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FachbeitragNährstoffüberwachung auf kommunalen Kläranlagen

Ionenselektive Elektroden arbeiten schnell und reagenzienfrei
Fachbeitrag: Nährstoffüberwachung auf kommunalen Kläranlagen

Anja Pratscher*)

  1. Product Manager, Endress+Hauser Conducta Gesellschaft für Mess- und Regeltechnik mbH + Co. KG, Dieselstraße 24, 70839 Gerlingen, E-Mail: anja.pratscher@conducta.endress.com.
Das Messsystem ISEmax von Endress+Hauser misst Ammonium und Nitrat und beruht auf der potentiometrischen Messung mit ionenselektiven Elektroden. Vor allem in der Abwasseraufbereitung macht es die Prozesse der Nitrifikation und Denitrifikation transparent. ISEmax erfasst schnell und kontinuierlich die Ammonium- und Nitratkonzentrationen in der kommunalen Kläranlage. Die robuste In-situ-Messung erfolgt direkt im Prozess und erfasst mit einem Sensor mehrere Parameter gleichzeitig. Das System zeichnet sich durch eine kurze Ansprechzeit aus und arbeitet reagenzienfrei.
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Einen direkten Hinweis auf die Abbauleistung einer Kläranlage gibt die Überwachung von Nährstoffen wie Ammonium, Nitrat und Phosphat. Bis vor wenigen Jahren standen nur Laboranalysen zur Verfügung. Der Betreiber erhielt so jedoch nur alle paar Stunden neue Messwerte. Daher wurden auf Basis dieser Laboranalysen vollautomatische nasschemische Analysatoren entwickelt. Diese lieferten alle 15...30 min einen Messwert, verbrauchten aber große Mengen an Reagenzien. Daraufhin folgte eine beträchtliche Weiterentwicklung von reagenzienfreien UV-Sensoren für Nitrat, aber nicht für Ammonium und Phosphat. Eine neue Technologie in diesem Bereich sind ionenselektive Elektroden – bieten sie doch schnelles und reagenzienfreies Messen von Ammonium und Nitrat mit nur einem Sensor, und zwar direkt in der Belebung.

Der Abwasserzweckverband Hohlebachtal im Rheintal nutzt diese Technologie seit einiger Zeit ebenso wie die pH- und Sauerstoffmessung von Endress+Hauser. Die Zahlen, Daten und Fakten zum Abwasserzweckverband sind wie folgt: Gegründet wurde er 1975. Er besteht aus der Gemeinde Schliengen mit den Ortsteilen Schallsingen, Obereggenen, Niedereggenen, Liel und Mauchen, sowie Feldberg, Gennenbach und Steinenstadt. Die Kläranlage Steinenstadt mit ihren zwei Mitarbeitern hat ihren Sitz in Schliengen und ist 1979 entstanden. 1999 fand eine Modernisierung der Kläranlage statt, deren Kapazität 16500 Einwohnergleichwerte umfasst. Sie reinigt das Abwasser von Sammelkanälen der Mitgliedsgemeinden mit einer Gesamtstrecke von über 20 km. Pro Tag und bei gutem Wetter können bis zu 1800 m3 Abwasser aufgenommen werden. Das Klärwerk arbeitet mit mechanisch-biologischen Reinigungsstufen und biologischer Phosphateliminierung. Dies führt zu einem Reinigungsgrad des Abwassers von 96 %. Circa 25 % des täglichen Strombedarfs werden alleine durch das von Blockheizkraftwerken umgewandelte Methangas des Faulturms und die dadurch entstehende elektrische und thermische Energie abgedeckt. Die entstehende Wärme wird genutzt, um die Gebäude im Winter zu temperieren und den Faulturm aufzuheizen.

Einfach messen ohne Chemikalien

Die Biologie der Kläranlage Steinenstadt umfasst zwei intermittierend betriebene Belebungsbecken und einen Verteilerschacht. Dort wo früher zwei Analysatoren gemessen haben, finden heute zwei ISEmax-Systeme ihren Platz. Sie sind im Verteilerschacht beim jeweiligen Zulauf der zwei Belebungsbecken installiert und messen die Parameter Ammonium und Nitrat. Herr Vogt, stellvertretender Betriebsleiter, ist von der einfachen Anwendung überzeugt: „Man erkennt sofort den Effekt durch die Echtzeitmessung mit ISEmax. Bei den nasschemischen und photometrisch arbeitenden Analysatoren war dies nicht der Fall. Hier kamen die Messwerte nur alle 15 bis 20 Minuten.“ Das chemikalienfreie Messsystem ist wartungsarm und erfordert keine externe Probennahme. ISEmax ist seit dem Winter 2008/2009 im Hohlebachtal im Einsatz und wird regelmäßig alle sechs Wochen kalibriert. Bisher brauchten die Membrankappen nicht gewechselt zu werden.

Obwohl die Kläranlage im Herbst und Winter durch die Weingüter mit höheren Zulauffrachten belastet ist als in den Sommermonaten, läuft das Messsystem seit seiner Inbetriebnahme problemlos. „ISEmax ist wartungsarm und zeitsparend“, bestätigt Vogt. Muss einmal eine Membran getauscht werden, ist der Tausch einfach und schnell. So spart der Anwender Personalkosten in der Wartung.

Schnelles Reagieren möglich

Auf die Frage nach den ersten Erfahrungen berichtet Vogt, dass die Elektroden eine sehr schnelle Reaktion auf Messwertänderungen zeigen. „Durch die kontinuierliche Messung können wir die Belüftung effizienter regeln. Dies führt zu einer deutlichen Energieeinsparung und einer besseren Umsatzleistung.“ Der Verlauf und die Dynamik der Messwerte sind sehr schön zu beobachten.

ISEmax erfasst schnell und kontinuierlich die sensiblen Nährstoffparameter Ammonium und Nitrat in biologischen Reinigungsstufen. Die in über 150 Anwendungen erprobte, robuste und zuverlässige In-situ-Messung ermöglicht für mehrere Parameter und, falls erforderlich, an verschiedenen Messstellen gleichzeitig die schnelle Trendanzeige der dynamischen Vorgänge bei der Nährstoffelimination.
ISEmax ist direkt in das Prozessleitsystem integriert. Diese Integration führte zu einem höheren Grad an Automatisierung und besserer Reproduzierbarkeit der Messwerte. Dort, wo Veränderungen sehr schnell ablaufen, wie z.B. bei der intermittierenden Denitrifikation, kann jetzt dank ISEmax frühzeitig die Steuerung und Regelung der Prozesse erfolgen. Als weitere Vorteile sind zu nennen:

  • Kontinuierliche Messung direkt im Becken über eine Eintaucharmatur.
  • Einfache Handhabung ohne aufwendige Probenaufbereitung, Filter oder den Einsatz von Chemikalien. Somit verringern sich die Kosten für Installation und Wartung deutlich.
  • Erfassung mehrerer Parameter gleichzeitig mit einem Sensor.
  • Höchste Flexibilität: schnelle Änderung des Messortes und der Messbereiche möglich. Auch die gemessenen Parameter können durch einfachen Austausch der Elektroden schnell angepasst werden.
  • Geringer Wartungsaufwand durch automatische Luftdruckreinigung und einfachen Tausch der Membrankappen.

Diese Vorteile des ISEmax-Messsystems lassen sich in zwei Richtungen nutzen:

Betriebsoptimierung:
Mit ISEmax hat man die sensiblen biologischen Prozesse besser im Griff. Außerdem kann die Prozesssicherheit durch geringere Schwankungsbreiten der Prozessparameter und niedrigere Ablaufwerte gesteigert werden. Auch das vorhandene Beckenvolumen kann besser genutzt werden. Es eröffnen sich Möglichkeiten, die Abwasserabgabe zu verringern oder anstehende Investitionen zu vermeiden oder zeitlich zu verschieben.
Kostenreduzierung:
Die Kosten beim Energieaufwand für die Belüftung können bei gleichem Niveau der Reinigungsleistung deutlich gesenkt werden. Erfolgszahlen sind hier natürlich abhängig von der vorher angetroffenen Situation, doch sind Energieeinsparungen von 20...30 % keine Seltenheit, so dass sich auch für kleinere Anlagen die Investition in das Messsystem ISEmax innerhalb von max. zwei Jahren rechnet.

Aufbau des Messsystems

Das kompakte Messsystem besteht aus einem Messumformer und ein bis zwei Sensoren. Der ISEmax-Sensor selbst enthält die ionenselektiven Elektroden sowie eine Referenzelektrode, die in eine Eintaucharmatur mit automatischer Druckluftreinigung und einem Vorverstärker eingebaut sind. Die Druckluftreinigung beugt der Verschmutzung der Membranen vor. Bis zu drei ionenselektive Elektroden messen simultan Ammonium, Nitrat und – je nach Kundenwunsch – eine weitere Messgröße wie Kalium, Chlorid oder eben auch den pH-Wert. Da ISEmax unmittelbar in das Medium eintaucht und ein schnelles Ansprechverhalten zeigt, antwortet das Messsystem sehr rasch auf Konzentrationsänderungen. Messsignal und Konzentration des Messions stehen über einen sehr weiten Bereich in direkter Beziehung, so dass dieses System einen sehr hohen Messbereich abdecken kann.

Ammonium-Stickstoff: 0,1...1000 mg/l NH4-N.

Nitrat-Stickstoff: 0,1...1000 mg/l NO3-N.

Damit wird die Kontrolle der für die biologische Abwasserreinigung so sensiblen Parameter Ammonium und Nitrat vergleichbar einfach wie die Messung des pH-Wertes.

Die ionenselektiven Elektroden von Endress+Hauser weisen eine sehr hohe Selektivität und besonders geringe Querempfindlichkeiten auf. Damit kann weitgehend auf eine Kompensation der Querempfindlichkeiten verzichtet werden. Das Handling der Elektroden ist einfach und wartungsarm, denn die neuartigen Membranen sind sehr robust und können bis zu einem halben Jahr verwendet werden. Als Zubehör erhältlich ist ein Membran-Kit mit einfach zu handhabenden Wechselkappen, die selektiv für das zu messende Ion sind. Durch die integrierte Druckluftreinigung werden sie von Verschmutzungen frei gehalten und sind damit ständig messbereit.

Die ionenselektive Messung ist die Zukunftstechnologie für die Analyse im Umweltbereich: Geringe Anschaffungs- und Unterhaltskosten, hohe Dynamik der Messwerte, einfache Installation und wenig Wartung bieten Kläranlagenbetreibern Optionen für die Zukunft.

Messprinzip im Detail

Die Funktionsweise einer ionenselektiven Messung ist vergleichbar mit einer pH-Messung. Der Kern der ionenselektiven Elektroden ist eine für das jeweils zu messende Ion selektive Membran, in die sogenannte Ionophoren eingelagert sind. Diese Ionophoren ermöglichen die selektive Anlagerung der Ionen an die Membran. Diese ist selektiv, beispielsweise für das positiv geladene Ammoniumion oder das negativ geladene Nitration. Dadurch ist die Elektrode leicht positiv oder leicht negativ geladen. Durch diese Ladungsverschiebung kommt es zum Aufbau eines zur Ionenkonzentration proportionalen elektrochemischen Potentials über die Membran. Das Potential wird über den Innenelektrolyten an das Ableitsystem der Elektrode übertragen und gegenüber einer separaten Referenzelektrode mit konstantem Potential gemessen. Diese Spannungsdifferenz wird dann entsprechend der Nernst´schen Gleichung in eine stoffspezifische Konzentration umgerechnet. Die Selektivität der Membran ist also entscheidend für die Qualität der Messung. Bei diesem Messprinzip haben Farbe und Trübung des Mediums keinen Einfluss auf das Messergebnis.

Die Sensoren weisen eine sehr hohe Selektivität und besonders geringe Querempfindlichkeiten auf. Eine Kompensation ist damit weitgehend verzichtbar. Bei der Messung in Industrieabwässern mit besonders hohem Anteil an Kalium oder Chlorid kann jedoch das dem Ammoniumion chemisch ähnliche Kaliumion zu erhöhten Messwerten führen. Die Nitrat-Messwerte können durch hohe Konzentrationen von Chlorid zu groß ausfallen. Um Messfehler durch derartige Querempfindlichkeiten zu reduzieren, lässt sich die Konzentration der Störionen Kalium bzw. Chlorid mit einer geeigneten zusätzlichen Elektrode messen und kompensieren.

Anwendung des Messsystems

Typische Einsatzbereiche des ionenselektiven Messsystems ISEmax in kommunalen Kläranlagen sind die Konzentrationsbestimmung von Ammonium und Nitrat direkt in der Belebung, die Frachtbestimmung von Ammonium (pH-kompensiert) im Zulauf zur Belebung und die frachtabhängige Belüftersteuerung. Seit über fünf Jahren wird das Messsystem ISEmax auf Kläranlagen eingesetzt. In über 150 Anwendungen wurden, ausgehend von Anlagen im Pilotmaßstab bis zu großen Kläranlagen mit mehr als 1 Mio. EW, Optimierungsprozesse erfolgreich umgesetzt.

Die folgenden Beispiele zeigen einen Ausschnitt aus dem Anwendungsspektrum der ionenselektiven Messung:

  • Belüftersteuerung in intermittierenden Anlagen.
    • Belüftersteuerung bei simultaner Denitrifikation in Umlaufgräben.
    • Steuerung der Zyklen bei SBR-Verfahren.
    • Reaktion auf Ammonium-Belastungsspitzen im Zulauf zur biologischen Stufe.
    • Steuerung von Kreislaufströmen.
    • Aufteilung auf verschiedene Beckenstraßen.
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