Messtechnik auf der Kläranlage Lingen

STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
Regeltechnik in einem
deutschen Klärwerk am Beispiel
der Kläranlage Lingen,
sowie vorkommende technische Probleme und
ihre Lösungen
(Dipl. Ing. L. Hüer, Kläranlage Lingen)
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STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
Gliederung
•
1. Teil
Grundlagen und Ziele der Mess-, Steuer- und Regeltechnik
•
Mess-, Regel- und Bedienungstechnik auf der Kläranlage Lingen
•
Überwachung der Kläranlage und Dokumentation
•
2. Teil
Übersicht über die Steuerung und Regelung der einzelnen Anlagenteile
der Kläranlage Lingen
•
Vorkommende technische Probleme und ihre Lösungen
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STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
Messen, Steuern, Regeln
• Messen, Steuern und Regeln.
Industrielle Vorgänge werden erst praktisch wirksam, wenn eine
laufende Kontrolle ihren Ablauf durch Beobachten und Einstellen
überwacht.
Dazu gehört stetes
– Messen
gegebenenfalls Fernmessen zu einer Leitstelle oder Messwarte hin
– Steuern
als wiederholter Eingriff durch Schaltimpulse in den Verfahrenablauf – wobei die
Vorgangsfolge Schritt um Schritt eingeleitet und wieder abgeschlossen wird – oder
– Regeln
das einen Zustand oder Einzelvorgang unter ständigem Zusammenspiel von Messen
und Nachstellen vollautomatisch auf vorgegebenem Sollwert hält.
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STADTENTWÄSSERUNG
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Ziele der Mess- Steuer- und
Regeltechnik auf der KA Lingen
• Überwachung der klärtechnischen Prozesse
• Optimierung der klärtechnischen Prozesse
• Dokumentation der Betriebsergebnisse und
Reinigungsleistung
• Einsparung an Personalaufwand für Bedienung,
Überwachung und Dokumentation
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STADTENTWÄSSERUNG
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Messtechnik auf der Kläranlage
Lingen
• Maschinengebundene Messtechnik (z.B. Temperaturüberwachung einer Pumpe)
• Vor- Ort- Messgeräte zur Prozesssteuerung und zur Überwachung (z.B. Sauerstoffsonden, Magnetisch- InduktiveDurchflussmessungen (MID) zur Mengenmessung)
• Messhäuser mit mehreren Messgeräten zur
Prozesssteuerung und -überwachung
• mobile Messgeräte zur manuellen Überprüfung von
Messungen (z.B. Sauerstoff- und pH-Wert-Handgeräte
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Vor- Ort- Messtechnik mit diditaler
Anzeige
STADTENTWÄSSERUNG
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Messhaus auf der
Kläranlage Lingen
Messungen im Ablauf der
Biologischen Stufe (vor NKB).
ON-line Messungen von Nitrat,
pH, TS, Ammonium und Phospat
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Mobile Messgeräte
pH - Handmeßgerät von WTW
Spritzwassergeschützt
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Handmeßgerät zur Messung
des Sauerstoffgehaltes
STADTENTWÄSSERUNG
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Vorhandene Regeltechnik auf der
Kläranlage Lingen
• Analoge, „hart verdrahtete“ Vor-Ort- Steuerung für ältere
Anlagenteile (z.B. Teile der Schlammbehandlung)
• Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) Vor-Ort,
zur Steuerung einzelner Anlagenkomponenten (z.B. Gebläse)
• Analoge, „hart verdrahtete“ Steuerung in der zentralen
Schaltwarte für ältere Anlagenteile (z.B. die Faulung)
• Zentrale Prozessleittechnik zur Steuerung übergeordneter
Prozesse, Bussystem (z.B. Phosphorfällung)
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Vor- Ort- SPS (Gebläse)
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Prozessleitsystem mit
Bedienstation
Alte Technik
vor 2001
Neue ProzeßLeittechnik
ab 2001
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Mosaikbild der Faulung
Noch in Betrieb befindliche analoge, „hart verdrahtete“ Steuerung in
der zentralen Schaltwarte für die Faulung. Die Technik ist noch nicht
in das Prozeßleitsystem eingebunden.
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STADTENTWÄSSERUNG
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Vorhandene Bedienungstechnik auf
der Kläranlage Lingen
• Selten betätigte Anlagenteile werden noch manuell bedient
• Vor- Ort Bedienstellen für ältere (z.B. Schalter,) und neuere
Anlagenteile (z.B. Bedienpaneel)
• Mosaikschaltbild für ältere Anlagenteile in der Schaltwarte
(z.B. Teile der Schlammbehandlung)
• PC- Arbeitsplätze in der Schaltwarte für Anlagenteile, die an
das Prozessleitsystem angebunden sind
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Manuell bediente Schieber
(Klärschlamm-Speicherbeete)
STADTENTWÄSSERUNG
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Vor- Ort- Bedienstellen
Vor –Ort –Bedienung am
Sandfangräumer
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Vor –Ort –Bedienung eines
Schieberantriebes
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Prozessleitsystem – Bedienung am PC
Eisen Dosierung
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STADTENTWÄSSERUNG
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Anzeige
MengenMessungs-
Grün =
Pumpe
Betrieb
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Prozessleitsystem – Bedienung am PC
Behälter
für
Eisenlösung
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Überwachung der Kläranlage
• Vor- Ort- Anzeigen an Messgeräten und Maschinen
• Anzeigen im Mosaikschaltbild und Schreiberaufzeichnungen
in der Schaltwarte für ältere Anlagenteile
• Visualisierung am PC (Aufzeichnungen sowie aktuelle
Statusmeldungen und Messwerte der Kläranlage, Fernüberwachung von Pumpwerken im Kanalnetz der Stadt
Lingen)
• Automatische Weiterleitung von Störmeldungen an den
Bereitschaftsdienst der Kläranlage Lingen
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Vor- Ort- Anzeige
(analog und digital)
Sauerstoff im Belebungsbecken
„Digitale Vor-Ort Anzeige (mg O2/l“
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Analoge Druckanzeige in mbar
in der Luftversorgungsleitung
STADTENTWÄSSERUNG
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Ganglinien am PC der Warte
Belüftung und Ammonium-Gehalt im Becken 3 - Ganglinie eines Tages
Stellung der Blendenregulierschieber in %
Sauerstoffgehalt und -sollwert
Ammonium
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Dokumentation auf der
Kläranlage Lingen
• Speicherung von Messwerten und Störmeldungen auf
Papierausdruck und auf Datenträger (DAT-Bänder) des
Leitsystemes.
• Durchführung von Labormessungen zur Eigenkontrolle
• Dokumentation der Messungen und sonstigen
Meldungen in einem EDV- gestützten Betriebstagebuch
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Betriebstagebuch
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2. Teil
Steuerung und Regelung der
einzelnen Anlagenteile der
Abwasserreinigung
mit Hinweisen auf vorkommende Probleme
(Dipl. Ing. L. Hüer, Kläranlage Lingen)
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Abwasser-Pumpwerk
Kommunales Abwassers gelangt über
die Kanalisation (hier offener Einlaufbereich vor dem Pumpwerk) zum
Pumpensumpf des Pumpwerkes
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Abwasser-Pumpwerk
•
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Diese 4 Pumpen
fördern abwechselnd
das Abwasser über
eine
Druckrohrleitung zur
Kläranlage Lingen.
STADTENTWÄSSERUNG
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Abwasser-Pumpwerk
•
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Niveau-Steuerung
Hier eine Ultraschall-Sonde
zur Höhenstandsmessung
und Steuerung der Pumpen.
Steuerung hier mit automatischer Umschaltung auf
eine Reservepumpe bei
Ausfall der Betriebspumpe.
STADTENTWÄSSERUNG
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Steuerung der Rechen- und
Sandfanganlage der Kläranlage
• Steuerung der Rechengeschwindigkeit über Füllstandsmessungen im Rechengerinne
• Steuerung der Rechengut- Waschpresse über einstellbare
Zeitsteuerung und Füllstandsüberwachung
• Zeitsteuerung für den Sandfangräumer
• Niveausteuerung für Sandwäscher- und Fettfangpumpen
• SPS- Steuerung der komplexen Abläufe im Sandwäscher
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STADTENTWÄSSERUNG
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Steuerung und Regelung des
Vorklärbeckens der Kläranlage
• Zeitsteuerung für
Vorklärbeckenräumer,
Schwimmschlamm und
Primärschlammabzug
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Steuerung und Regelung des
Zwischenpumpwerkes und
Abwasserverteilung auf die Biologie
STADTENTWÄSSERUNG
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• Niveausteuerung für die Schneckenumpen des Zwischenpumpwerkes mit automatischer Umschaltung auf eine
Reserve-Schneckenpumpe bei Ausfall einer Betriebspumpe
• Die gleichmäßige Abwasserverteilung auf die drei Belebungsstraßen wird über einen Regelkreis „MID - Mengenmessung Verteilerwehr“ sichergestellt
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STADTENTWÄSSERUNG
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Regelung der Abwasserverteilung auf
die Belebung mit Hilfe von MID`s
STADTENTWÄSSERUNG
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Regelung von Lufteintrag und Sauerstoffkonzentration in den 3 Belebungsbecken
• Die Gebläse werden über eine Konstantdruckregelung
betrieben. Bei z. B. sinkendem Druck (Messung) in den
Luftleitungen wird die Leistung der Gebläse erhöht.
• Der Lufteintrag in die einzelnen Becken wird über Blendenregulierschieber, die über Sauerstoffmessungen in den
Becken angesteuert werden, geregelt.
• Jede Kaskade (NI 1, NI 2, DN/NI 1 DN/NI 2 ) hat einen
eigenen Regelkreis mit O2 - Sonde, wobei die drei Straßen
parallel zu einem Referenzbecken betrieben werden.
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STADTENTWÄSSERUNG
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Regelschema Sauerstoffbelüftung
Start
O2>O2 Soll
O2
O2<O2 Soll
O2=O2 Soll
Blendenregulierschieber schrittweise schließen
Keine
Änderung
Neustart
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Blendenregulierschieber schrittweise öffnen
STADTENTWÄSSERUNG
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Regelung des Lufteintrages
Luftklappe
Blendenregulierschieber
Luftversorgungsleitung für
Belebungsbecken 3
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Lufteintrag in die NI 2-Zone
von Belebungsbecken 3
STADTENTWÄSSERUNG
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Regelung der Nitrifikation
• Die Nitrifikation (NH4-N + O2 zu NO3-N) wird in Abhängigkeit
von der Ammoniumkonzentration (NH4-N) im Ablauf der
Belebungsbecken über eine NH4-N-Online-Messung gesteuert.
• Bei steigenden NH4-N Konzentrationen erfolgt:
1. Schrittweise Erhöhung des Sauerstoff- Sollwertes in
den belüfteten Becken von 1,5 mg/l auf 3 mg/l.
2.
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Zuschaltung der Belüftung von vorher gerührten Zonen
zur Denitrifikation durch Öffnen des Schiebers in der
Luftleitung.
STADTENTWÄSSERUNG
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NH4-N-Online-Messgerät
STADTENTWÄSSERUNG
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Regelschema der Nitrifikation
STADTENTWÄSSERUNG
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Prozeßleitbild Belebungsbecken 3
STADTENTWÄSSERUNG
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Grundsätzliches zur Denitrifikation
auf der Kläranlage Lingen
• Vor dem Ablaufwehr der 3 Belebungbecken sitzt jeweils eine
Rezirkulations-Tauchpumpe, die den nitrififizierten Belebtschlamm in die Denitrifikations-Kaskaden, die gerührt und
nicht belüftet werden, pumpt.
NO3-N Î N2 + O2
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STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
Regelung der Denitrifikation
• Durch manuelle Schieberstellung wird vorgegeben, ob die
Rezirkulation in das DN/AN- Becken (Winterbetrieb bei hoher
Belastung) oder DN/NI 1-Becken gefördert wird (Regelfall mit
biologischer Phosphorelimination)
• Die Leistung der Rezirkulationspumpe kann im PLS fest
eingestellt oder in Abhängikeit von dem Nitratgehalt in der
letzten Denitrifikations (DN) – Zone (gemessen über eine
Nitratsonde im Belebungsbecken) geregelt werden
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STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
Regelschema der Denitrifikation /
Rezirkulation in Lingen
Start
NO3N < NO3N Min
Rezirkulation
erhöhen
NO3N
In der letzten
DN-Zone
NO3N Min ≤ NO3N ≤ NO3N Max
Neustart
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NO3N > NO3N Max
Rezirkulation
reduzieren
STADTENTWÄSSERUNG
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Grundsätzliches zur Phosphorelimination
auf der Kläranlage Lingen
• Phosphor wird in der Kläranlage Lingen seit 2001
teilweise auf biologischen Wege (35-65%) und der
Rest auf chemischen Wege durch Fällung (Dosierung
einer Eisenlösung,
Eisen + Phosphat Î FePO4)
aus dem Abwasser entfernt.
Eisenlösung-Dosierstation
und Lagerbehälter für
Eisenlösung
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STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
Biologische Phosporelimination auf
der Kläranlage Lingen
• Die biologische Phosphorelimination kann nicht geregelt
werden.
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STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
Regelung der chemischen
Phosporfällung
• Bei Überschreitung eines festgesetzten Phosphat-Wertes im
Ablauf der Belebungsbecken (Online-Messung) springt eine
zusätzliche Dosierpumpe an. Sie fördert Eisenlösung in den
Ablauf der Belebungbecken. Die Menge richtet sich nach den
Phosphat-Wert der Online Messung im Ablauf Belebungsbecken.
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STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
Regelung der Kalkdosierung
• Die Kalkzugabe erfolgt ohne Regelung nach Erfahrungswerten (Zeitsteuerung und Voreinstellung der Menge an der
Zellradschleuse). Die Kalklösung fließt in den Ablauf der
Vorklärbecken. Eine pH-Wert abhängige Regelung ist möglich.
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STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
Regelung der Kalkdosierung
Trichterboden des Kalksilos
Zellradschleuse
Höhenstandsmessung
in der Kalkvorlage
Einspüldisperser (Lösen
von Kalkhydrat mit Wasser)
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STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
•
Regelung Nachklärbecken
Die Nachklärbeckenräumer laufen im Dauerbetrieb. Bildet
sich Schwimmschlamm auf den Nachklärbecken so wird
dieser über die ständige Zeitsteuerung abgezogen.
Skim-Rinne für den
Schwimmschlammabzug
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STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
Regelung
Rücklaufschlammpumpwerk
• Die Rücklaufschlammmenge wird mit Magnetisch- InduktivenDurchflussmessern (MID) gemessen. Die Sollmenge des
Rücklaufschlammes wird mit Hilfe von Überfallwehren
eingeregelt.
• Die Sollmenge des Rücklaufschlammes wird im Leitsystem
fest eingestellt oder in Abhängigkeit der Ablaufwassermenge
und der Schlammspiegelhöhe im Nachklärbecken geregelt.
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STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
Regelschema Rücklaufschlamm
Start
AblaufMengenmessung
Q
Mittelwertbildung
Über Z min
QM
RS SOLL-Ermittlung
aus RS-Kurve und
Prozentuale Aufteilung
gem. Tab.
HSL ≤ HSL MAX
HSL
Schlammspiegel
HSL > HSL MAX
RSSOLL=RSSOL+DRS
QRS < RS SOLL
QRS
QRS > RS SOLL
QRS = RS SOLL
Stufenweises
Absenken des
Regelschiebers
Keine
Änderung
Neustart
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Stufenweises
Erhöhen des
Regelschiebers
STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
Steuerung Rücklaufschlammpumpwerk
und Regelung Überschussschlammabzug
• Niveausteuerung (Ultraschallsonde) für die RücklaufschlammSchneckenpumpen mit automatischer Umschaltung auf eine
Reservepumpe bei Ausfall einer Betriebspumpe
• Verteilung des Rücklaufschlammes auf die 3 Belebungsbecken ohne Mengenmessung und ohne Regelung über
Verteilerwehre (werden von Hand eingestellt)
• Regelung des Überschussschlammabzuges über die MIDMengenmessung und Regelschieber. Die Sollmenge des
Überschussschlammes wird im Prozeßleitsystem vorgegeben
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STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
MengenAnzeige
Prozessleitbild des
Rücklaufschlammpumpwerkes
MID
Messung
Niveuanzeige
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Verteiler
Wehre
STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
Hochwasserpumpwerk
• Der Ablauf der Kläranlage fließt im Normalfall über eine Freigefälleleitung in den Fluß „Ems“
• Der Wasserstand in dem neben der Kläranlage fließendem Mühlenbach, der in die „Ems“ mündet wird automatisch gemessen und in
der Schaltwarte angezeigt
• Ab einem kritischen Wasserstand in dem Bach werden die Schieber
im Freigefälleablauf geschlossen und das Abwasser über das
Hochwasserpumpwerk in die Ems gefördert.
• Die Hochwasserpumpen werden automatisch über Niveaumessungen gesteuert
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STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
Regelung und Steuerung der
Faultürme
• Zeitsteuerung für den Frischschlammabzug aus den
Trichtern der Vorklärbecken in den Pumpensumpf
• Niveausteuerung für die Frischschlammpumpe
(Messung des Niveaus über Ultraschall)
• Die Faulturmtemperaturen (37-38 °C) werden über eine
Temperaturregelung gehalten.
• SPS-Steuerung der komplexen Abläufe zur Einhaltung
der Faulturmtemperaturen.
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STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
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Regelung der Faultürme
STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
Technische Probleme und ihre
Lösungen
• Messgeräte weisen Störungen auf oder fallen aus.
• Durch eine sorgfältige regelmäßige Reinigung, Wartung und
Kontrolle können diese Störungen auf ein Minimum gehalten
werden. Dazu werden Wartungsblätter geführt. Zusätzlich
werden für einige Geräte Schulungen durchgeführt.
• 1-2 mal jährlich stattfindende Geräte-Wartungen bei einigen ONLine-Messungen (Ammonium, Phosphat, Nitrat) werden vom
Service-Personal des Herstellers durchgeführt.
• Ersatzprogramme, die bei Störungen automatisch aktiviert
werden, müssen im PLS hinterlegt sein
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STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
Technische Probleme und ihre
Lösungen
• Ausfall oder Störungen von Niveaumessungen
• Einige Niveaumessungen (z. B. in Pumpwerken), die mit dem
Abwasser direkt in Berührung kommen, fallen manchmal aus.
• Auch hier wird durch sorgfältige regelmäßige Reinigung,
Wartung und Kontrolle versucht diese Störungen auf ein
Minimum zu halten.
• Taucht die Störung dennoch häufiger auf, und kann die Ursache
nicht beseitigt werden, wird die Niveaumessung durch eine
Ultraschall-Messung (berührungslose Messung) ersetzt.
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STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
Technische Probleme und ihre
Lösungen
• Einige Messungen sind unzuverlässig
• Schlammspiegelmessung wird derzeit nicht in die Rücklaufschlammregelung eingebunden, da sie keine sinnvollen Werte
angezeigt.
• Überschussschlammabzug nach dem Schlammalter erfolgt nicht,
da Feststoffmessungen unzuverlässig sind.
• Überspannungsschäden und Störungen bei Blitzschlag
• Durch Einbau von speziellen „Blitzschutzklemmen und stärkeren
Relais“ können wir solche Störungen minimieren (speziell bei
den Schaltan-lagen der 60 Pumpwerke in Lingen)
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STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
Störungs- und Bereitschaftsdienst
der Kläranlage Lingen
•
An den Wochentagen ist die Kläranlage von 7 00 – 16 30
besetzt.
•
Am Wochenende (Samstag, Sonntag) ist die Kläranlage
jeweils von 2 Personen von 7 30 – 10 30 besetzt. Sie führen
Routinemessungen (Schlammvolumen, pH-Wert), Abwasserprobenahmen und Kontrollgänge durch.
•
Den Störungs- und Bereitschaftsdienst übernimmt jeweils für
1 Woche einer der 5 dafür eingeteilten Fachkräfte (2 Abwassermeister, 1 Ver- und Entsorger, 2 Schlosser)
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STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
Störungs- und Bereitschaftsdienst
der Kläranlage Lingen
•
Störungen, die während der nichtbesetzten Zeiten auf
Pumpwerken bzw. der Kläranlage auftreten, werden über
Handy dem Bereitschaftsdienst übermittelt (Als zweite
Sicherung gibt es noch eine weitere Telefonverbindung).
•
Der Bereitschaftshabende fährt dann zum Ort der Störung
und versucht diese zu beheben. Bei Bedarf wird weiteres
Fachpersonal hinzugezogen.
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STADTENTWÄSSERUNG
LINGEN
Zusammenfassung
• Mit Hilfe moderner Mess-, Steuerungs- und Regeltechnik ist
ein automatischer Betrieb der Kläranlage Lingen möglich.
ª Nachts und am Wochenende ist kein Personal auf der
Kläranlage erforderlich
• Selten durchgeführte Bedienoperationen sollten nicht
automatisiert werden, da der Aufwand zu hoch ist
• Regelkreise mit zu vielen, zum Teil unzuverlässigen
Messwerten sollten vermieden werden
• Mit Hilfe moderner Mess-, Steuerungs- und Regeltechnik
kann eine Kläranlage betrieblich optimiert werden
• Wartung und Kontrolle einiger Meßgeräte ist sehr wichtig!
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