66
Abschlussbericht Vierte Phase zum Abschluss der Projekte AZ 09936/01-/02: Bau und Erprobung einer mobilen Versuchsanlage im technischen Maßstab zur Optimierung der Entwässerung von kommunalen Klärschlämmen mit Hilfe eines online geregelten Flockungsprozesses Aktenzeichen AZ 09936/03 Clausthaler Umwelttechnik-Institut GmbH – CUTEC-Institut GmbH – Leibnizstr. 21 + 23 D-38678 Clausthal-Zellerfeld Tel. 05323 933-272 Fax 05323 933-100 E-Mail: [email protected] Internet: www.cutec.de 29.02.2008

Vierte Phase zum Abschluss der Projekte AZ 09936/01 … · Zur Programmierung des Flockungssensors wird die Programmiersprache LabVIEW verwendet. LabVIEW ist eine grafisch orientierte

  • Upload
    vankiet

  • View
    219

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Abschlussbericht

Vierte Phase zum Abschluss der Projekte

AZ 09936/01-/02:

Bau und Erprobung einer mobilenVersuchsanlage im technischen Maßstab

zur Optimierung der Entwässerungvon kommunalen Klärschlämmenmit Hilfe eines online geregelten

Flockungsprozesses

Aktenzeichen AZ 09936/03

Clausthaler Umwelttechnik-Institut GmbH

– CUTEC-Institut GmbH –

Leibnizstr. 21 + 23

D-38678 Clausthal-Zellerfeld

Tel. 05323 933-272

Fax 05323 933-100

E-Mail: [email protected]

Internet: www.cutec.de

29.02.2008

Abschlussbericht AZ 09936/03

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

2

Konsortium

Clausthaler Umwelttechnik-Institut GmbH

(CUTEC-Institut)

Leibnizstraße 21+23

D-38678 Clausthal-Zellerfeld

Dr.-Ing Chr. Schröder

Dipl.-Ing. M. Niedermeiser

Prof. Dr.-Ing. M. Sievers

HAB Heiland Apparatebau

Alt-Salbke 6-10

39122 Magdeburg

Dipl.-Ing. H. Heiland

AUCOTEAM GmbH

Ingenieurgesellschaft für Automatisierungs-

und Computertechnik mbH

Storkower Straße 115 a

D-10407 Berlin

Dipl.-Ing. B. Röding

Dr.-Ing. H. Merten

Klärwerk Hildesheim

Kanalstraße 50

31137 Hildesheim

Frau Dipl.-Ing. M. Hoffrichter-Bohle

Abschlussbericht AZ 09936/03

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

3

Inhaltsverzeichnis

1. EINLEITUNG.................................................................................................................................................................4

2. DER FLOCKUNGSSENSOR ........................................................................................................................................6

2.1. DIE CCD- ZEILENKAMERA ALS SENSORBASIS ............................................................................................................6

2.2. GRUNDLAGEN DER SOFTWARE ..................................................................................................................................8

2.2.1. Programmiersprache LabVIEW.....................................................................................................................8

2.2.2. Grundkonzept .................................................................................................................................................8

2.2.3. Strukturierung von Hard- und Software ......................................................................................................10

2.3. DER FLOCKUNGSSENSOR DER ERSTEN GENERATION...............................................................................................14

2.3.1. Bedienoberfläche und Softwaremenüs.......................................................................................................14

2.3.2. Messstrategie ...............................................................................................................................................17

2.3.3. Klärschlammbild aufnehmen .......................................................................................................................18

2.3.4. Klärschlammbild bearbeiten ........................................................................................................................19

2.3.5. Klärschlammbild analysieren .......................................................................................................................19

2.3.6. Prozessleitsystem ........................................................................................................................................20

2.3.7. Neuronales Netz...........................................................................................................................................21

2.3.8. Visualisierung der Prozessdaten.................................................................................................................22

2.3.9. Protokollierung der Messdaten....................................................................................................................22

2.4. TECHNISCHE AUSFÜHRUNG DER ERSTEN GENERATION............................................................................................22

2.4.1. CCD - Zeilenkamera ....................................................................................................................................22

2.4.2. Regelbare Lichtquelle ..................................................................................................................................23

2.4.3. Industrie- PC (IPC).......................................................................................................................................24

2.4.4. Steuerungsschaltschrank ............................................................................................................................25

2.4.5. Justage der Sensoranordnung ....................................................................................................................27

2.5. ZWEITE GENERATION FLOCKUNGSSENSOR..............................................................................................................29

2.5.1. Software........................................................................................................................................................29

2.5.2. Technische Ausführung des „FlocSens“ Flockungssensors......................................................................34

2.5.3. Messungen mit dem „FlocSens“ Flockungssensor ....................................................................................37

3. DAS FLOCKUNGSSYSTEM ......................................................................................................................................41

3.1. DIE EINGESETZTEN KONDITIONIERUNGSANLAGEN .....................................................................................................42

3.1.1. Die ursprüngliche Konditionierungsanlage .................................................................................................42

3.2. ERFAHRUNGEN MIT DER FLOCFORMER-TECHNOLOGIE AUßERHALB DES PROJEKTES.................................................47

3.3. VERSUCHE MIT DEM NEUEN FLOCFORMER IN HILDESHEIM ........................................................................................61

3.4. ÜBERSICHT DER GESAMTERGEBNISSE FLOCFORMER...............................................................................................64

4. ZUSAMMENFASSUNG ...............................................................................................................................................66

1 Einleitung

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

4

1. EinleitungDie Verfahrensstufen ”Eindicken” und ”Entwässern“ sind im Kläranlagenbetrieb von großer Be-

deutung, weil sie entscheidend die Kosten der nachfolgenden Klärschlammverwertung oder

-entsorgung, insbesondere die der thermischen Verwertung, beeinflussen. Eine Optimierung

der mechanischen Entwässerung trägt erheblich zur Reduzierung der Gesamtkosten der Ab-

wasserbehandlung bei.

Zielsetzung des vorgestellten Projektes ist die Erprobung einer automatisierten Lösung zur Op-

timierung der Konditionierung und Entwässerung von kommunalen Klärschlämmen. Auf diese

Weise soll zum einen das Ergebnis der mechanischen Entwässerung verbessert und zum an-

deren der Polymerverbrauch verringert werden.

Folgende Teilaspekte sollten im Rahmen des Projektes behandelt werden:

- die praktische Umsetzung bestimmter Strömungszustände in technischen Apparaten,

um eine gezielte Formung von der Schlammflocken und damit ein besseres Fest-

Flüssig-Trennverhalten zu erzielen

- die online-Messung von Partikelgrößenverteilungen geflockter Schlämme, um damit den

Zustand der geformten Flocken im Hinblick auf das Entwässerungsverhalten beurteilen

zu können.

Im Einzelnen sollte hierzu ein Flockungssystem mit einem Durchsatz bis zu ca. 30 cbm Klär-

schlamm pro Stunde maschinentechnisch entworfen, gebaut und auf verschiedenen Kläranla-

gen erprobt werden. Weiterhin war die Entwicklung eines Messsystems auf Basis einer Zeilen-

kamera im online-Betrieb zu erproben.

Das neuartige Konditionierungssystem zur Behandlung kommunaler Klärschlämme besteht aus

einem zweistufigen Flockungsapparat und einem Flockungssensor. Die zwei Stufen des Flo-

ckungsapparates besitzen bis zu vier verschiedene Steuerungsmöglichkeiten. In Verbindung mit

dem Flockungssensor ermöglicht die Mischtechnik eine zeitnahe Regelung der Konditionierung

sowohl in Hinsicht auf die Zugabe des Flockungshilfsmittels als auch auf die eingesetzte Flo-

ckungskinetik. Das System wurde im Vorfeld des Demonstrationsprojektes über mehrere Jahre

im halbtechnischen Pilotmaßstab erprobt und ist mittlerweile in verschiedenen Baugrößen am

Markt verfügbar. Abbildung 1 zeigt beispielhaft das Verfahrensschema einer kommunalen Klär-

schlammbehandlung inklusiv der neuen Konditionierungstechnik.

1 Einleitung

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

5

Abbildung 1: Einbindung der neuen Konditionierungstechnik in den Kläranlagenprozess

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

6

2. Der FlockungssensorMit Hilfe des Flockungssensors wird der konditionierte Schlamm analysiert. Das Verfahren ar-

beitet ohne Probenahme und ohne Beeinflussung des Messmediums durch Beobachtung der

Schlammflocken mit Hilfe einer Kamera. Es ist deshalb sehr bedienungsfreundlich und relativ

sicher. Mit einer Zeilenkamera wird der Grauwerteverlauf einer Zeile erfasst. Aus diesem Grau-

werteverlauf werden mit Hilfe mehrerer Bildverarbeitungsschritte mittlere Sehnenlängen von Flo-

cken berechnet. Die Summation aller erfassten Sehnenlängen führt zu einer Flockengrößenver-

teilung, aus der dann wiederum weitere Merkmale abgeleitet werden können. Die abgeleiteten

Merkmale geben dann Hinweise auf die Qualität der Flockung. In Abbildung 2 wird das

generelle Funktionsschema des Flockungssensors aufgezeigt. Bei Feststellung einer Abwei-

chung von der idealen Flockenstruktur wird die Betriebsweise des Flockungsreaktors und ggf.

des Rapid-Mischers so angepasst, dass die gewünschte Struktur erreicht wird.

Abbildung 2: Generelles Funktionsschema des Flockungssensors

Die Kenntnis der optimalen Flockenstruktur ermöglicht eine zielorientierte Regelung der Konditio-

nierung. Die Umsetzung der Anforderungen an die Flockenstruktur erfolgt in den beiden Flo-

ckungsreaktoren (Rapid-Mischer und Flockungsreaktor). Beide Reaktoren sind hintereinander

geschaltet und das Endprodukt aus beiden Reaktoren wird analysiert.

2.1. Die CCD- Zeilenkamera als Sensorbasis

Eine CCD-Zeilenkamera (CCD = charged coupled device) besteht aus den beiden optischen

Komponenten CCD-Zeile und Objektiv. Das Objektiv bildet einen linienförmigen Bereich des Ob-

jekts auf die CCD-Zeile ab. Eine CCD-Zeile besteht aus vielen einzelnen Photodioden (meist

Sehnenlängenverteilung

Zeilen-kamera

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 100 200 300 400[pixel]

Partikelanzahl-Summenverteilung

Bildverarbeitungsschritte

line scan

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

7

2048 oder 4096), die in einer Zeile angeordnet sind. Jede dieser Photodioden, deren lichtemp-

findliche Fläche meist 10µm x 10µm groß ist, entspricht einem Bildpunkt (engl.: Pixel). Nach Ab-

lauf der Integrationszeit (z.B. 2 Millisekunden) wird die Helligkeit eines jeden einzelnen Bildpunk-

tes durch Ladungsverschiebung elektronisch „ausgelesen“, so dass die linienhafte optische

Information elektronisch weiterverarbeitet werden kann.

Abbildung 3: Funktionsprinzip einer CCD - Zeilenkamera

Die CCD-Zeilenkamera erfasst von dem vorbeiziehenden Medium jeweils eine einzelne Zeile an

Bildpunkten.

Abbildung 4 verdeutlicht die Arbeitsweise einer CCD-Zeilenkamera. Dort erfasst eine festste-

hende CCD-Zeilenkamera eine sich von links nach rechts bewegende Sechskantmutter in vier

aufeinander folgenden Segmenten.

Abbildung 4: Arbeitsweise einer CCD-Zeilenkamera

A = Brennweite

B = Lesedistanz

D = Lesehöhe

C = Tiefenschärfe

Schauglas

Kamera

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

8

Über dem Kamerasymbol sind nebeneinander das rechte, die beiden mittleren und zuletzt das

linke Teilsegment der Sechskantmutter in der Reihenfolge dargestellt, wie sie von der Kamera

eingelesen werden.

Die darüber liegende Reihe enthält die Abbildungen der schrittweise erfassten Teilsegmente, die

um das jeweils zuletzt eingelesene Teilsegment ergänzt werden. Dieses Beispiel dient einzig der

Veranschaulichung der Arbeitsweise einer CCD-Zeilenkamera und ist, was die Auflösung der

eingelesenen Segmente bzw. Zeilen anbelangt, natürlich grob vereinfacht dargestellt.

Die Scan-Technik auf Zeilenbasis erlaubt ein lückenloses Erfassen unterschiedlichster Objekte,

dadurch können Zeilenkameras im Vergleich zu Videokameras noch flexibler an die jeweils ge-

gebene Situation angepasst werden. Anstatt mit einer starren Bildwiederholfrequenz zu arbeiten,

kann die Belichtungszeit den Erfordernissen der Messung angeglichen werden, somit eine Syn-

chronisation zu der Geschwindigkeit der Objekte erfolgen.

Des Weiteren ist die Pixelauflösung der Zeilenkameras gegenüber Videokameras in der Regel

erheblich höher. In Verbindung mit der kurzen Belichtungszeit ist eine gute Bildschärfe bewegter

Objekte auch im µm- Bereich gewährleistet.

2.2. Grundlagen der Software

2.2.1.Programmiersprache LabVIEW

Zur Programmierung des Flockungssensors wird die Programmiersprache LabVIEW verwendet.

LabVIEW ist eine grafisch orientierte Programmierumgebung der Fa. Nationale Instruments.

2.2.2.Grundkonzept

Im Rahmen der Entwicklungen der Software zur Mess- und Verfahrensführung der Klär-

schlammkonditionierungsanlage sind die folgenden Teilaufgaben zu lösen.

Bedienung der Software

Für die Messsoftware sollen zweckgerichtet spezifische Bedieneroberflächen entwickelt wer-

den. Für Einstell-, Kontroll- und Parameterzugriffe sollen ein entsprechender Service-Bereich

und zur Bedienung ein möglichst einfaches Dialog- Menü geschaffen werden. Zur Realisierung

dieser Aufgaben ist die Programmiersoftware LabVIEW ein nahezu optimales Werkzeug. Mit ihr

lassen sich mit Hilfe der Frontpaneltechnologie relativ zügig Bedienoberflächen bzw. Benutzer-

schnittstellen programmieren. Damit nach Beendigen der Messsoftware nicht alle Parameter und

Einstellungen der Messkonfiguration verloren gehen, ist die Möglichkeit der Abspeicherung die-

ser Daten in Form einer Initialisierungsdatei vorzusehen.

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

9

Bildaufnahme

Das Aufnehmen von Klärschlammbildern über eine CCD-Zeilenkamera ist in mehrere Teilaufga-

ben zerlegbar. Einmal ist es notwendig, die CCD-Zeilenkamera über eine Software anzusteuern

bzw. zur Aufnahme der Klärschlammbilder zu bewegen. Dabei muss entschieden werden, über

welche Schnittstelle die Kamera angesprochen werden soll. Eine Messung beruht auf verschie-

denen Parametern (Bildgröße/-format, Anzahl der Messungen usw.). Diese Parameter können

entweder während der Laufzeit vom Nutzer eingegeben werden oder sie werden dem Messpro-

gramm in Form von Dateien zugeführt.

Belichtung des Klärschlamms

Um eine ausreichende Belichtung des Klärschlamms während der Messung zu gewährleisten,

ist zusätzlich zu der Kamerabelichtung eine weitere Lichtquelle notwendig. Eine solche Lichtquel-

le ist in Form einer Kaltlichtquelle für das Projekt bereits vorgesehen. Diese Kaltlichtquelle er-

zeugt mit Hilfe eines LWL-Faserbündels ein Linienlicht, mit dem sich der Klärschlamm bzw. die

CCD-Zeile der Kamera optimal beleuchten lässt. Um die Flockenstruktur des Klärschlamms

auch bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten optimal abbilden zu können, muss die Belichtung

des Klärschlamms entsprechend angepasst werden. Dazu ist es notwendig, dass neben der

verstellbaren Belichtungszeit der CCD-Zeilenkamera auch die Helligkeit der Kaltlichtquelle regel-

bar ist. Diese Optimierung von Helligkeitsintensität und Belichtungszeit muss von der Software

realisiert werden. Dabei sind die Schnittstellen zwischen Soft- und Hardware (Kaltlichtquelle) zu

klären und die Ansteuerung entsprechend zu realisieren.

Bildbearbeitung

Nach der Aufnahme eines Klärschlammbilds müssen an diesem eine Reihe von normierten

Bildbearbeitungsbefehlen durchgeführt werden, um eine anschließende Schlammanalyse vor-

zubereiten. Die Art der Bildbearbeitungsbefehle sowie die dazugehörigen Parameter wurden

bereits im Testlabor ermittelt und sind für das Projekt bindend festgelegt. Daher beschränkt sich

die Aufgabe der Software auf die Organisation der Bildverarbeitung.

Bildanalyse

Nach der Bildverarbeitung soll eine optische Bewertung des erhaltenen Bilds nach normierten

Behandlungsregeln erfolgen. Die Analyse der Bilddaten umfasst eine mathematisch statistische

Auswertung. Die Auswertung soll über Auswertealgorithmen zur Abschätzung der Flockengröße

(Sehnenlängen) und Flockengrößenverteilung realisiert werden. Abschließend muss eine Klas-

sifizierung der erhaltenen Sehnenlängenverteilungen zu bereits vordefinierten Qualitätsparame-

tern stattfinden. Eine solche Auswertung kann mit Hilfe der mathematischen Bibliotheken der

Programmierumgebung LabVIEW durchgeführt werden.

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

10

Einbindung der Messsoftware in die Verfahrensführung

Des Weiteren sind Anforderungen hinsichtlich der Verfahrensführung an die Software zu stellen.

Die von der Messsoftware ermittelten Qualitätsparameter müssen zwecks Bildung von Stellgrö-

ßen an das Neuronale Netz weitergereicht werden. Nachdem das Neuronale Netz die Sollwert-

vorschläge für die Stellglieder der Klärschlammkonditionierungsanlage ermittelt hat, werden die-

se an die Messsoftware gesendet. Dazu muss eine bidirektionale Kommunikation zwischen

LabVIEW und dem Neuronalen Netz geschaffen werden. Da das Neuronale Netz bei der Inbe-

triebnahme der Anlage noch nicht über ausreichend viele Referenzdaten verfügt, erscheint es

sinnvoll, vor dem Hinzuschalten des Neuronalen Netzes in den Regelbetrieb eine Datenbank

von Klärschlammmesswerten anzulegen. Mithilfe dieser Datenbank kann der Anlernlernprozess

des Neuronalen Netzes beschleunigt werden. Es gehört zu den Aufgaben der Messsoftware,

eine derartige Datenbank zu realisieren. Die Datensätze müssen neben den Qualitätsparame-

tern auch die jeweils aktuellen Online-Stellgrößen der Flockenreaktoren enthalten, damit das

Neuronale Netz entsprechende Korrelationen zwischen Ein-/Ausgangsgrößen entwickeln kann.

Um das Anlegen einer solchen Datenbank weitestgehend zu automatisieren, ist ein Menü inner-

halb der Messsoftware vorzusehen, in dem es möglich ist, Start- und Stoppwerte für die Stell-

größen sowie eine variable Schrittweite vorzugeben. Um die vom Neuronalen Netz gebildeten

Stellgliedersollwerte an das Prozessleitsystem (SPS) weiterzureichen, muss des Weiteren eine

Kommunikation zwischen der Messsoftware und dem Prozessleitsystem realisiert werden. Dazu

erscheint es sinnvoll, auf das Client- Server Prinzip zurückzugreifen. Es muss recherchiert wer-

den, mit welchen Softwaretools diese Kommunikation zu realisieren ist. Um eine komfortable

Verfahrensführung des Gesamtprozesses zu ermöglichen, sollen auch Störmeldungen und On-

line-Prozesswerte über die Messsoftware visualisiert werden. Für die Störmeldungen ist eine

gesonderte Quittiermöglichkeit vorzusehen.

Speicherung der Messdaten

Um eine Weiterverarbeitung in anderen Softwareumgebungen bzw. eine graphische Darstellung

der Messdaten zu ermöglichen, ist die Speicherung der Messdaten in Dateiform notwendig.

Dabei besteht die Möglichkeit, die Messwerte in Form eines Messprotokolls in Textdateien, in

Exceldateien oder in einer Datenbank zu speichern.

2.2.3.Strukturierung von Hard- und Software

2.2.3.1. Gerätevernetzung und Kommunikation

Um dem Anspruch einer modernen Klärschlammkonditionierungsanlage zu entsprechen, wurde

neben den konstruktiven Innovationen ein dazu passendes und intelligentes Steuerungskonzept

entworfen, siehe Abbildung. Im Mittelpunkt steht dabei ein Industrie-PC (IPC) mit den darauf in-

stallierten Softwarekomponenten und der angekoppelten SPS, worüber der überwiegende Teil

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

11

der Anlagensteuerung realisiert bzw. organisiert wird. Auch Kamera, Lichtquelle und Reinigung

werden über den Industrie-PC gesteuert.

Grundsätzlich ist die Klärschlammkonditionierungsanlage auch ohne Messsoftware (LabVIEW)

steuerbar. Mit der auf dem IPC installierten Software IO-Display, die ähnlich wie LabVIEW als

OPC-Client arbeitet, ist das Bedienen und Beobachten der Anlage ebenfalls möglich. Diese Soft-

ware bietet eine Bedieneroberfläche, in der Sollwertvorgaben für die Stellglieder direkt eingege-

ben werden können. Zusätzlich werden auch Online-Werte der Prozesssensorik und Störmel-

dungen der Anlage angezeigt. Das Bedienen und Beobachten der Anlage über das IO- Display

ist überwiegend für die Inbetriebnahmephase vorgesehen. Erst wenn die vollständige Funktiona-

lität des Prozessleitsystems und der Anlagenkonstruktion festgestellt ist, ist es sinnvoll, die An-

lage mit der Messsoftware und dem Konditionierungssensor zu fahren.

Eine Regelung der Klärschlammkonditionierungsanlage ist einzig über die Messsoftware mög-

lich. Über das IO-Display kann die Anlage nur im Handbetrieb (also ungeregelt) gefahren wer-

den.

Die vier Stellgrößen (Flockungsreaktoren) werden über separate Frequenzumrichter angesteu-

ert und befinden sich in ständiger Kommunikation mit dem Prozessleitsystem. Die SPS erhält die

Sollwerte für die Stellgrößen von dem Industrie-PC und reicht sie an die entsprechenden Fre-

quenzumrichter weiter. Des Weiteren werden die Istwerte der Stellgrößen über die entsprechen-

de Sensorik und mögliche Störmeldungen der Antriebe über die Frequenzumrichter an die SPS

übermittelt.

2.2.3.2. Projektmanagement durch den Industrie- PC

Dem Industrie- PC (IPC) kam im Mess- und Steuerungskonzept der alten Klärschlammkonditio-

nierungsanlage eine tragende Rolle zu. Der Industrie- PC verwaltete und organisiert sämtliche

Softwarekomponenten des Projekts. Als Rechner- Betriebssystem war Windows NT 4.0 instal-

liert. Dieses Betriebssystem zeichnet sich insbesondere durch seine Systemstabilität aus und

wird daher vielfach in der Industrie eingesetzt.

Abbildung 5 : Projektmanagement durch den IPC

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

12

2.2.3.3. Softwarearchitektur und Schnittstellen

Ein wesentlicher Bestandteil der Softwarearbeit liegt in der Zusammenfassung und Vereinheitli-

chung von Softwaremodulen der Messdatenerfassung/-verarbeitung. Bisher ist es zur Bedie-

nung des Gerätes Schlammsensor notwendig, mehrere unterschiedliche Softwaremodule zu

starten (siehe Abbildung 6), um die einzelnen Arbeitsschritte der Schlammanalyse/-bewertung

durchzuführen. Entsprechend der Aufgabenstellung soll dieser Softwarepool für den Einsatz

fertig entwickelter Geräte strukturiert, vereinheitlicht, im erforderlichen Umfang ergänzt und mit

einer geeigneten Bedienoberfläche versehen werden. In Abbildung 7 ist die ermittelte Software-

struktur dargestellt, welche die gestellten Anforderungen umsetzen soll.

Abbildung 6: Softwarestruktur in der vorherigen Projektphase

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

13

Abbildung 7: Aktuelle Softwarestruktur

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

14

2.3. Der Flockungssensor der Ersten Generation

2.3.1.Bedienoberfläche und Softwaremenüs

Dieses Kapitel befasst sich mit der Bedienstruktur der Software, dem Passwortschutz und dem

Abspeichern und Laden von Service-Einstellungen.

Bedienhierarchie

In der Abbildung 8 ist die Bedienhierarchie der Softwaremenüs dargestellt. Ihr kann entnommen

werden, auf welchem Weg das gewünschte Menü erreichbar ist. Die Aufgaben und Funktionen

der dargestellten Menüs werden in den folgenden Kapiteln beschrieben.

Abbildung 8: Bedienhierarchie der Software

Bediener- Panel

Das Bediener-Panel, siehe Abbildung, soll insbesondere dem Klärwerksmitarbeiter als Mensch-

Maschine-Schnittstelle dienen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind Bedien- und Anzeige-

funktionen auf das Notwendigste beschränkt. Zum Starten der Klärschlammmessungen genügt

bereits das Betätigen des Start-Buttons. Als Besonderheit ist zu erwähnen, dass Eingabefelder

mit der Farbe Weiß und Anzeigefelder mit der Farbe Gelb dargestellt werden. Durch Betätigen

des Buttons „ zum Programm- Menü“ wird ein Wechsel vom Bediener- Panel zum Bediener-

/Service- Menü ausgelöst.

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

15

Programm- Menü

Das Programm-Menü ist als das Hauptmenü anzusehen. Es verwaltet das Bediener- und das

Service-Menü. Von dort aus sind sämtliche Untermenüs aufrufbar.

Bediener- Menü

Das Bediener-Menü, siehe nächste Abbildung 9, beinhaltet jene Programm-Menüs, die ohne Ein-

gabe eines Passworts zugänglich sind. Änderungen an den Einstellungen innerhalb dieser Me-

nüs können den eigentlichen Messvorgang nicht beeinflussen bzw. Messergebnisse nicht ver-

fälschen.

Abbildung 9: Bediener- Menü

Service- Menü

Das Service-Menü enthält jene Programm-Menüs, die nur mit Eingabe eines Passworts zugäng-

lich sind. Unbedachte Änderungen der Einstellungen innerhalb dieser Menüs können den Mess-

vorgang erheblich beeinflussen. Daher ist der Zugang zu diesen Menüs ausschließlich dem

Servicepersonal vorbehalten.

Abbildung 10: Service- Menü

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

16

Zugang zum Service-Menü freigeben

Um die Funktionen des Service-Menüs nutzen zu können, ist die Eingabe eines Passworts not-

wendig. Anschließend muss die Eingabe durch Betätigung des Buttons „Login“ bestätigt werden

(siehe Abbildung). Wird das Passwort nicht korrekt eingegeben, so erscheint ein Pop-Up Fens-

ter mit der Meldung „Falsches Passwort“ und parallel dazu ertönt ein Piep-Ton. Eine Änderung

des Passworts kann im Menü Bildbearbeitungskonfiguration vorgenommen werden, siehe Abbil-

dung.

Abbildung 11: Zugang zum Service- Menü freigeben

Service- Einstellungen

Mit Hilfe der Funktion „Service- Einstellungen“, können die Einstellungen der Servicemenüs als

Initialisierungsdatei abgespeichert bzw. geladen werden, siehe nächsten beiden Abbildungen.

Abbildung 12: Frontpanel – Service- Einstellungen

Abbildung 13: Frontpanel – Service- Einstellungen laden

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

17

Nach dem erstmaligen Ausführen der Messsoftware erscheint das Dialogfenster „Service-

Einstellungen Laden ?“. Bei Betätigung des Buttons „OK“, werden die Parameter- und Einstell-

werte aus der Konfigurationsdatei in die Service-Menüs geladen.

Abbildung 14: Dialogfenster – Service- Einstellungen laden ?

Abbildung 15: Frontpanel – Programm beenden

Vor Beendigung der Software erscheint noch die Abfrage „Service-Einstellungen speichern ?“,

siehe Abbildung 16.

Abbildung 16: Dialogfenster – Serviceeinstellungen abspeichern ?

Durch Betätigung des Buttons „OK“ werden die Parameter- und Einstellwerte der Service- Me-

nüs in die Konfigurationsdatei geschrieben.

2.3.2.Messstrategie

Eine vollständige Messung besteht aus mehreren Arbeitsschritten. Dazu gehören im wesentli-

chen die Bildaufnahme, Bildbearbeitung, Bildanalyse und Messprotokollierung. Diese Arbeits-

schritte lassen sich wiederum in eine Vielzahl von Funktionen unterteilen. Um dem Nutzer die

Möglichkeit einzuräumen, gezielte Änderungen am Messablauf vorzunehmen, wurden die we-

sentlichen Funktionen in Form einer Ablaufsteuerung organisiert. Zum Aktivschalten muss die

Funktion angewählt werden. Mit der Angabe der Schrittnummer wird die Bearbeitungsreihenfolge

der Funktionen festgelegt. Die Schrittnummer mit der höchsten Priorität ist die Null. In dem Aus-

zug einer Ablaufsteuerung in Abbildung 17 würde erst die Funktion „Bildaufnahme“ und anschlie-

ßend die Funktion „Bild laden“ ausgeführt werden

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

18

Abbildung 17: Frontpanel – Programm- Ablaufsteuerung

2.3.3.Klärschlammbild aufnehmen

Initialisierung

Sämtliche zur Bildaufnahme notwendigen Parameter werden von der Bildaufnahme- DLL in

eine Initialisierungsdatei geschrieben. Dazu gehören auch Einstellwerte wie Zeileneinlesefre-

quenz und Aufnahmemodus, für die Standardwerte festgelegt sind.

Bildgröße

Die Bildgröße setzt sich aus Breite und Höhe zusammen und kann geändert werden, wobei zur

Bildbreite auch die Angabe einer Startposition (Bildanfang) erforderlich ist. Die Zeilenkamera

kann eine Zeile bis zu einer Länge von 2048 Pixel einlesen, was der maximalen Bildbreite ent-

spricht. Die maximale Bildhöhe ist durch den Speicher der Framegrabber- Karte bzw. durch den

Arbeitsspeicher des verwendeten Rechners begrenzt. Mit der verfügbaren Rechentechnik kön-

nen 4000 Zeilen mit einer Zeilenlänge von 2048 Pixel zu einem Bild zusammengefügt werden.

Abbildung 18: Frontpanel – Eingabe der Bildgröße

Belichtungszeit

Um aussagekräftige Klärschlammbilder zu erhalten, ist es notwendig, dass der Klärschlamm

ausreichend belichtet werden. Zur Festlegung bzw. zur Regelung der Belichtungszeit ist ein

Hand- und Automatikbetrieb vorgesehen, siehe Abbildung 19. Im Automatikbetrieb wird aus

dem online gemessenen Schlammdurchsatz die Klärschlammgeschwindigkeit berechnet. An-

schließend wird die berechnete Klärschlammgeschwindigkeit zusammen mit der eingestellten

Pixelauflösung der Kamera zur Berechnung der optimalen Belichtungszeit herangezogen.

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

19

Abbildung 19: Frontpanel – Belichtung

Bildaufnahme

Vor der Bildaufnahme wird die Kamera mit den Einstellwerten der Initialisierungsdatei initialisiert.

Anschließend liest die Kamera Zeile für Zeile des belichteten Klärschlamms ein und reiht die ein-

zelnen Zeilen im Speicher aneinander.

Bild erhalten

Nachdem das Bild im Arbeitsspeicher des Rechners vorliegt, kann es im TGA- bzw. BMP- For-

mat auf die Festplatte gespeichert werden.

2.3.4.Klärschlammbild bearbeiten

Die Frontpanel- Auszüge, die in diesem Kapitel gezeigt werden, beziehen sich auf das Menü

Bildbearbeitungskonfiguration. In dem einen Speicherbereich wird das Rohbild nach dem Laden

abgelegt und in dem anderen wird das nach Durchführung eines jeden Bildbearbeitungsbefehls

überarbeitete Bild abgelegt. Die Durchführung der Bildbearbeitungsbefehle ist aufeinander fol-

gend. Jeder Befehl wird mit einem entsprechenden Bild belegt. Dadurch können vom Rohbild

ausgehend die Auswirkungen der einzelnen Bildbearbeitungsschritte nachvollzogen werden.

2.3.5.Klärschlammbild analysieren

Bewertungskennwerte

Für eine Charakterisierung der Flockungseigenschaften im Sinne der Bewertung einer voraus-

sichtlichen Entwässerbarkeit des konditionierten Schlamms wurden Bewertungskennwerte defi-

niert. Berechnungsgrundlage für diese Kennwerte ist die normierte Anzahldichtverteilung der

Sehnenlängen, siehe Abbildung 20, und die Anzahlsummenverteilung, siehe Abbildung 21, der

aufgenommenen Schlammstrukturen. Mit den entwickelten Kennwerten können z.B. spezifische

Kennfelder ermittelt werden, die eine Steuerung des Prozesses und damit eine Optimierung des

Entwässerungsergebnisses ermöglichen.

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

20

Abbildung 20: Frontpanel - Anzahldichteverteilung

Abbildung 21: Frontpanel Sehnenlängenverteilung

2.3.6.Prozessleitsystem

Die Kommunikation zwischen LabVIEW und dem Prozessleitsystem wird mit Hilfe eines OPC-

Servers realisiert.

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

21

2.3.7.Neuronales Netz

Wie bereits beschrieben, wird der Klärschlammkonditionierungsprozess im Wesentlichen über

vier Stellgrößen geführt. Da es sich um eine mobile Klärschlammkonditionierungsanlage handelt,

hat die Anlage die Eigenschaft, sich auf wechselnde äußere Bedingungen (Einsatz in verschie-

denen Kläranlagen) einstellen zu können. Das stellt eine besondere Herausforderung an die Re-

gelungstechnik dar. Benötigt wird demnach eine Regelung, die sich flexibel auf die jeweilige Pro-

zessumgebung einstellen kann. Der Einsatz eines Neuronalen Netzes scheint zur Lösung

dieser Anforderungen am besten geeignet. Die Umsetzung über ein Neuronales Netz bietet den

Vorteil, dass die Regelung in die Lage versetzt wird, aus Versuchsdaten zu lernen. Das Lernen

des Netzes kann sowohl aufgrund bestehender Daten im Block erfolgen, als auch während des

normalen Betriebes der Anlage aus den Betriebsdaten (Stellgrößen und Bewertungskennwerte)

und den damit erreichten Entwässerungsresultaten.

Regelstrategie

Die nachfolgend beschriebene Regelstrategie bezieht sich auf ein bereits trainiertes neuronales

Netz. Ein Netz wird als trainiert bezeichnet, wenn es bereits auf eine umfassende Datenbank mit

Referenzdaten bzw. Matrizen zugreifen kann.

Das neuronale Netz schreibt Sollwertvorschläge für die Stellgrößen Menge Polymere, Drehzahl

Rapidmischer, Drehzahl Flockenformungsreaktor und Spaltweite Flockenformungsreaktor in die

Datei ’Transfer_aus_neuro.txt’. Durch die Änderung des Zeitstempels dieser ASCII- Datei er-

kennt LabVIEW, dass aktualisierte Sollwertvorschläge vorliegen. Daraufhin wird die Datei ’Trans-

fer_aus_neuro.txt’ in die LabVIEW- Software eingelesen. Diese Funktionalität bietet insbesonde-

re eine Hilfestellung während der Inbetriebnahmephase der Anlage.

Nach Übergabe der Sollwerte an die entsprechenden Stellglieder wird über einen Timer eine

Wartezeit gestartet. Diese Wartezeit hat den Zweck, dass die Sollwertvorgaben auf den Verfah-

rensprozess der Klärschlammkonditionierung einwirken können, bevor der Klärschlamm analy-

siert wird. Die Dauer der Wartezeit wird im Menü Bildbearbeitungskonfiguration festgelegt. Nach

Ablauf der Wartezeit wird ein Klärschlammbild aufgenommen, bearbeitet, und analysiert.

Eine Einschätzung des Regelungsergebnisses kann einzig über den Entwässerungswert des

Schlamms vorgenommen werden. Eine online- Messung des Entwässerungswertes ist derzeit

an der Anlage nicht realisiert, daher muss dieser vorerst konventionell gemessen und bei Bedarf

nachträglich in die LabVIEW- Software eingegeben werden. Eine Handeingabe des Entwässe-

rungswertes ist nur während der Anlernphase des Netzes notwendig. Sobald genügend Refe-

renzdaten vorhanden sind, berechnet das Neuronale Netz einen fiktiven Entwässerungswert,

der zur Optimierung der Stellgrößenwerte herangezogen wird.

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

22

2.3.8.Visualisierung der Prozessdaten

Ein wichtiger Aspekt der Verfahrensführung ist die Visualisierung von Prozessdaten. Um diese

Anforderung zu erfüllen, wurde das Menü Onlineanzeigen Prozesswerte und das Menü Störun-

gen in die Software implementiert. In dem Menü Onlineanzeigen Prozesswerte können die wich-

tigsten Prozesswerte online beobachtet werden. Eine Aktualisierung der Daten findet einmal pro

Messdurchlauf statt. Über das Menü Störungen werden Störmeldungen der Klärschlammkonditi-

onierungsanlage angezeigt. Dabei wird zwischen externen und LabVIEW- internen Störmeldun-

gen unterschieden. Die externen Störmeldungen werden über den OPC- Server eingelesen und

die internen Störmeldungen werden von LabVIEW selbst generiert. Wenn die Störungsursache

beseitigt ist, ist das Quittieren angezeigter Störmeldungen über die Betätigung des Buttons „Stö-

rung quittieren“ möglich. Eine Aktualisierung der Störmeldeanzeigen findet einmal pro Mess-

durchlauf statt.

2.3.9.Protokollierung der Messdaten

Messprotokoll

Zum Generieren eines Messprotokolls muss im Menü Messeinstellungen die Option „Messpro-

tokoll anfertigen“ angewählt werden. Der Protokollname kann frei gewählt werden. Für jeden

Messdurchlauf wird ein separates Messprotokoll generiert.

Messdiagramm

Um die Entwicklung wichtiger Messgrößen online betrachten zu können, werden diese im Menü

Messdiagramm als Kurvendiagramme mitgeschrieben. Durch Anwahl des Kippschalters in der

Stellung „Ein“ werden über die einzelnen Messdurchläufe die ausgewählten Messgrößen aufge-

zeichnet.

2.4. Technische Ausführung der Ersten Generation

Die Basiskomponenten für den Flockungssensor sind neben der eigentlichen CCD-Zeilen-

kamera eine Duchflussküvette mit Beleuchtungseinheit sowie ein IPC, auf dem die Auswertungs-

routinen durchgeführt werden. Im Folgenden werden die eingesetzten Hardwarekomponenten

der Ersten Generation kurz aufgeführt.

2.4.1.CCD - Zeilenkamera

Für den Sensor der Ersten Generation wurde eine CCD-Kamera von Sony eingesetzt. Die Sen-

sor-Zeile dieser Kamera zeichnete sich durch eine sehr hohe Lichtempfindlichkeit aus, wie sie

für die Aufnahme des dunklen Mediums Klärschlamm benötigt wird. Die Fixierung auf diese Sen-

sorzeile wurde aus den vorhergehenden Projekten übernommen.

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

23

Daten

Typ : Sony

Effektive Pixel : 2048

Max. Zeilenrate : 2300 Zeilen / s

Belichtungszeit : 50 s bis 130 ms

Digitale Ausgänge : 8 Bit LVDS Interface

Abbildung 22: CCD- Zeilenkamera mit Justageplatte

2.4.2.Regelbare Lichtquelle

Die Einbeziehung einer regelbaren Lichtquelle schafft die Möglichkeit, eine optimale Beleuch-

tung des Schlammes zu realisieren. In Kombination mit der Regelung der Belichtungszeit der

CCD - Zeile können so Verhältnisse realisiert werden, die auch bei wechselnden äußeren Be-

dingungen (Schlammfarbe, Strömungsgeschwindigkeit) eine Abbildung des Schlammes auf der

CCD- Zeile in ähnlichem Belichtungsbereich gestatten.

Die mittlere Belichtung der CCD - Zeile wird in jedem Messzyklus berechnet und dient als Maß

für die Regelung der Beleuchtungsstärke und der Belichtungszeit. Gleichzeitig dient die pixel-

bezogene Berechnung der mittleren Belichtung eines jeden Pixels zur Ermittlung der Basislinie

der CCD - Zeile, die wiederum der Kompensation systematischer Messfehler bei jeder Messung

dient.

In früheren Laborversuchen wurde der Einsatz einer Kaltlichtquelle aufgrund von Lichtleistung

und Lebensdauer der Module als geeignet befunden. Als Beleuchtungsmittel dient eine Halo-

genreflektorlampe mit einer nominellen Leistung von 150 W bei 21 V. Die nominelle Farbtempe-

ratur beträgt 3250 K. Das von der Kaltlichtquelle generierte Licht wird mit Hilfe eines Lichtwel-

lenleiters (LWL- Faserbündel) zur Beleuchtungseinheit übertragen. Die Beleuchtungseinheit

projiziert ein Linienlicht mit den Abmessungen von 25 mm x 1mm. Im Versuchsaufbau findet

eine Trennung von Medium und Optik durch ein Schauglas (Dicke = 5mm) statt.

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

24

Abbildung 23: CCD-Kamera und Lichtwellenleiter

2.4.3. Industrie- PC (IPC)

Ergonomie und Bedienung

Der Industrie PC (IPC) mit externer Tastatur und TFT- Monitor wird für die Bedienung und

Steuerung der Klärschlammkonditionierungsanlage genutzt. Die gewählte Variante gestattet es,

den Schlammsensor in unmittelbarer Nähe des Flockungsreaktors an beliebiger Position in der

Zuführung des Schlammes zur Konditionierungsanlage anzubringen und trotzdem die Bedie-

nung in ergonomisch günstiger Position vorzunehmen. Der maximale Abstand zwischen Mess-

sensor und Steuerungstechnik wird durch die gegebene Länge des Kamera-Datenkabels und

des LWL- Faserbündels bestimmt.

Aufgaben

- Bereitstellung einer Software zum Bedienen der Anlage

- Visualisierung von Prozessdaten

- Ansteuerung und Auswertung der CCD- Zeilenkamera

- Ansteuerung der Lichtquelle

- Kommunikation mit der OPTO 22- SPS über TCP/IP

- Kommunikation mit dem Neuronalen Netz

- Sollwertvorschläge für die Stellgrößen Drehzahl Flockungsreaktor, Spaltweite Flockungs-

reaktor, Drehzahl Rapid Mixer und Menge Polymere an die OPTO 22 SPS senden

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

25

Abbildung 24: IPC Mess- und Steuerungsrechner

2.4.4.Steuerungsschaltschrank

Aufgaben

- Einschalten der gesamten Anlage über einen Hauptschalter

- Gewährleistung der Sicherheit über einen Not- Aus Schalter

- Einlesen der Prozesswerte über die entsprechende Sensorik

- Ansteuern der Stellglieder über Frequenzumrichter

- Erfassung von Störmeldungen. Einige Störmeldungen werden zwecks Visualisierung (unter

LabVIEW) an den IPC weitergereicht

- Anzeigen von Sammelstörungen über eine Rundumleuchte (befindet sich gut sichtbar auf

dem Steuerungsschaltschrank)

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

26

Abbildung 25: Steuerungsschaltschrank mit eingeschalteter Kaltlichtquelle

Abbildung 26: Gesamtansicht des Flockungssensors der Ersten Generation

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

27

2.4.5. Justage der Sensoranordnung

Vor Durchführung der Messungen musste sichergestellt sein, dass Zeilenkamera, Linienlicht

und Schauglas präzise aufeinander eingestellt waren. Um die Einstellungen überprüfen zu kön-

nen, war eine Justagehilfe auf der linken Hälfte des Schauglases aufgeklebt.

Abbildung 27: Foto – Justage am Durchflussrohr

Abbildung 28: Justagehilfe

JustagehilfeHalterung für Schauglas Durchflussrohr- DN200

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

28

Abbildung 29: Foto – Bildaufnahme

Eine optimale Ausrichtung der Opto-Mechanik erbrachte eine Justagehilfe, die in Abbildung 30 zu

sehen ist. Es handelt sich dabei natürlich um das Rohbild. Sämtliche Bildbearbeitungsbefehle

werden eigens für diese Aufnahme deaktiviert.

Abbildung 30: Rohbild - Justagehilfe

Nach erfolgreicher Justage wird die Kamera gemeinsam mit dem Linienlicht über eine Justage-

platte um 5,2 mm auf das Schauglas zu bewegt. Damit ist gewährleistet, dass das Linienlicht die

CCD- Zeile unmittelbar hinter der Glasplatte ausleuchtet.

Linienlicht

Kameraobjektiv

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

29

2.5. Zweite Generation Flockungssensor

Die Weiterentwicklung des Flockungssensors zur zweiten Generation hatte das Ziel den Betrieb

und die Nutzung des Sensors für normale Benutzer einfacher zu gestalten. Dies betraf sowohl

die Hardwareseite, hier insbesondere die vorgesehene Installationsmöglichkeiten, als auch die

Struktur und Bedienbarkeit der Software.

Der Flockungssensor „FlocSens“ wurde für zwei unterschiedliche Applikation entwickelt. Für

Online-Messungen im technischen Konditionierungsprozess, zur Bewertung der ausgeführten

Flockung, wurde eine Bypass-Lösung entwickelt. Diese zeichnet sich durch einen kompakten

Aufbau aus, der robust und unempfindlich gegen Wasser und Verschmutzung ist. Die zweite

Applikation ist eine Laboranwendung, mit der der Konditionierungsprozess in Batch-Versuchen

analysiert werden kann. Mit dieser Anwendung kann z.B. ein Screening von unterschiedlichen

Polymer durchgeführt werden.

2.5.1.Software

Die Softwarebedienung wurde dadurch vereinfacht, dass in den Betriebsmenüs die Anzahl der

möglichen Einstellungen auf das Wesentlichste reduziert, und Funktionen weitgehend automati-

siert wurden. Es wird weiter unterschieden zwischen dem normalen Bediener-Menü „ Operator

Menu“ und dem agbesicherten Service- und Betriebseinstellungsmenü „Service Menu“. Abbil-

dung zeigt einen Screenshot des Start- und Auswahlmenüs.

Abbildung 31: Haupt- und Auswahlmenü des Flockungssensors

Der obere Teil des Menüs verweist auf die Untermenüs des normalen Bediener Menüs und der

untere Teil auf die Passwort-geschützten Untermenüs der Service und Betriebseinstellungen.

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

30

Im Folgenden werden kurz die Funktionen der Untermenüs erläutert, beginnend mit dem norma-

len Bedienermenüs, siehe. Abbildung 32.

Abbildung 32: Untermenüs der Bedieneroberfläche

Im ersten Untermenü Messeinstellungen, welches in Abbildung 33 wiedergegeben wird,

„Measuring Settings“ kann der Name der mitscheibenden Protokolldatei festegelegt werden und

der Protokollierungsvorgang selber gestartet werden. Darüber hinaus kann festgelegt werden,

ob die Originalbilder des aufgenommen Klärschlamms gespeichert werden, um sie z.B. im

Nachhinein ein weiters Mal analysieren zu können. Als letzte Funktion kann der Bild-Zähler „ge-

nullt“ oder auch ein alternativer Start-Zählwert festgelegt werden.

Abbildung 33: Untermenü Messeinstellungen im Benutzer-Modus

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

31

Der Menüpunkt „Sludge Parameter“ verweist in das Auswertungsmenü der aktuellen Schlamm-

messung, siehe Abbildung 34. Es werden die Anzahlsummenverteilung und die Anzahldichtever-

teilung des aktuell analysierten Flockenbildes dargestellt und die daraus berechneten

Schlammparameter. Mit Hilfe dieser Auswertungen kann der geflockte Schlamm z.B. in Hinblick

auf Flockengrößenverteilung, Flockendichte und voraussichtliches Verhalten im Trennprozess

charakterisiert werden.

Abbildung 34: Untermenü der aktuelle Schlammparameter im Benutzer-Modus

Der nächste Menüpunkt “Diagramm” verweist auf die zeitliche Darstellung des Flockungsverlau-

fes. Die Abbildung 35 zeigt einen Screenshot für einen Flockungsversuch im Becherglas. Zeit-

und Größenachse sind frei skalierbar und mit Hilfe von Markern können Ereignisse wie z.B. die

Polymerzugabe mit protokolliert werden. An dem zeitliche Verlauf lässt sich erkennen, wie die

Anzahl kleiner Strukturen (rot) nach der Polymerzugabe abnimmt und statt dessen die Anzahl

großer Flocken (blau) zunimmt. Über die Zeit wird jedoch die Anzahl dieser großen Flocken auf-

grund des stetigen Rührens wieder geringer. Der Rührer zerschlägt die großen Flocken wieder.

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

32

Abbildung 35: Untermenü Flockendiagramm, zeitlicher Verlauf, im Benutzer-Modus

Einen optischen Eindruck der vorliegenden Flockenstruktur erhält der Benutzer im Fenster

“FlocSens”. In diesem Fenster kann die Flockenstruktur selber und die bildverarbeitenden

Schritte eingesehen werden. Darüber hinaus werden z.B. Statusmeldungen über die aktuelle

Belichtungssituation und den Berechnungsfortschritt angezeigt.

Abbildung 36: Übersichtsfenster der „FlocSens“ Anwendung

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

33

Das Service-Menü lässt sich nur nach einer Passworteingabe im Hauptmenü öffnen.

Abbildung 37: Passwort-Maske des Service-Menüs

Das sich öffnende Fenster ermöglicht geschulten Benutzern die Helligkeitseinstellungen für die

Bildaufnahme zu ändern. Diese Änderungen können sowohl für die manuelle Beleuchtungsein-

stellung als auch für die Beleuchtungsautomatik geändert werden.

Abbildung 38: Beleuchtungseinstellung im Service-Menü

Im letzten Bildschirm des Service Menüs können das Passwort geändert werden, das Verzeich-

nis für die Protokolldateien und die Parameter für die Bildaufnahme definiert werden.

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

34

Abbildung 39: Festlegung des Passworts und von Bildparametern im Service-Menü

2.5.2.Technische Ausführung des „FlocSens“ Flockungssensors

Herzstück des neuen Flockungssensors ist eine CCD-Zeilenkamera, die mit einem Standard

Fire-Wire Schnittstelle an eine große Anzahl von Computern angeschlossen werden kann. Im

Sinne einer möglichst kompakten Bauweise wurde eine anwendungsspezifische LED-

Beleuchtung entwickelt. Diese hat im Vergleich zu den vorher eingesetzten Kaltlichtquellen den

Vorteil, dass die Stromaufnahme bei gleicher Beleuchtungsintensität geringer und dem entspre-

chend die Wärmeentwicklung deutlich geringer ist. Als zusätzlicher Vorteil ist die Lebenserwar-

tung der LED-Beleuchtung um ein vielfaches höher als die der Halogen-Kaltlichtlampe. Die

folgenden Abbildungen zeigen Detailansichten des „FlocSens“ in der Applikationsvariante „Onli-

ne-Messung im Prozess“. In der Aufsicht in Abbildung 40 ist die Anordnung von Zeilenkamera,

Optik und LED-Beleuchtung gut zu erkennen. Diese Einheiten werden zu einer Komponente zu-

sammengefügt und können dann direkt an die entwickelte Durchflussküvette geschraubt wer-

den. Abbildung 41 zeigt die Frontansicht der Aufnahmeneinheit. Der Betrachter befindet sich in

der Position der Küvette. Geschützt und abgedichtet wird die Sensorik durch ein Gehäuse, wel-

ches mit der Küvette wasserdicht abschließt, siehe Abbildung 42.

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

35

Abbildung 40: Aufnahmeinheit des „FlocSens“ in Aufsicht

Abbildung 41: Aufnahmeinheit des „FlocSens“ in Frontansicht

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

36

Abbildung 42: Durchflussküvette und Gehäuse des „FlocSens“

Der Aufbau der Gesamtapplikation, zur Demonstration jedoch ohne Gehäuse, ist in Abbildung 43

zu sehen. Als Messrechner dient ein konventionelles Notebook.

Abbildung 43: Gesamtapplikation des „FlocSens“ in Prozessausführung

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

37

Die zweite Applikation für den „FlocSens“ ist die Laboranwendung. Hier kann die Flockung im

Becherglasversuch analysiert werden. Das folgende Foto zeigt den Messaufbau der Anwen-

dung.

Abbildung 44: Gesamtapplikation des „FlocSens“ in Laborausführung

2.5.3.Messungen mit dem „FlocSens“ Flockungssensor

Prozessanwendung

Die ursprüngliche Anwendung des „FlocSens“ ist die online Prozessmessung. Bei dieser Art der

Messung analysiert der Sensor Flocken oder Agglomerate, die durch einen Konditionierungs-

prozess erzeugt werden. Durch eine Adaption des Sensors an den jeweiligen Trenn- der Ent-

wässerungsprozess kann aus der gebildeten Flockenstruktur erkannt werden, ob diese gute

oder schlechte Eigenschaften hinsichtlich der nachfolgenden Separation aufweist.

Das nachfolgende Diagramm zeigt das Versuchsprotokoll einen fünfstündigen Entwässerungs-

versuches mit einer kontinuierlich arbeitenden Pressverfahren. Aufgenommen wurden die Sen-

sorparameter „Fraktion große Flocken“ (grün) und „Fraktion kleine Flocken“ (rot). Als Prozess-

daten wurden weiterhin die Kegel-Umdrehungszahl des eingesetzten FlocFormers (blau) und

der Vordruck des Filtrationsprozesses (grau) protokolliert. Ein hoher Vordruck weist auf eine

gute Entwässerungsleistung hin.

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

38

Abbildung 45: FlocSens Auswertung am Beispiel von FlocFormer Drehzahl und Prozessdruck

Folgende Informationen sind dem Diagramm zu entnehmen:

Die Umdrehungszahl des FlocFormer beeinflusst die aufgebaute Flockenstruktur. Besonders

gut ist der Effekt ersichtlich für die großen Drehzahlsprünge. Die höchsten Eingangsdrücke der

Filtration werden bei ca. 180 Umdrehungen pro Minute erreicht. Zum Ende des Versuches wird

die Drehzahl extrem variiert. Die Fraktionen der Flockengrößen folgen der Umdrehungszahl,

ebenso der Druckverlauf. Hohe Drehzahlen führen zur Erosion der Flocken und erhöhen die

Fraktion der kleinen Flocken. Bei moderaten Umdrehungszahlen nimmt die Fraktionsgröße wie-

der ab. Reziprok zur Anzahl der kleinen Flocken verhält sich der Druckverlauf. D. h., bei vielen

kleinen Flocken wird ein geringer Druck aufgebaut und ein schlechtes Entwässerungsergebnis

erzielt. Nach Abschaltung der Flockenformung geht der Druck gegen null zurück. Zu diesem

Zeitpunkt kommt die Filtration des Mediums zum Erliegen.

Ein anderes Beispiel für die gleiche Art des Pressenprozess, jedoch auf einer anderen Kläranla-

ge, wird an Abbildung 46 dargestellt. Hier ist ein Sensorparameter gegen die Entwässerungsleis-

tung des Prozesses aufgetragen. Der Korrelationskoeffizient ist mit knapp 0,88 gut zur Prozess-

regelung geeignet.

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

39

Abbildung 46: FlocSens Auswertung am Beispiel des gemessenen Entwässerungsergebnisses

Laboranwendung

Eine der wichtigsten Laboranwendungen für den „FlocSens“ ist die Beurteilung von verschiede-

nen Polymertypen hinsichtlich ihrer Effizienz für einen zu untersuchenden Klärschlamm. Das Ziel

der Messungen ist es, das beste Polymer für die Konditionierung eines Schlamms zu identifizie-

ren. Für die Messung wird unbehandelter Klärschlamm in ein Becherglas gegeben und gerührt.

Zu einem Zeitpunkt t=0 erfolgt unter Rühren die Zugabe des Polymers, gekennzeichnet durch

den Marker „P“. Nach der Zugabe des Flockungshilfsmittels wird der Flockenaufbau und ggf. die

Flockenzerstörung analysiert. Der Flockungssensor berechnet die Größenverteilungen der klei-

nen (min), mittleren (med) und großen (max) Flockenstrukturen. Anhand des Verlaufes der

Fraktionen lassen sich unmittelbar Rückschlüsse auf die entstehenden Flockengrößen und die

Stabilität der Agglomerate ziehen. Die folgenden Diagramme zeigen den Flockungsverlauf mit

drei verschiedenen Polymeren, die einem kommunalem Faulschlamm in der gleichen Menge

zudosiert werden.

2 Der Flockungssensor

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

40

Polymertyp FlocSens Auswertung Visuelles Bild

Zetag 7635

6g/kg TR

Die großen Flocken steigen bis 48% an und sind

dann stabil. Die Relation von großen zu kleinen

Flocken beträgt ca. 1,5:1.

Zetag 7555

6g/kg TR

Die großen Flocken steigen bis 64% an und sind

dann stabil. Die Relation von großen zu kleinen

Flocken beträgt ca. 3:1.

Zetag 8846

FS

6g/kg TR

Die großen Flocken steigen bis 22% an und ver-

halten sich dann stabil. Die Relation von großen

zu kleinen Flocken beträgt ca. 1:2,5.

Abbildung 47: Polymerscreening mit „FlocSens“

0

10

20

30

40

50

60

70

0:0

0

0:2

2

0:4

5

1:0

7

1:2

9

1:5

2

2:1

4

2:3

7

2:5

9

3:2

1

3:4

4

4:0

6

4:2

9

4:5

1

5:1

4

5:3

6

5:5

9

6:2

1

6:4

3

7:0

6

Messzeit

Flo

ck

en

-An

teil

[%

]

minFloc

medFloc

maxFloc

P B

0

10

20

30

40

50

60

70

0:0

0

0:2

2

0:4

4

1:0

7

1:2

9

1:5

2

2:1

4

2:3

7

2:5

9

3:2

1

3:4

4

4:0

6

4:2

9

4:5

1

5:1

4

5:3

6

5:5

9

6:2

1

6:4

3

7:0

6

Messzeit

Flo

ck

en

-An

teil

[%

]

minFloc

medFloc

maxFloc

P B

0

10

20

30

40

50

60

70

0:0

0

0:2

2

0:4

4

1:0

7

1:2

9

1:5

2

2:1

4

2:3

6

2:5

9

3:2

1

3:4

4

4:0

6

4:2

9

4:5

1

5:1

4

5:3

6

5:5

8

6:2

1

6:4

3

7:0

6

Messzeit

Flo

ck

en

-An

teil

[%

]

minFloc

medFloc

maxFloc

P B

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

41

3. Das Flockungssystem

Seit dem Jahr 1997 wurde ein zweistufiger Flockungsreaktor, der FlocFormer, mit vier Frei-

heitsgraden apparativ entwickelt und umgesetzt. Das entwickelte Flockungssystem ist schema-

tisch in Abbildung 48 dargestellt. Im FlocFormer wird zunächst das Flockungshilfsmittel in einem

Turbo-Mischer homogen unter turbulenten Bedingungen in den Schlamm eingebracht. Es wer-

den großvolumige und scherinstabile Flocken erzeugt. Diese werden anschließend in einem

Flockenformungsreaktor gezielt erodiert und kompaktiert, so dass relativ gleichmäßige kompak-

te Flocken entstehen. Der Betriebspunkt des Konditionierungsapparates kann durch Änderun-

gen in den Freiheitsgraden bewusst an sich ändernde Volumen- oder Massenströme sowie sich

ändernde Schlammeigenschaften angepasst werden. Insgesamt sind für das Flockungssystem

folgende Randbedingungen berücksichtigt worden:

• variable Durchflussmenge des Klärschlamms,

• variable Trockensubstanzmengen im Klärschlamm,

• variable Dosiermenge des Flockungshilfsmittels,

• variable Strömungsverhältnisse im Mischer,

• variable Verweilzeiten im Flockenformungsreaktor,

• variabler Energieeintrag im Flockungsformungsreaktor,

• möglichst kompakte Bauweise der Komponenten.

Abbildung 48: Schema Flockungssystems „FlocFormer“

geflockter Schlamm

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

42

Zur Optimierung der Flockenstruktur können vier Betriebsparameter des Flockungssystems an-

gepasst werden:

• Polymer (Typ und Dosis)

• Mischintensität im Turbo Mischer (Drehzahl)

• Umfangsgeschwindigkeit im Kegelrührer

• Spaltweite des Kegelrührers

Der letzte Parameter, die Spaltweite des Kegelrührers, ist eine Besonderheit des Flockungssys-

tems. Erst durch die online veränderliche Spaltweite lassen sich Betriebsschwankungen im

Schlammvolumenstrom und im Feststoffgehalt des Schlamms, aber auch z.B. veränderte Be-

dingungen auf dem Klärwerk nach Umbaumaßnahmen weitestgehend ausgleichen.

3.1. Die eingesetzten Konditionierungsanlagen

Im Laufe der Projektlaufzeit wurde eine Reihe von FlocFormer Anlagen gebaut und betrieben.

Die ursprüngliche im Projekt geplante Konditionierungsanlage zur Behandlung von 30 m3/h Klär-

schlamm pro Stunde konnte leider nie zufrieden stellend auf einer Kläranlage betrieben werden,

da sie aufgrund von Unwuchten nicht abgedichtet werden konnte. Dennoch konnten aus ihr

wichtige Erkenntnisse für den Bau aller weiteren Anlagen gewonnen werden. Im Folgenden wer-

den die Konditionierungsanlagen in der Reihenfolge ihrer Entstehung beschrieben und kurz die

Einsatzort und erzielten Ergebnisse erläutert.

3.1.1.Die ursprüngliche Konditionierungsanlage

Oberste Prämisse für die Konditionierungsanlage war die Transportfähigkeit der Anlage. Die

erste Anlage bestand aus vier Baueinheiten, die auf einem Grundgestell fixiert wurden. Diese

Baueinheiten waren der Rapid-Mischer, der Kegelmischer, der Flockungssensor und die

Steuer- und Regeleinheiten. Die Anlage sollte möglichst einfach mit Gabelstapler und Decken-

kran montiert und demontiert werden können. Das anspruchvollste und größte Einzelbauteil war

der Kegelmischer. Alle anderen Bauteile wurden um den Kegelmischer herum positioniert.

Das Kernstück des Flockenformungsreaktors ist der axial verschiebbare Innenkegel, mit dem

die Spaltweitenänderung realisiert wird. Der Innenkegel rotiert konzentrisch im äußeren Kegel-

gehäuse. Die Rotationsgeschwindigkeit sollte für den 30 m3 Reaktor ca. 200 Umdrehungen pro

Minute betragen. Die Axialbewegung wird durch einen Hubspindelantrieb realisiert, der die

Hubbewegung über einen axial geführten Schlitten an die Welle des inneren Kegels weitergibt.

Der Innenraum des Kegelrührers steht im Betrieb unter Überdruck. Aus diesem Grund muss die

Welle des inneren Kegels mit Dichtungen durch das Gehäuse geführt werden. Auch die Dich-

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

43

tungen müssen neben der Rotation die axiale Verschiebung der Welle erlauben. Weitere Anfor-

derungen an die Dichtungen werden durch das Medium Klärschlamm gestellt. Aufgrund seines

mineralischen Anteils ist der Schlamm sehr abrasiv, so dass es im Bereich der Dichtungen auf

der Welle zu erhöhtem Verschleiß kommen kann. Als letzte Anforderung muss die Dichtung

eine hohe Stützfunktion aufweisen, da eine konstruktive Axial-Radial-Lagerung aufgrund Ihrer

Empfindlichkeit gegen Schmutz in den Gehäusedurchführungen nicht eingesetzt werden kann.

Somit können insbesondere Radialkräfte aufgrund von Unwuchten nur über eine konstruktive

Lagerung am Hauptantrieb des Kegels erfolgen. Insgesamt ist bei der Konstruktion aufgrund

der Lagerungssituation darauf zu achten, dass der Innenkegel in seinem Schwerpunkt betrie-

ben wird und die Welle aufgrund von auftretenden Biegemomenten möglichst kurz gehalten

wird.

Basierend auf diesen Betrachtungen wurde eine Konditionierungsanlage für einen zu behan-

delnden Volumenstrom von 30 m3/h konstruiert und gebaut. Im Folgenden wird diese erste

Konditionierungsanlage anhand von Photos erläutert.

Abbildung 49 zeigt die Gesamtansicht der ursprünglichen Konditionierungsanlage in Hildes-

heim. Mittig auf dem Grundgestell ist der FlocFormer angeordnet, rechts daneben der Rapid-

Mischer und links die Schränke der Mess- und Steuereinrichtungen. Der obere Schrank bein-

haltet das Prozess-Leitsystem (PLS) und die Kaltlichtquelle des Flockungssensors. Der untere

Schrank befindet sich der Industrie-PC (IPC) auf dem die Softwarepakete des Flockensensors

laufen. Im oberen Teil des FlocFormers geht die Messstrecke ab, die den Flockungssensor ent-

hält. Am linken Bildrand ist der Schaltschrank zu erkennen, der die Hauptstromversorgung so-

wie die Frequenzumrichter für die eingesetzten Motoren enthält. Der größte Einzelverbraucher

der Konditionierungsanlage ist der Hauptantrieb des FlocFormers mit einer Anschlussleistung

von 7,5 kW. Der Anlage ist in Hildesheim in eine der Hauptförderleitungen zu einem der De-

kanter eingebaut.

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

44

Abbildung 49: Gesamtansicht der 30m3 Konditionierungsanlage im Klärwerk Hildesheim

Die Abbildung 50 zeigt zwei Ansichten des Rapid-Mischers. Der Rapid-Mischer wird vom Haupt-

Schlammvolumenstrom durchflossen. Zu erkennen sind die drei Zuleitungsrohre für das Poly-

mer. Die Welle des Rapid-Mischers wird durch eine Mehrkammer-Radialdichtung zum Motor

geführt. Der Motor steht auf einer eigenen Traverse.

Abbildung 50: Zwei Ansichten des Rapid-Mischer zur homogenen Einbringung des Polymers

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

45

Die nächste Abbildung zeigt den Außenkegel des FlocFormers. An der Spitze ist die Dichtungs-

aufnahme und die herausragende Welle des Innenkegels zu erkennen. Von der oberen Haube

des FlocFormers geht das Messrohr des Flockungssensors ab. Der FlocFormer steht auf vier

Trägern die im Mantel des Aussenkegels verschweißt wurden.

Abbildung 51: Detail Flockenformungsreaktor (FlocFormer) zur Ausprägung

einer spezifischen Flockenstruktur

Die folgende Abbildung 52 zeigt im Detail die axiale Verschiebeeinrichtung unterhalb des Kegels.

Der Hauptantrieb ist unterhalb einer Metallplatte angeordnet und lagert den gesamten Innenke-

gel. Die Metallplatte wird durch mehrere axiale Lagerungssysteme gehalten, so dass sie nur

nach oben oder unten verschoben werden kann. Die axiale Verschiebung wird durch einen

elektrischen Hubspindelantrieb durchgeführt, der ebenfalls an der Platte angreift. Die Durchfüh-

rung der Welle in den Kegel wird durch eine Stopfbuchspackungs-Dichtung realisiert. Diese ist

sehr robust und weitestgehend unempfindlich gegen abrasive Verschmutzungen.

Die Abbildung 53 zeigt nochmals die Mess- und Steuereinrichtungen der ursprünglichen 30 m3

Flockungsanlage sowie das Messstrecke des Flockungssensors. Die Schaltschränke sind

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

46

übereinander an einer Traverse verschraubt. Dies hat die Vorteile, dass nur eine geringe Stand-

fläche benötigt, der Operator den Monitor auf Augenhöhe hat und die Datenleitungen des Flo-

ckungssensors relativ kurz gehalten werden konnten.

Abbildung 52: Detail Hubspindelantrieb, axial geführter Schlitten sowie Hauptantrieb des FlocFormers

während der Montage

Abbildung 53: Im Vordergrund die Mess- und Regeleinrichtungen sowie darüber des Messrohr

mit dem Flockungssensor

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

47

Wie schon eingangs festgestellt wurde, entsprach die ausgeführte 30m3 Anlage nicht den sie

gestellten Anforderungen. Das größte Problem bereitete die Ausprägung einer Umwucht bei hö-

heren Rotationsgeschwindigkeiten des Flockenformungsreaktors. Ausgelöst wurde diese durch

eine Exzentrizität des Innenkegels. Ausgelegt wurde der FlocFormer für ca. 200 n/min, jedoch

konnte die Anlage aufgrund der auftretenden Schwingungen nicht über 120 n/min hinaus be-

schleunigt werden. Die dann immer noch auftretenden Schwingungen der Anlage führten zu

Fehlbeanspruchungen der eingesetzten Dichtungen und einer Undichtigkeit der Anlage. Die An-

lage wurde nach einer Stunde Betriebszeit wieder demontiert und konnte auch während der Pro-

jektlaufzeit nicht wieder genutzt werden.

3.2. Erfahrungen mit der FlocFormer-Technologie außerhalb desProjektes

Da sich ab Anfang 2004 abzeichnete, dass sich der ursprüngliche Zeitplan des Projektes auf-

grund technischer Probleme mit der großen Demonstrationsanlage nicht einhalten ließ, mussten

Lösungswege gesucht, um dennoch die FlocFormer Technik im technischen Maßstab realisie-

ren zu können.

Die Analyse der bisherigen Konstruktion erbrachte eine Reihe von konstruktiven Verbesse-

rungsvorschlägen:

• Der Hauptantrieb des FlocFormers wird von unten nach oben verlegt. Dadurch kann ei-

ne Wellendichtung eingespart werden und die Montage und Demontage der Anlage wird

erleichtert. Darüber hinaus kann die Messstrecke des Flockungssensors tiefer, und da-

mit benutzerfreundlicher, angeordnet werden.

• Anstelle der nicht mehr benötigen Wellendichtung kann ein Führungsrad in den Kegel-

rumpf des Innenkegels geführt werden. Das Führungsrad verhindert ein Auswandern

des Kegels bei Umwucht.

• Die Welle des Innenkegels wird verkürzt, um mögliche Biegemomente bei Umwuchten

leichter abfangen zu können.

• Der Rapid-Mischer wird vollständig an den FlocFormer gekoppelt, um ein einheitliches

Schwingen der Anlage zu ermöglichen.

Die Verbesserungsvorschläge wurden aufgenommen und in einem geänderten Design der Kon-

ditionierungsanlage zusammengefasst. Abbildung 54 zeigt den Designvergleich der Konstrukti-

onsvarianten. Beim neuen Design wurde der Antrieb nach oben versetzt. Auch hier wird der An-

triebsmotor mit der Welle axial auf einem Schlitten geführt. Die axiale Lagerung ist an zwei

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

48

Säulen zur Rechten und zur Linken des Kegels fixiert. Die Welle wird wiederum durch Stopf-

buchsen in den Innraum geführt. Jedoch nur an der Oberseite. Die Unterseite des Gehäuses ist

geschlossen und mit Achse mit Führungsrad ausgestattet worden. Der Innenkegel ist unten mit

einem Rundloch versehen worden. Das Führungsrad ragt nun in diese Loch hinein und ermög-

licht eine Führung des Innenkegels nahe seinem Massenschwerpunkt.

Abbildung 54: Vergleich der Designvarianten des FlocFormers

Nachdem das Hauptproblem identifiziert werden konnte, wurde die Anlagenstruktur konstruktiv

weit reichend überarbeitet. Zur Hannover Messe 2004 stand dann bereits eine kleine Anlage für

einen Durchsatz von 8 m3/h zur Verfügung. Zur Vermeidung von Unwuchten des Kegelrotors

wurde dieser bereits in der Messe-Anlage aus Kunststoff-Vollmaterial gefertigt und mit einem

internen Führungssystem versehen. Abbildung 55 zeigt die Messeanlage auf dem Gelände der

CUTEC.

Altes Design Neues Design

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

49

Abbildung 55: Messeanlage FlocFormer auf dem Gelände der CUTEC

Im Vordergrund ist der Kegel zu erkennen. Über dem Kegel befindet sich der Hauptantrieb auf

der axial geführten Brücke zwischen den Säulen. Der Rapid Mischer ist über eine Flanschver-

bindung direkt mit dem FlocFormer verbunden.

Im August 2004 wurde die Messanlage zum ersten Mal regulär betrieben. Für diesen Test ange-

boten hatte sich die Kläranlage Bernburg/Saale. Hier betreibt der Abwasserzweckverband „Saa-

le-Fuhne-Ziethe“ eine kommunale Kläranlage. Zur Entwässerung der anfallenden Klärschlämme

werden auf der Anlage zwei parallel laufende Dekanter eingesetzt. Die Dekanter haben einen

nominellen Durchsatz von jeweils 25 m3/h, wobei jedoch nur ein Durchsatz von

12 – 18 m3/h pro Maschine aufgrund unzureichender Entwässerungsresultate möglich ist.

Im ersten technischen Versuche mit dem FlocFormer bei einem Volumenstrom von 8 m3/h konn-

te die Funktionsfähigkeit und Effizienz der Konditionierungstechnik erfolgreich erprobt werden.

Abbildung 56 zeigt die Anlage in Bernburg.

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

50

Abbildung 56: 8 m3 Messeanlage auf der Kläranlage in Bernburg/Saale

Im nächsten Test wurde die Anlage zur Behandlung von Deponiesickerwasser eingesetzt. Auf

der Kreismülldeponie Hattorf des Landkreises Osterode am Harz wurde in Kooperation zwi-

schen dem Landkreis Osterode und der CUTEC-Institut GmbH eine technische Versuchsanlage

zur Behandlung des anfallenden Deponiesickerwassers in den Jahren 1999 bis Anfang 2007

betrieben. Das Projekt hatte das Ziel, ökonomische und verfahrenstechnische Erkenntnisse zu

erbringen, die die Auslegung und Planung einer stationären Sickerwasseranlage unterstützt. Die

Versuchsanlage bestand aus den Verfahrensstufen Biologie, Fällung/Flockung/Trennung und

Aktivkohleadsorption. Im regulären Betrieb der Versuchsanlage wurde ein Dekanter zur Abtren-

nung der agglomerierten Schadstoffe des Deponiesickerwassers eingesetzt. Abbildung 57 zeigt

einen Ausschnitt des regulären Fließbildes der Versuchsanlage.

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

51

Abbildung 57: Schema der konventionellen Deponiesickerwasserbehandlung

Mit dem Ziel die Abtrennung der Schadstoffe zu verbessern und den Verbrauch elektrischer

Energie zu verringern, wurde in einem Versuch der Dekanter durch einen konventionellen

Scheibeneindicker ersetzt. Vor dem Scheibeneindicker wurde zur Flockung der Schadstoffe des

Deponiesickerwassers der FlocFormer eingesetzt, siehe Abbildung 58. Das Resultat zeigte,

dass sich sowohl der Trennprozess verbessern ließ – um ca. 40% - als auch der Strom-

verbrauch deutlich gesenkt werden konnte. Die benötigte Energie betrug nur noch ca. 30% der

regulären Verfahrensstufe.

Abbildung 58: Schema der Deponiesickerwasserbehandlung mit dem FlocFormer

Nach dem erfolgreichen Zwischenspiel in der Abwasserbehandlung wurde die Messeanlage

wieder in Ihrem Stammbereich, der Klärschlammbehandlung, eingesetzt. Erneute Versuche in

Bernburg, jedoch diesmal mit angepassten Polymeren, erbrachten eine deutliche Verbesserung

der Entwässerungsleistung. In diesen Versuchen konnte die Entwässerungsleistung von den

regulären 21,2% TS auf 26,3% TS angehoben werden.

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

52

Im Mai 2005 wurde die Anlage auf der IFAT 2005 in München dem Fachpublikum präsentiert. Die

Präsentation des FlocFormers, die insbesondere in einem japanischen Fachblatt angekündigt

worden war, führte zu einer sehr hohen Besucherzahl des Messestandes.

Im September 2005 wurde der FlocFormer als Konditionierungseinrichtung vor einer Excenter-

schneckenpresse der Firma Hans Huber AG, Berching, auf der Kläranlage in Scharzfeld getes-

tet. Für diesen Versuch wurde von der Firma Hans Huber AG eine Container-Versuchsanlage

auf die Kläranlage nach Scharzfeld gebracht. Hier konnte der Nachweis erbracht werden, dass

der FlocFormer bei allen drei getesteten Polymeren ein höheres Entwässerungsergebnis er-

bringt, als die reguläre Konditionierungseinrichtung für Excenterscheckenpressen. Zusätzlich

wurde festgestellt, dass die Filtratqualität erheblich verbessert wurde.

Abbildung 59: Versuche mit einer Excenterschneckenpresse und dem FlocFormer

als Konditionierungsapparat

Die Ergebnisse der drei Versuche werden in den folgenden beiden Diagrammen aufgezeigt. Das

erste Diagramm zeigt die ermittelten Entwässerungsergebnisse und das zweite die korrespon-

dierenden Ergebnisse der Filtratanalyse.

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

53

Abbildung 60: Entwässerungsergebnisse der Excenterschneckenpresse

Abbildung 61: Filtratbelastung der Excenterschneckenpresse

Der nächste Einsatzort des FlocFormers war die Kläranlage Oelde in Westfalen. Hier konnte an

einem Westfalia Dekanter die Erhöhung der Entwässerungsleistung von ca. 25% auf über 29%

TS gezeigt werden. Die beiden folgenden Diagramme zeigen den Einfluss der FlocFormer Kondi-

tionierung auf die Entwässerungsleistung. Das erste Diagramm (Abbildung 62) zeigt das Ent-

wässerungsergebnis von Referenzversuchen, die im regulären Dekanterbetrieb durchgeführt

worden, im Vergleich zu Versuchen mit dem FlocFormer, der mit verschiedenen Parametern

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

54

betrieben wurde. Der Polymerverbrauch betrug bei allen Versuchen ca. 6,5 g/kg TS. Das zweite

Diagramm demonstriert den Einfluss der Parametrierung des FlocFormers auf das Entwässe-

rungsergebnis bei sonst gleichen Prozessbedingungen.

Abbildung 62: Entwässerungsergebnisse Dekanter mit und ohne FlocFormer Konditionierung

Abbildung 63: Entwässerungsergebnisse Dekanter mit unterschiedlichen FlocFormer Einstellungen

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

55

Zum Ende 2005 stand dann aufgrund der Erfahrungen mit der 8 m3/h Anlage fest, dass das Kon-

ditionierungsverfahren „FlocFormer“ auch im technischen Maßstab positive Ergebnisse liefert.

Überraschend war jedoch die Erkenntnis, dass zusätzlich zu den erhöhten Entwässerungsleis-

tungen auch die Filtratqualität des jeweiligen Entwässerungsaggregates verbessert wurde.

Basierend auf Erfahrungen, die während der Versuche mit der Messeanlage gewonnen werden

konnten, fand ab Anfang 2006 ein Upscaling der Anlagen und eine Änderung des Layouts hin zu

kompakteren Baumaßen statt. Als erste Anlage des neuen Typs wurde eine Anlage mit

einem maximalen Durchsatz von 12 m3/h entwickelt. Die Bezeichnung für diese Anlage lautet

FlocFormer Größe 3 (FlocFormer 3).

Parallel zu der Entwicklung weiterer Baugrößen wurden ab März 2006 in Kooperation mit der

Hans Huber AG drei weitere Versuche mit der 8 m3/h Messeanlage durchgeführt. Die erste Sta-

tion war Hayingen, Schwäbische Alb. Hier wurde der FlocFormer wiederum als Konditionie-

rungsanlage vor einer Excenterschneckenpresse eingesetzt. Aufgrund der sehr niedrigen

Schlammtemperaturen von 1-2°C und eines sehr geringen Durchsatzes von ca. 2 m3/h konnte

das Entwässerungsergebnis nicht verbessert, jedoch der Polymerverbrauch um ca. 38% ge-

senkt werden. Die nächste Station mit der Hans Huber AG war die kommunale Kläranlage

Illnau-Effretikon in der Schweiz. Hier konnte das Entwässerungsergebnis einer Dekanter-

Anwendung von 25% TS auf 28% TS verbessert werden.

Abbildung 64: FlocFormer auf der Kläranlage Illnau-Effretikon, Schweiz

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

56

Als vorerst letzter Versuch mit der Huber AG wurden im April 2006 wiederum ein Dekanter-

Versuch auf der kommunalen Kläranlage Telgte/Westfalen durchgeführt. Als Resultat wurde eine

Erhöhung der Entwässerungsleistung von 25,2% TS auf 26,8% TS erzielt.

Zur Achema 2006 (Mai 2006) wurde dann der oben beschriebene FlocFormer 3 zum ersten Mal

der Öffentlichkeit vorgestellt. Die Anlage ist trotz der Erhöhung des behandelbaren Volumen-

stroms deutlich kleiner und kompakter als die bisher eingesetzte Messeanlage.

Ihren ersten Versuchseinsatz hatte der FlocFormer 3 im Juni 2006 im belgischen Houthalen.

Hier betreibt die belgische Firma Aquafin eine Klärschlammtrocknungsanlage, die von zwei pa-

rallel betriebenen Dekanterstraßen beschickt wird. In Houthalen wird der Schlamm von acht re-

gionalen Kläranlagen entwässert. Dies machte den zweiwöchigen Versuch sehr anspruchsvoll,

da sich die Zusammensetzung des zu entwässernde Schlamms permanent änderte. Trotzdem

konnte das Entwässerungsergebnis in den Versuchen von mittleren 25,2% TS auf 27% bzw.

28% angehoben werden. Abbildung 65 zeigt den FlocFormer 3 in auf der Anlage in Houthalen.

Abbildung 65: FlocFormer auf der Klärschlamm-Trocknungsanlage in Houthalen, Belgien

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

57

Insbesondere aufgrund der Messepräsenz der FlocFormer Anlagentechnik konnte die japani-

sche Firma Tsukishima Kikai Co. Ltd. (TSK), Tokyo, von der neuen Technologie begeistert wer-

den. Die Firma TSK ist ein Anlagenbauer im kommunalen Ver- und Entsorgungsbereich in Ja-

pan. Im September 2007 wurde erstmals ein FlocFormer 2L, zur Behandlung eines maximalen

Volumenstroms von 9,5 m3/h, auf die Kläranlage nach Kyoto, Japan, gebracht.

Auf dieser Kläranlage wurden zu dieser Zeit eigene Entwässerungsversuche der Firma TSK mit

einem neuen Entwässerungsaggregat, der TornadoPress, durchgeführt. Die primäre Aufgaben-

stellung für den FlocFormer war es, den Verbrauch der Flockungshilfsmittel zu senken. Interes-

sant wurde der Versuch durch zwei Randparameter:

1. Die Firma TSK hatte die TornadoPress Anwendung bereits mit einem relativ aufwändigem

Konditionierungsapparat eigener Bauart ausgestattet und

2. Die in Europa, für diese Art von Entwässerungsanwendung üblichen, vernetzten Flüssig-

Polymere entsprechen nicht dem japanischen Stand der Technik. Hier werden vor allem we-

nig vernetzte Polymere in Pulverform eingesetzt.

Das Ergebnis des zweiwöchigen Versuches in Kyoto war eindeutig. Der Flockungshilfsmittel-

verbrauch konnte durch den Einsatz des FlocFormers von 26 kg /t TR auf 14 kg /t TR gesenkt

und parallel dazu die Entwässerungsleistung von 15,2% TS auf 17,5% bzw. 19,8% TS erhöht

werden. Abbildung 66 zeigt den FlocFormer im Einsatz auf der Kläranlage in Kyoto.

Abbildung 66: FlocFormer auf der Kläranlage Kyoto, Japan

Diese positiven Ergebnisse veranlassten TSK dazu ab März 2007 eine Langzeit-Versuchs-

kampagne mit einer neuen Versuchsanlage FlocFormer 2L zu beginnen. Die erste Versuchssta-

tion, Niigata, Japan, wurde im März 2007 noch von der CUTEC vor Ort betreut, die weiteren

Versuche an verschiedenen Anlagenstandorte wurden von TSK eigenständig durchgeführt und

von der CUTEC aus kommentiert und optimiert. Abbildung 67 zeigt den FlocFormer 2L beim

Testlauf und in Niigata. An allen vier Versuchsstandorten konnten im Rahmen dieser Versuchs-

kampagne positive Ergebnisse mit dem FlocFormer für die Anwendung TornadoPress und

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

58

Bandfilterpresse bestätigt werden. Ein weiterer positiver Aspekt dieser Versuchskampagne

waren, aufgrund der externen Betrachtung von TSK, Verbesserungsvorschläge für bestimmte

Detaillösungen des FlocFormer Konstruktion.

Abbildung 67: FlocFormer bei der Fertigungsprüfung und im Einsatz auf der Kläranlage Niigata, Japan

Im September 2007 hat die CUTEC die Forschungsanlage „DeSiFloc“ zur Deponiesicker-

wasserbehandlung auf der Kreismülldeponie des Landkreises Osterode am Harz in Betrieb ge-

nommen. Basierend auf den Versuchsergebnissen zur Deponiesickerwasserflockung aus dem

Jahre 2005 wurde eine Behandlungsanlage erstellt, mit der eine Abtrennung von Schadstoffen,

im Vergleich zu konventionellen Verfahren, sehr viel effizienter möglich ist. Das neuartige Verfah-

ren findet nach der biologischen Vorbehandlung seine Anwendung. Die biologisch nicht abbauba-

ren bzw. nicht abgebauten Schadstoffe werden durch den eingesetzten FlocFormer 2L gezielt

ausgeflockt und können hiernach sehr weitreichend durch ein einfaches Siebverfahren aus dem

Abwasserstrom herausgefiltert werden. Die Betriebskosten des neuen Verfahrens sind sehr

günstig, so beträgt der Stromverbrauch nur ca. 15% des konventionell eingesetzten Trennver-

fahrens, da keine hochenergetische Zentrifugation eingesetzt wird. Eine abschließende, teure,

Aktivkohlebehandlung hat lediglich noch eine Schutzfunktion für das ableitende Gewässer. Auf

diese Weise können die Aktivkohlekosten um ca. 80% gesenkt werden.

Mit dem Einsatz des FlocFormers kann die Verfahrensführung der Deponiesicker-

wasserbehandlung im Vergleich zum konventionellen Behandlung verfahrenstechnisch und öko-

nomisch schlüssiger durchgeführt werden. Für das Gesamtsystem liegt der Fokus hierbei dar-

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

59

auf, dass alle Schadstoffe, bis auf die Stickstoffkomponenten die weiterhin biologisch abgebaut

werden sollen, kostengünstig durch das FlocFormer Verfahren aus dem Abwasser zu entfer-

nen. Dadurch kann jedem Schritt der Verfahrenskette „Deponiesickerwasserbehandlung“ eine

bestimmte Aufgabe zugeordnet werden. So kann z.B. die Biologie zur reinen Stickstoff-

Elimination genutzt werden. Wenn nur noch Spezialisten für die einzelnen Verfahrenschritte ein-

gesetzt werden, ist die Gesamtleistung des Systems besser zu optimieren und dadurch wird der

Betrieb der Anlage wirtschaftlicher. Zusätzlich kann die Anlage flexibler auf sich ändernde Rah-

menbedingungen, wie variierende Schadstoffkonzentration oder Volumenströme, angepasst

werden. Die Abbildung stellt im übersichtlichen Vergleich die neue CUTEC-Verfahrensführung

der konventionellen gegenüber. Alle Komponenten der Anlage werden mit einem einheitlichen

Prozessleit- und Visualisierungssystem geregelt.

Abbildung 68: Vergleich der Verfahren zur Deponiesickerwasserbehandlung

Die beiden folgenden Fotos, Abbildung 69 und Abbildung 70, zeigen jeweils Teilansichten der neu

errichteten chemisch-physikalischen Behandlungsstufe der DeSiFloc-Anlage. Die Trennvorrich-

tungen zur Reduktion des CSBs mit den Komponenten FlocFormer, Scheibeneindicker, Schief-

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

60

bettfilter und Neutralisation sind stufenförmig angeordnet, damit die Separation mit nur einer Be-

schickungspumpe betrieben werden kann.

Abbildung 69: Teilansicht der chemisch-physikalischen Behandlung DeSiFloc mit FlocFormer

Abbildung 70: Teilansicht der chemisch-physikalischen Behandlung DeSiFloc Trennstufe

und Aktivkohle-Behältern

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

61

Anfang des Jahres 2008 wurde ein weiterer FlocFormer, in diesem Fall ein Version 3L mit einem

maximalen Durchsatz von ca. 17 m3/h, nach Japan geliefert. Abbildung 71 zeigt das Gerät nach

der Funktionsprüfung in der CUTEC vor der Verschickung.

Abbildung 71: FlocFormer 3L vor der Verschickung nach Japan

3.3. Versuche mit dem neuen FlocFormer in Hildesheim

Um einen erfolgreichen Projektabschluss nicht zu gefährden, wurde von der CUTEC auf eigene

Kosten ein passender FlocFormer für die ausstehenden Dekanter-Versuche auf der Kläranlage

in Hildesheim gefertigt. Mitte Dezember 2007 wurde der FlocFormer mit der Typbezeichnung 5L

auf der Kläranlage installiert und endlich konnten die Versuche mit den hohen Volumenströmen

durchgeführt werden. Die folgenden beiden Abbildungen 72 und 73 zeigen den FlocFormer 5L

auf der Kläranlage.

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

62

Abbildung 72: Frontansicht FlocFormer 5L auf der Kläranlage in Hildesheim

Abbildung 73: Seitenansicht FlocFormer 5L auf der Kläranlage in Hildesheim

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

63

Es wurden jeweils Versuche mit der konventionellen Konditionierung im Zulauf des Dekanters,

und mit FlocFormer und unterschiedlicher Parametrierung durchgeführt. Die sonstigen Prozess-

bedingungen wie Polymerverbrauch, TS Rohschlamm, etc. sollten in den Versuchen konstant

sein. Die beiden folgenden Abbildungen zeigen die Ergebnisse für zwei Versuchstage, bei denen

die Eingangsbedingungen als konstant anzusehen waren. Abbildung zeigt das Ergebnis für einen

Versuchstag mit einem kontinuierlichen Volumenstrom von ca. 21,5 m3/h. Der TS-Gehalt des

Faulschlamms lag bei ca. 23,4 g/L. Zielstellung der Versuche war es die best mögliche Paramet-

rierung des FlocFormers heraus zu finden.

Abbildung 74: Entwässerungsergebnisse eines Versuchs auf der Kläranlage in Hildesheim

Mit dem Einsatz des FlocFormers konnten durchweg höhere Entwässerungsergebnisse erzielt

werden, als mit der konventionellen Konditionierung. Die Schwankungen in der Entwässerungs-

leistung sind durch unterschiedliche Einstellungen des FlocFormers bedingt.

Die nächste Abbildung zeigt das Entwässerungsergebnis für einen weiteren Versuchstag. In die-

sem Fall der behandelte Volumenstrom ebenfalls bei 21,5 m3/h. Der TS-Gehalt lag bei 22,8 g/L.

Abbildung 75: Entwässerungsergebnisse eines weiteren Versuchstages auf der Kläranlage in Hildesheim

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

64

Auch hier erbringt die Konditionierung mit dem FlocFormer höhere Entwässerungsergebnisse

als mit der konventionellen Betriebsweise.

3.4. Übersicht der Gesamtergebnisse FlocFormer

Die FlocFormer Technologie ist mittlerweile in über 20 verschiedenen Anwendungen getestet

worden. Alle Anwendungen erbrachten eine Verbesserung oder Intensivierung des Entwässe-

rungs- oder Trennprozesses. Die Maschinentechnik hat durch stetige Weiterentwicklung von

Detaillösungen einen hohen Standard erreicht. Die beiden folgenden Tabellen fassen die bisheri-

gen Betriebsergebnisse der unterschiedlichen FlocFormer Anwendungen zusammen.

3 Das Flockungssystem

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

65

1 Bernburg Messe Kommunaler

Klärschlamm

Aug 04 Flottweg

Dekanter Z4D-

4/454

99EUR108 22,80% 24,00% 24,20% 13,0 kg/t TS 15,5 kg/t TS

2 Hattorf Messe Sickerwasser Feb 05 Flottweg

Dekanter Z3L/

Synthofloc

5045 HC,

FeCl3

Keine TS

Mesung

Keine TS

Mesung

Keine TS

Mesung

Keine TS

Mesung

Keine TS

Mesung

Rotamat

Scheiben-

Eindicker RoS 2

S (Huber)

CSB, siehe

unten

CSB, siehe

unten

CSB, siehe

unten

CSB, siehe

unten

CSB, siehe

unten

3 Bernburg Messe Kommunaler

Klärschlamm

Apr 05 Flottweg

Dekanter Z4D-

4/454

Sedifloc 173,

Sidra DS2081,

Praestol

K333L, Zetag

21,20% 26,30% 28,19% 15,0 kg/t TS 13,5 kg/t TS

4 Scharzfeld Messe Kommunaler

Klärschlamm

Okt 05 ROTAMAT

Schenckenpres

se RoS3Q

(Huber)

Praestol

K233L, Zetag

8868FS,

Praestol

K255L, Nalco

99EUR119,

24,00% 27,30% 27,41% 12,8 kg/t TS 11,8 kg/t TS

5 Oelde Messe Kommunaler

Klärschlamm

Nov 05 Westfalia

Dekanter

AD1220

Stockhausen

A7112

24,80% 29,50% 30,73% 7,4 kg/t TS 6,9 kg/t TS

6 Hildesheim Projekt Kommunaler

Klärschlamm

Feb 05 Dekanter

Klöckner

Humbold Deutz

CP 3054

Degussa

Praestol 62857

24,01% 24,28% 25,45% 8,0 kg/t TS 8,0 kg/t TS

7 Hayingen Messe Kommunaler

Klärschlamm

Mär 06 ROTAMAT

Schenckenpres

se RoS3

(Huber)

Reiflock S1 20,69% 20,29% 20,60% 32,0 kg/TS 19,7 kg/t TS

8 Effretikon,

Schweiz

Messe Kommunaler

Klärschlamm

Mär 06 ROTAMAT

CenTSifuge

RoD 1500

(Huber)

Flow DW317,

Flow vp2171,

VTA LD245, 3F

156VF

25,00% 28,10% 28,10% 17.0 kg/t TS 14,8 kg/t TS

9 Telgte Messe Kommunaler

Klärschlamm

Apr 06 ROTAMAT

CenTSifuge

RoD 1500

(Huber)

Stock K234L 25,20% 26,80% 26,80% 13,1 kg/t TS 13,7 kg/t TS

10 Houthalen,

Belgien

FF 3 Kommunaler

Klärschlamm

Jun 06 Flottweg

Decanter Z4D-

4/454

Clarfloc AQE

125

25,20% 27,00% 28,00% 14 12

11 Kyoto, Japan FF 2L Kommunaler

Klärschlamm

Sep 06 TornadoPress

(TSK, Japan)

TSK 100% 115% 124% 100% 54%

12 Niigata,

Japan

FF 2L Kommunaler

Klärschlamm

Mär 07 TornadoPress

(TSK, Japan)

TSK 100% 115% 124% 100% 54%

13 Akita, Japan FF 2L Kommunaler

Klärschlamm

Apr 07 TornadoPress

(TSK, Japan)

TSK 100% 100% 100% 100% 78%

14 Bernburg Kommunaler

Klärschlamm

Apr 07 TornadoPress

(TSK, Japan)

TSK 100% 115% 124% 100% 54%

15 Ibaragi,

Japan

FF 2L Kommunaler

Klärschlamm

Jun 07 TornadoPress

(TSK, Japan)

TSK 100% 100% 106% 100% 80%

16 Ibaragi,

Japan

FF 2L Kommunaler

Klärschlamm

Jun 07 Bandfilterpresse

(TSK, Japan)

TSK 100% 100% 103% 100% 67%

17 Osaka,

Japan

FF 2L Kommunaler

Klärschlamm

Aug 07 TornadoPress

(TSK, Japan)

TSK 100% 90% nv 100% 77%

18 Hattorf FF 2L Deponiesickerw

asser

Sep 07 Rotamat

Scheiben-

Eindicker RoS 2

S (Huber)

Synthofloc

5045 HC,

FeCl3

Keine TS

Mesung

Keine TS

Mesung

Keine TS

Mesung

Keine TS

Mesung

Keine TS

Mesung

19 Hildesheim FF 5L Kommunaler

Klärschlamm

Dez 07 Dekanter

Klöckner

Humbold Deutz

CP 3054

Degussa

Praestol 62857

24,00% 26,00% 27,80% 8 8

20 Japan FF 3L Kommunaler

Klärschlamm

Jan 08 Bandfilterpresse

(TSK, Japan)

TSK nv nv nv nv nv

2 Hattorf Messe Sickerwasser Feb 05 Flottweg

Dekanter Z3L/

Synthofloc

5045 HC,

FeCl3

3480 mg/L 350 mg/L 211 mg/L 199 mg/L

Rotamat

Scheiben-

Eindicker RoS 2

S (Huber)

18 Hattorf FF 2L Deponiesickerw

asser

Sep 07 Rotamat

Scheiben-

Eindicker RoS 2

S (Huber)

Synthofloc

5045 HC,

FeCl3

n/a 100% 70% n/a

Niedrigster

CSB Filtrat

FlocFormer

PolymerCSB

Zulauf

CSB Filtrat

regulär

CSB Filtrat

FlocFormer

Duchschnitt

TS

FlocFormer

Durchschnitt

Höchster

TS

FlocFormer

Polymer

Verbrauch

regulär

Polymer

Verbrauch

FlocFormer

ZeitEntwässerung

sartPolymer TS regulär

Projekt

Nr.Standort

FlocFormer

TypMedium

Projekt

NrStandort

FlocFormer

TypMedium Zeit

Entwässerung

sart

4 Zusammenfassung

CUTEC29.02.2008HAB Heiland Apparatebau · AUCOTEAM GmbH · Klärwerk Hildesheim

66

4. Zusammenfassung

Das Ziel in diesem Demonstrationsprojekt war es, einen Flockungsreaktor zur Behandlung eines

Volumenstromes von 30 m3/h zu entwickeln und diesen durch einen Flockungssensor zu regeln.

Dieses Ziel konnte aufgrund von Schwierigkeiten mit der zuerst gebauten Versuchsanlage letzt-

endlich nicht nachgewiesen werden. Gleichwohl ist mittlerweile durch intensive Entwicklungsar-

beit der CUTEC die Konditionierungseinrichtung „FlocFormer“ und der Flockungssensor „Floc-

Sens“ zur Marktreife gebracht worden. Ein FlocFormer zur Behandlung von 30 m3/h steht auch

zur Verfügung, aufgrund von zeitlichen Aspekten konnten jedoch nur abschließende Versuche

zur Funktionsdemonstration durchgeführt werden.

Die FlocFormer-Technologie wurde bis jetzt in über 20 Applikationen getestet. Die Ergebnisse

der Versuche sind positiv. Je nach Art der Anwendung konnten zum Teil ganz erhebliche Steige-

rungen der Entwässerbarkeit oder Verringerungen des Flockungsmittelverbrauches erzielt wer-

den. Überraschend war die Feststellung, dass sich zusätzlich im Regelfall die Klarlaufphase der

Entwässerung oder Separation verbessert. Mit der Anwendung des FlocFormers zur Deponie-

sickerwasserbehandlung wurde ein ökonomisches Behandlungsverfahren zur CSB-Reduktion

von Deponiesickerwasser entwickelt. Das korrespondierende CUTEC-Verfahrenskonzept ist

„DeSiFloc“. Eine „DeSiFloc“-Anlage wurde mittlerweile erstellt und wird auf der Kreismülldeponie

des Landkreises Osterode am Harz erfolgreich betrieben. Der FlocFormer ist mittlerweile in

Deutschland, Belgien, der Schweiz und in Japan erfolgreich getestet worden. Insbesondere die

japanischen Anwendungen sind interessant, da der FlocFormer vorteilhaft für eine neue Art von

Entwässerungsaggregaten zu sein scheint.

Der Flockungssensor „FlocSens“ wurde für zwei verschiedene Anwendungen weiterentwickelt;

zum Einen als online-Prozessmessgerät für den Rohrleitungseinbau und zum Anderen als La-

boranwendung, um Flockungsvorgänge im Batchversuch analysieren zu können. Soft- und

Hardware wurden benutzerfreundlicher und robuster gemacht. In verschiedenen Anwendungen

konnte die Funktionsfähigkeit des Sensors unter Beweis gestellt werden. Die Auswertungen eig-

nen sich gut, um das Produkt der Flockung zur charakterisieren.