26 Uhr – wurde der Ziel-SAK-Wert mit einer Ab-weichung von unter 2 % erreicht. Die sehr niedrigen, sprunghaft auftretenden, geringen Ozon-konzentrationen in Abb. 21 sind nicht durch die Regelung verursacht, sondern dadurch, dass hier die Ozonkonzentration im Offgas gemessen wurde. Im weiteren Versuchsverlauf wurde die Konzentration der zulaufenden Probe verändert. So wurden dem Zulauf um 12:17 Uhr bei gleich bleibendem Volumenstrom 200 l/h Frischwasser zugemischt. Nach 2 h war der Zielwert
wert wieder erreicht. So konnte mit diesem Versuch gezeigt werden, dass das erstellte Rege-lungsprogramm in der Lage ist, in akzeptabler Zeit einen gesetzten Zielwert zu erreichen und diesen bei Änderungen des zulaufenden Volumenstroms, der Zulaufkonzentration sowie des Zielwertes schnell wieder zu erreichen. Bei Ozonisierung der unverdünnten Probe wurden O-zoneinträge von 235 bzw. 259 g O3/m³ Wasser benötigt, um den Zielwert einzustellen. Bei der Verdünnung mit 150 l Frischwasser/h wurden nur 136 g O3/m³ benötigt, bei Verdünnung mit 200 l Frischwasser/h sogar nur 96 g O3/m³. Ohne eine Regelung des Ozoneintrages wären diese veränderten Abwasserkonzentrationen nicht bemerkt worden. Demzufolge wäre weiter über 200 g O3/m³ eingetragen worden, obwohl nur 136 bzw. 96 g O3/m³ benötigt wurden.
Durch den Einsatz einer Regelung können in diesem Fall für den Zeitraum der verringerten Zulaufkonzentration folglich 100 bzw. 140 g O3/m³ eingespart werden.
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16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 Zeit [h]
Abb. 22: Pilot-Regelungsversuch RV 3
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11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 Zeit [h]
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10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 17:30 18:30 Zeit [h]
ständige Änderung der Zulaufqualität
Abb. 24: Pilot-Regelungsversuch RV 7
Im Versuch RV 3 (Abb. 22) wurde gezeigt, dass die Regelungsstrategie den erreichten Ziel-wert über einen längeren Zeitraum (hier über 2,5 h) halten kann. Der Regelungsversuch RV 5 (Abb. 23) hat zum einen bestätigt, dass durch die Regelung nach veränderten Zulaufkonzent-rationen der ursprüngliche Zielwert wieder eingestellt werden konnte. Zum anderen konnte gezeigt werden, dass eine Veränderung des Volumenstroms ohne Auswirkung auf den SAK-Wert bleibt. Durch die kontinuierliche Volumenstrommessung wird das neue Steuersignal be-rechnet und damit die neue benötigte Ozonmenge produziert, bevor eine veränderte Wasser-qualität an der SAK-Sonde im Ablauf zu messen ist. Um 16:17 Uhr wurden für 30 – 60 sec 100 l/h Frischwasser zugemischt, um zu untersuchen, ob die Regelung durch eine kurzzeitige Veränderung gestört wird. Bereits nach 37 Minuten war der Ziel-SAK wieder erreicht. Im Ver-such RV 7 (Abb. 24) wurde, nachdem der Zielwert erreicht war, die Zulaufqualität ständig ge-ändert. Dies wurde durch die intervallweise Zumischung von Frischwasser realisiert. Nach Be-endigung dieser Störungen war der Zielwert nach 60 Minuten wieder erreicht.
Die Regelungsstrategie hat zwischen 37 min und 2 h benötigt, um auf Veränderungen zu rea-gieren und die Zielwerte einzustellen. Lediglich in einem Fall betrug die Zeitspanne zum Errei-chen des Zielwertes 5 h. Dies lag an einer Veränderung der Abwasserqualität zwisErrei-chen den Vorversuchen und den Regelungsversuchen (s. unten). Dadurch lagen die für die Regelung benötigten Werte außerhalb des Gültigkeitsbereichs der in den Vorversuchen ermittelten For-meln.
In den durchgeführten Regelungsversuchen im Pilotmaßstab konnte der berechnete Ziel-SAK mit einer Abweichung von maximal 0,7 % erreicht werden. Die gewählten Ziel-BSB5 /CSB-Verhältnisse wurden bei Abweichungen von durchschnittlich 62 % nicht erreicht. Die Ursache dafür liegt in der veränderten Abwasserzusammensetzung während der Regelungsversuche im Vergleich zu den Vorversuchen. Nachdem die Vorversuche abgeschlossen waren, hat sich die Belastung des Abwassers stark erhöht. So stieg beispielsweise der CSB von durchschnitt-lich 331 mg/l während der Vorversuche auf durchschnittdurchschnitt-lich 498 mg/l während der Regelungs-versuche, der SAK-Wert von 269 m-1 auf 373 m-1.
fabriksabwässer geworden. Die Betriebsführung großtechnischer Anlagen basiert auf den Aus-legungsdaten von Pilotversuchen. Eine Regelung der Ozondosis erfolgt bisher nicht. Die pro-duzierte Ozonmenge erfolgt lediglich in Abhängigkeit vom zu behandelnden Volumenstrom.
Eine Wirkungskontrolle der gewählten Zielgröße (bisher vor allem der CSB) erfolgt meist nur stichprobenartig, d. h. zum Beispiel arbeitstäglich im Rahmen der Eigenüberwachung. Dadurch werden veränderte Abwasserzusammensetzungen, die eine Anpassung der Ozondosis erfor-dern, oft erst mit erheblicher zeitlicher Verzögerung bemerkt.
Trotz umfangreicher Erfahrungen im Labormaßstab erfordert die Auslegung einer großtechni-schen Ozonstufe zur weitergehenden Abwasserreinigung in der Papierindustrie noch immer die Durchführung von Pilotversuchen, in denen die mögliche Schwankungsbreite der Abwas-serzusammensetzung zu erfassen ist. Durch einen im Vergleich zu den Pilotversuchen nur geringen zusätzlichen analytischen Aufwand (SAK- bzw. DOC-Messungen) kann eine ausrei-chende Datenbasis geschaffen werden, die zur Erstellung einer Regelungsstrategie genutzt werden kann. Die Implementierung dieser Regelungsstrategie in die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) der Ozonstufe ist technisch problemlos und praktisch ohne großen Zusatz-aufwand möglich. Die Ergebnisse des Vorhabens haben auch gezeigt, dass die Regelstrategie für verschiedene Abwässer unterschiedlich ausfällt und somit individuell zu ermitteln ist.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Ergebnisse des Vorhabens zukünftig dazu führen werden, dass neu errichtete Ozonstufen wirtschaftlicher betrieben werden können und die Gefahr einer Grenzwertüberschreitung weiter verringert wird. Die Online-Überwachung der Zielwerte im Ablauf bzw. die Messung von Parametern, die mit den Zielwerten ausreichend gut korrelieren, ermöglichen die Regelung der einzutragenden Ozonmenge, gleicht Schwankun-gen der Wasserqualität aus und führt so zu konstanteren Abwasserqualitäten.
Die Investitionskosten für eine Erweiterung bestehender Abwasserreinigungsanlagen mit einer Ozonstufe sind relativ hoch. Durch Senkung der laufenden Betriebskosten können für Betrei-ber von Abwasserreinigungsanlagen zusätzliche Anreize geschaffen werden, sich im Bedarfs-falle für dieses Reinigungskonzept zu entscheiden. Eine an die Abwasserbeschaffenheit ange-passte Regelung der Ozonproduktion kann hierzu beitragen.
Tab. 2: Abschätzung der Betriebskosten einer Ozonanlage
ohne mit
Regelung der einzutragenden O3-Dosis
CSBAbw. Zulauf O3. mg/l 223 183
CSBAbw gereinigt mg/l 137 137
Volumenstrom Wasser m³/h 100 100
Ozondosis g/m³ 135 80
Ozonkonzentration (Gas) g/m³ 150 150
erf. Ozonmasse kg/h 13,50 8,00
Betriebskosten
spez. Energiebedarf kWh/kg O3
Energiebedarf kWh/h 135,00 80,00
spez. Energiekosten €/kWh
Energiekosten pro h €/h 8,10 4,80
Sauerstoffbedarf m³/h 90,00 53,33
spez. Sauerstoffkosten €/Nm³
Sauerstoffkosten pro h €/h 9,00 5,33
€/h 17,10 10,13
0,10 0,06 10,00
Ausgehend von dem in Abb. 14 dargestellten Regelungsversuch mit Probe A sind in Tab. 2 die Betriebskosten einer ungeregelten und einer geregelten Ozonanlage gegenübergestellt. Im Ablauf sollte hier ein CSB von 137 mg/l eingestellt werden. Die verringerte CSB-Konzentration des zulaufenden Wassers von 223 mg/l auf 183 mg/l wird von einer ungeregelten Ozonanlage nicht „bemerkt“. Sie produziert bei einem angenommenen Wasservolumenstrom von 100 m³/h weiterhin 13,50 kg O3/h. Hierfür fallen Energiekosten von 17,10 €/h bzw. 0,17 €/m³ Wasser an.
Eine Ozonanlage mit geregelter Ozonproduktion würde auf die verringerte Abwasserkonzent-ration reagieren und lediglich 8,00 kg O3/h produzieren. Dabei fallen für die benötigte Energie 10,13 €/h bzw. 0,10 €/m³ Wasser an. Hochgerechnet auf ein Jahr würden im ungeregelten Fall 150.000 € für die Ozonbehandlung anfallen. Bei einer angenommenen Abweichung der Zu-laufkonzentration in 50 % der Betriebszeit könnten bei Anwendung einer Regelung 30.100 € an Betriebskosten eingespart werden. Das entspricht einer Einsparung von 20 % pro Jahr. Bei Berücksichtigung der Investitionskosten einer Ozonanlage von 750.000 € mit einer Abschrei-bung von 6 % über 10 Jahre beträgt die Einsparung durch eine Regelung 8,5 % pro Jahr.
Nach dem hier untersuchten Prinzip sind zur Regelung des Ozoneintrags eine SAK-Sonde und Programmierarbeit nötig, wenn ein Prozessleitsystem sowie eine Analogkarte zur Implementie-rung vorhanden sind. Nach [12] wurden die Investitions- und Wartungskosten für die benötig-ten Online-Messgeräte abgeschätzt. Für eine SAK-Sonde betragen die Investitionskosbenötig-ten 15.000 €, 1.300 €/a für Wartung und Reparaturen und für die Programmierarbeit 4.000 €. Die-se Kosten haben sich bereits nach 8 Monaten amortisiert. Bei Regelung nach dem DOC-Wert fallen Investitionskosten von 28.000 € für das DOC-Online-Messgerät an sowie 2.880 €/a für Chemikalien und Gas und 6.400 € für Wartung und Reparaturen. Diese Kosten würden sich nach 1,5 Jahren amortisieren. Vorteil hierbei wäre jedoch u. U., dass sich in Abstimmung mit den zuständigen Wasserbehörden das TOC-Gerät gleichzeitig zur Überwachung der Direktein-leitung einsetzen ließe.
Die Anwendung einer geregelten Ozonproduktion bietet also ein großes Einsparpotenzial und ist daher besonders für kleine und mittelständische Unternehmen interessant. Diese Einspar-möglichkeiten bei den laufenden Betriebskosten stellen für die Betreiber von Abwasserreini-gungsanlagen einen zusätzlichen Anreiz bei der Entscheidungsfindung für den Einsatz dieser hochinnovativen Reinigungstechnologie dar.