Höhere Effizienz im Klärwerk Five Fords

Bei einem Projekt im walisischen Wrexham standen die beteiligten Ingenieure vor der Aufgabe, die Effizienz der Abwasserbehandlung zu verbessern. Gefordert war die Umsetzung zu einem Bruchteil der Kosten herkömmlicher Methoden. Am Ende konnten ca. 3,5 Millionen Pfund eingespart werden. Warum die Wahl der Durchflussmesstechnik solche enormen Einsparungen überhaupt erst möglich machte, erklärt Alison Miles von NIVUS, einem Messtechnikpartner bei diesem Projekt.

Die Kläranlage Five Fords befindet sich im Nordosten von Wales und versorgt über 130.000 Menschen. Der Standort betreibt drei ASP-Kanäle (Belebtschlammverfahren).

Als Hauptversorgungspartner und Teil der Welsh Water Alliance wurde Mott MacDonald Bentley (MMB) mit der Aufgabe betraut, die Aufbereitungskapazität der ASP-Kanäle zu erhöhen. Damit möchte man dem Bevölkerungswachstum und der damit steigenden Nachfrage durch neue anaerobe Vergärungsanlagen gerecht werden.

Die bestehende Anlage leitete das Abwasser mit unterschiedlichen Durchflussraten in die einzelnen Kanäle. Diese Diskrepanz spiegelte sich in den Messungen des gelösten Sauerstoffs in den betreffenden Kanälen wider und wies darauf hin, dass die Kanäle nicht effizient arbeiteten. “Einer der Kanäle arbeitete beispielsweise in einem überkritischen Zustand, während ein anderer noch nicht kritisch war“, erklärt Jack Jones von MMB. “Aus Sicht der Prozesssteuerung war die Effizienz der ASP-Kanäle folglich schwierig zu managen.”

Die ungleichmäßige Verteilung des Durchflusses zwischen den ASP-Kanälen wurde durch eine Reihe physikalischer Probleme in den Zulaufstrecken verursacht.  Darüber hinaus leitete ein großes Entlastungsrohr DN 800 eine Mischung aus rückgeführtem Belebtschlamm und Überlauf direkt in den Hauptzulaufkanal, was das Strömungsprofil ebenfalls beeinflusste.

Die ASP-Kanäle waren ursprünglich mit Rinnen versehen, um den Durchfluss zu kontrollieren. Diese Rinnen wurden zur Erhöhung der Kapazität allerdings durch Wehre ersetzt. Die Notwendigkeit einer weiteren Erhöhung der Kapazität bedeutete, dass eine Rückkehr zu Rinnen nicht praktikabel wäre und den ungleichmäßigen Durchfluss ohnehin nicht behoben hätte.

Ein Durchflusstrennbauwerk mit gleichartigen Wehren wurde ebenfalls als nicht praktikabel erachtet, da dies den Betrieb der Anlage stört und zeitweise erheblichen Arbeitsaufwand sowie Baukosten erfordern würde. Die ASP-Kanäle können bei vollem Durchfluss bis zu 1.200 l/s aufnehmen, so dass eine Lösung mit Wehren die Anmietung provisorischer Pumpen für die Dauer der Bauarbeiten (ca. 4 Monate) erforderlich machen würde. Dies wäre mit erheblichen Mehrkosten verbunden gewesen und wurde daher verworfen.

Neben der Behebung der Durchflussunterschiede in den ASP-Kanälen müsste auch der Durchfluss in der Entlastungsleitung überwacht werden. Dies stellte ebenfalls ein außerordentliches Kostenpotenzial dar. Herkömmliche Verfahren wie MIDs erfordern für genaue Messungen in der Regel ein komplettes Rohr und deren Einbau ist mit erheblichen Installationskosten und Prozessausfallzeiten verbunden. Ein kürzlich durchgeführter Versuch, bei dem der NIVUS Sensor mit einem herkömmlichen magnetischen Durchflussmesser verglichen wurde, ergab eine Kosteneinsparung von 60 % und eine Einsparung von 95 % an gebundenem Kohlenstoff. Die Option mit MIDs wurde daher ebenfalls nicht in Betracht gezogen.

“Bevor wir die endgültige Entscheidung trafen, wurden mehrere interne „Eingriffe“ mit Hilfe von Hydraulik-, Maschinenbau- und Verfahrensingenieuren durchgeführt", erklärt Josh Sparks, MMB Contracts Manager & EICA Regional Practice Lead. "Als Unternehmen sind wir immer auf der Suche nach innovativen Lösungen, die in vielerlei Hinsicht mehr bieten und genau das haben wir bei Five Fords erreicht.”

Die bevorzugte Lösung sah den Einsatz von drei gesteuerten Absperrschiebern vor, die in die ersten drei Kanäle gehoben werden sollten. Der vierte Kanal wäre isoliert, könnte aber bei Bedarf zukünftig zur Verfügung gestellt werden. Eine wirksame Steuerung der Absperrschieber würde in hohem Maße von der zuverlässigen Messung des Durchflusses hinter den Schiebern in jedem Kanal abhängen. „Auch dies war eine große Herausforderung“, erklärt Josh. "Die meisten herkömmlichen Durchflussmessmethoden schieden aufgrund der physischen Einschränkungen des Standorts aus, ebenso wie die Kosten für Lösungen, die umfangreiche Bauarbeiten erforderten. Daraufhin haben wir uns mit NIVUS in Verbindung gesetzt und festgestellt, dass deren Kreuzkorrelations-Durchflussmesstechnik die beste Lösung darstellt."

NIVUS wurde beauftragt, Durchflussmessgeräte in der Entlastungsleitung, im Hauptzulaufkanal und in jedem der drei ASP-Zulaufkanäle zu installieren. Alle diese Geräte sind MCERTS- und EX-zertifiziert und verwenden die Kreuzkorrelations-Durchflussmesstechnik von NIVUS.

Zwei POA-Keilsensoren von NIVUS wurden an L-förmigen Halterungen auf dem Gerinneboden angebracht - einer auf jeder Seite des Hauptzulaufkanals. Diese Sensoren waren mit einem Messumformer (NivuFlow 750) verbunden, an den auch ein Rohrsensor (Geschwindigkeitsprofiler und Ultraschall-Füllstandsmessung) angeschlossen war.

Jeder ASP-Kanal war mit einem Radar-Füllstandssensor ausgestattet, der wiederum mit den POA-Keilsensoren zusammenarbeitete. Jeder dieser Sensoren war mit einem einzelnen Eingang eines NivuFlow 750-Messumformers verbunden.

Das Ziel des Projekts war, die Durchflussmengen in den drei ASP-Kanälen anzugleichen, um Effizienz und Kapazität der Aufbereitung zu verbessern. Dies wurde erreicht, aber, wie Josh sagt: "Das Schieberkontrollsystem hat extrem gut funktioniert. Durch den Aufbau eines Systems, das auf der Kreuzkorrelations-Durchflussmessung sowohl für die Entlastungsleitung als auch für die ASP-Kanäle basiert, konnten wir umfangreiche Bauarbeiten vermeiden. Dies führte zu erheblichen Einsparungen hinsichtlich der Kosten und CO₂-Emissionen sowie zu einem fast unterbrechungsfreien Anlagenbetrieb."

MMB schätzt, dass eine konventionelle Lösung, die eine Änderung der Kanäle mit einer neuen Verteilerkammer beinhaltet hätte, etwa 8 Monate gedauert und mehr als 4,5 Millionen Pfund gekostet hätte. In krassem Gegensatz dazu wurde die oben beschriebene Lösung von MMB zu Kosten von etwa 1 Million Pfund realisiert.

Als Hauptversorgungspartner und Teil der Welsh Water Alliance bringen die Kosteneinsparungen von MMB bei Five Fords gemäß den Vertragsbedingungen sowohl MMB als auch Dŵr Cymru Welsh Water finanzielle Vorteile. Folglich profitieren auch die Kunden des Wasserunternehmens davon.

MMB zeigte sich von den Ergebnissen dieses Projekts beeindruckt. Das Unternehmen veranstaltet seitdem interne Webinare mit Ingenieurskollegen aus der ganzen Welt, um ihnen den Einsatz dieser Technologie näherzubringen. So sollen Kosten- und Nachhaltigkeitsvorteile auch für sie erreichbar sein.

Die NIVUS-Kreuzkorrelations-Durchflussmessung wird auch bei künftigen Abwasserprojekten zum Einsatz kommen. Allerdings ist die Technik auch für andere Anwendungen wie z. B. das Pumpenmanagement im Rahmen von AMP8 sowie für die Durchflussmessung in Trinkwasserapplikationen geeignet.

Josh Sparks fasst zusammen: "Die physischen Einschränkungen bei Five Fords haben uns adzu gezwungen, die Suche nach potenziellen Lösungen auszuweiten und mit den Ergebnissen sind wir natürlich sehr zufrieden. Die Durchflussmessung mit Kreuzkorrelation erwies sich als Schlüssel zu den erreichten finanziellen, zeitlichen und CO₂-Einsparungen und wir freuen uns auf ähnliche Vorteile bei künftigen Projekten.”