Steuerungsoptimierung von Sandfangräumern mit stationärem Durchflussmesssystem von Katronic

Ultraschalldurchflussmesser als Trübungs- und Durchflusswächter zur besseren Sandfangsteuerung auf Kläranlagen

In klassischen dreistufigen Abwasserbehandlungsanlagen (kurz: Kläranlagen) sind Sand- und Fettfänge als Verfahrensschritt in der ersten mechanischen Vorbehandlungstufe unentbehrlich, da hier alle Stoffe gefiltert werden, die zu betrieblichen Störungen (Verschleiß, Verstopfung) innerhalb der Anlage führen können. Sand, Steine, Glas, mineralische Feststoffe und sonstige Verunreinigungen mit Korngrößen von 0,2 mm bis 1 mm setzen sich in dieser Vorbehandlungsstufe am Boden des Sandfangs ab. Das im Abwasser mitgeführte Fett schwimmt auf, wird in belüfteten Sandfängen in der Regel von selbst abgeschieden oder kann mithilfe einer geschlitzten Trenn- oder Tauchwand ebenfalls abgeschieden werden. Auf modernen Anlagen wird das Sandfanggut nach der Entnahme aus dem Sandfang gewaschen, also von organischen Begleitstoffen befreit, um eine bessere Entwässerung und Wiederverwertbarkeit der mineralischen Feststoffe (beispielsweise im Straßenbau) zu erzielen. Anschließend erfolgt in einem zweiten Schritt eine Vorklärung (Sedimentation) des Abwassers, bevor in nachgeschalteten Stufen die eigentliche Abwasserbehandlung in Form von biologischen Abbau- und chemischen Zersetzungsverfahren umgesetzt wird.

Das Technische Büro Holger Pinta verwendet stationäre Ultraschalldurchflussmesssysteme des Gerätetyps KATflow 100 oder KATflow 150, um die Trübung durch Sandaufkommen in Sandfang-Druckleitungen zu erkennen und darüber Pumpvorgänge effizienter steuern zu können. Die Clamp-on-Messwandler der fest installierten Durchflussmesseinheiten - die ansonsten üblicherweise für Durchflussmessungen von Flüssigkeiten mit Feststoffgehalten < 10 % zum Einsatz kommen - erfassen die Trübung durch Sand als Ausdruck verminderter Signalstärke. Erfahrungsgemäß zeigt sich eine umgekehrte Proportionalität von einem höheren Sandaufkommen zur Amplitude des Ultraschall-Empfangssignals. Die über die Jahre gewonnenen Mess- und Erfahrungswerte sowie Modellbildungen ermöglichen es heute, die durch Sand erzeugte Trübung in der Druckleitung so auszuwerten, dass Verkürzungen der Betriebszeiten (Pumpe und Räumer), also eine Optimierung der Sandfangsteuerung bis zu 85 % erreicht wird. Ein weiterer Vorteil dieser Anwendung ist, die Pumpenförderleistung kontinuierlich überwachen zu können. Wer seine Prozessspitzen besser kennt, kann den Energieinput für seine Sandfangpumpen besser steuern und so einem frühen, hohen Verschleiß entgegenwirken.

Zwei spezielle Ultraschallsensoren erfassen die Trübung ohne Kontakt zum Medium in der zwischen DN 80 … DN 100 mm ausgelegten Sandfang-Druckleitung nach dem Einschalten der Schwimmschlammpumpe. Zusätzlich wird über einen Feuchte- und Luftdrucksensor die Wettersituation miteinbezogen. In einer für den Sandfangräumer entwickelten Steuerung werden die Signale der Messwandler und die Wetterinformationen so ausgewertet, dass der Räumzyklus entsprechend dem Sandanfall im Gerinne erfolgt. Unnötige Betriebszeiten bei wenig Sandanfall (Trockenwetter) können so erheblich minimiert werden. Die beiden Wandler (Sender + Empfänger) werden mittels spezieller Rohrschellen außen in einem senkrechten Bereich der Druckleitung (Strömung aufwärts) befestigt. Sie sind mit der stationären Auswerteeinheit festverdrahtet, mit deren Hilfe die Messwerte über eine Stromschnittstelle 4 … 20 mA auf die zentrale Steuerung, eine Siemens-SPS mit Display, übertragen werden.
Über die Sensoren an der Druckleitung kann festgestellt werden, ob und wie viel Sand gepumpt wird. Die Einschaltzeit der Pumpe und die Pausenzeit des Räumers wird entsprechend angepasst. Bei geringem oder keinem Sandanfall wird die Pausenzeit verlängert bis max. einmal pro Tag. Bei starken Sandablagerungen werden Räumer und Pumpe beispielsweise so gesteuert (kurzer Stopp in Bereichen mit max. Trübung), dass nach jedem Räumintervall die Sandrinne weitestgehend entleert ist. Das Standardprogramm kann für jede Anlage entsprechend der spezifischen Bedingungen eines Sandfangs modifiziert werden.

Die an der Druckleitung installierten Messwandler erfüllen noch einen zweiten Zweck auf Abwasserbehandlungsanlagen: Die Überprüfung der Durchflussmenge. Sobald die Förderleistung einen einstellbaren Grenzwert dauerhaft unterschreitet (Verschleiß Laufrad/Verstopfung), erfolgt eine optische Warnmeldung. Mit Einsatz dieser vom Technischen Büro Holger Pinta entwickelten Steuerungsoptimierung werden alle Prozesse ringsum der Sandfänge auf Kläranlagen transparent. Anlagenbetreiber können nicht nur effizienter Pumpe und Räumer steuern, vielmehr sehen sie jederzeit kontinuierlich im Prozess, wenn ein Verschleiß der Pumpen und/oder des Laufrads drohen oder ein zu hoher Energieeinsatz aufgewendet wird.