Jeśli realizowane są modernizacje oczyszczalni ścieków, z reguły dotyczą one obniżania wartości granicznych amonu, azotanów i fosforanów, które pozwalają na ważne decyzje inwestycyjne. W odniesieniu do budżetu warto uwzględnić w planowaniu efektywność energii w kontekście ochrony klimatu i własnych finansów. W obliczu faktu, że same tylko dostawy powietrza w ramach napowietrzania często generują ponad 70% kosztów eksploatacyjnych w tym zakresie, wyraźnie widać, dlaczego właśnie tu opłaca się poprawić wydajność – i to z krótkim czasem zwrotu inwestycji. Oczyszczalnia ścieków w Rheda-Wiedenbrück (326 tys. RLM) tak właśnie postąpiła i obecnie testuje nową koncepcję sterowania w technologii dmuchaw AERZEN – zintegrowany sterownik AERsmart.
W 2013 r. rozpoczęły się prace modernizacyjne w zakładzie oczyszczania ścieków, który obsługuje zarówno mieszkańców regionu Rheda-Wiedenbrück, jak i największą w Niemczech ubojnię świń. Celem projektu było skuteczne zaopatrzenie w powietrze układów biologicznych nie tylko poprzez wymianę starych kratek wentylacyjnych, ale też zamontowanie ich 30 cm głębiej, tuż przy dnie zbiorników napowietrzających. „Dysponując powierzchnią sześciu zbiorników, mogliśmy zwiększyć naszą objętość przetwórczą o kilkaset metrów sześciennych”, wyjaśnia mistrz technologii ściekowej, Hendrik Wulfhorst. W konsekwencji 30 cm więcej przestrzeni oznacza także wzrost ciśnienia systemowego o 30 mbar, co należało odpowiednio uwzględnić przy planowaniu technologii dmuchaw.
Przed modernizacją obiektu układy biologiczne eksploatowano w zbiornikach ze zbyt wysoką nadwyżką tlenu, aby można było skutecznie reagować na wahania wartości wpływającego materiału z ubojni. Wraz z celem redukcji kosztów eksploatacji i powiązanej z tym redukcji emisji CO2 istotnym założeniem projektu było to, aby w przyszłości ściślej połączyć napowietrzanie zbiorników z malejącym ładunkiem ścieków i wynikającym z niego zapotrzebowaniem na tlen. W pierwszym etapie wprowadzono zgodne z zapotrzebowaniem sterowanie prędkością obrotową ogółem czterech dmuchaw AERZEN.
Wartości zadane generuje PLC (sterownik z pamięcią programowalną) z danych pomiarowych w ściekach – głównie w postaci stężenia amonu i azotanów. Do tego dochodzi jeszcze inteligentny układ sterowania zaworami regulacyjnymi przeponowymi, które powoli się zamykają, kiedy nasycenie tlenem w wodzie danego zbiornika osiągnie wymagany poziom. Aby takie zamykanie nie prowadziło do większego ciśnienia w przewodzie, a tym samym oporu, PLC równolegle redukuje ciśnienie zadane. „W przeciwnym razie zniszczylibyśmy energię przez zawory regulacyjne przeponowe, ponieważ dmuchawy w ramach stałej regulacji ciśnienia musiałyby pracować przeciwnie do straty ciśnienia powodowanej przez zawory regulacyjne przeponowe. Dzięki ruchomej regulacji ciśnienia możemy działać znacznie bardziej efektywnie”, wyjaśnia Markus Haverkamp, inżynier projektu ze współpracującej firmy planistycznej aquaconsult. Do zasilania układów biologicznych przy obciążeniu podstawowym, które przemiennie ze zbiorników napowietrzanych i nienapowietrzanych tworzą obieg z trzema stopniami czyszczenia, biuro inżynieryjne z Hanoweru, projektant i wykonawca, wybrali m. in. dmuchawę turbo firmy AERZEN.
Model AT150-0.8S-G5 z mocą znamionową silnika 143 kW osiąga wydajność 4800 m3 w ciągu godziny przy ciśnieniu na ssaniu o wartości 1 bara i ciśnieniu końcowym do 1,8 bara. Dla Corda Utermanna, inżyniera ds. dystrybucji w firmie AERZEN, dmuchawy turbo to klasyczny przykład zoptymalizowanych energetycznie maszyn do obciążenia podstawowego, osiągających najlepsze wyniki podczas 24 godzinnej pracy przy parametrach nominalnych, ponieważ są one wówczas eksploatowane z najwyższą sprawnością. „Jak przy każdej technologii turbo, energetyczny poziom sprawności spada, gdy urządzenia są eksploatowane w trybie częściowego obciążenia”, wyjaśnia Utermann. W konsekwencji realizowane są koncepcje, które umożliwiają efektywne pod względem energetycznym oczyszczanie wahających się w ciągu dnia, wysokich, ale też niskich, ładunków zanieczyszczeń. Dla optymalnej efektywności energetycznej w oczyszczalni ścieków to założenie oznacza, że zapotrzebowanie na powietrze, które przekracza obciążenie podstawowe, jest pokrywane przez maszyny wyporowe, takie jak dmuchawy i sprężarki rotacyjne. Te technologie pokazują swoją siłę w wysokim zakresie regulacji 25–100% i przy bardzo dużym poziomie sprawności także w trybie częściowego obciążenia. W oczyszczalni ścieków Rheda-Wiedenbrück do podłączenia pozostały dwa agregaty AERZEN typu Delta Hybrid (D 62 S) i Delta Blower (GM 80 L).
Aby ten tercet pokrywał zapotrzebowanie na tlen zbiorników napowietrzających nie tylko zgodnie z techniką procesową, ale też w tym połączeniu wytwarzał potrzebną ilość powietrza możliwie najwydajniej, firma AERZEN opracowała AERsmart. Według Corda Utermanna: „sztuka technologii sterowania polega na tym, aby kształtować przejścia między nakładającymi się zakresami roboczymi jak najpłynniej i przy każdym obciążeniu możliwie wydajnie, tzn. eksploatować różne maszyny w połączeniu zawsze przy ich optymalnych osiągach”. Te z kolei według Markusa Haverkampa wynikają z „obciążenia, które jest warunkowane rzeczywistym zapotrzebowaniem”. Występują tutaj „wahania wartości szczytowych, w górę i w dół”. Ponieważ w Rheda-Wiedenbrück stosuje się trzy różne maszyny z różnymi zakresami roboczymi i poziomami sprawności, trzeba układać je jedna na drugiej tak, „abyśmy mieli jak najmniej procesów przełączania. Ciągłe włączanie i wyłączanie zwiększałoby zużycie”, wyjaśnia inżynier projektu z aquaconsult. „Dla optymalnego całkowitego stopnia sprawności konieczne jest efektywne rozdzielanie powietrza na zbiorniki napowietrzające (ruchoma regulacja ciśnienia, wyłączanie czynników kolizyjnych, np. NH4-N, ilość wody itp.) i efektywny wybór maszyn. Realizacja następuje przez nowy układ sterowania firmy Aerzen”.
Podstawę optymalizacji technologii sterowania z układem sterowania AERsmart tworzy zapotrzebowanie na tlen w trzech stopniach oczyszczania. Parametry są przetwarzane przez centralny układ PLC instalacji, a wynikające z tego ciśnienie zadane jest przesyłane przez magistralę Profibus do układu sterowania dmuchaw. AERsmart dba o to, aby cztery agregaty współpracowały optymalnie pod względem energetycznym. „Stosowana tutaj dmuchawa turbo ma np. najwyższy poziom sprawności przy obciążeniu 83%”, wyjaśnia Cord Utermann. Jeśli zapotrzebowanie na powietrze jest mniejsze, bardziej efektywne może okazać się całkowite wyłączenie maszyny do obciążenia podstawowego i pokrycie stosunkowo niskiego zapotrzebowania na powietrze przez dwie instalacje Delta Hybrid. Naszym bakteriom jest wszystko jedno, skąd otrzymują tlen”, dodaje z przymrużeniem oka Hendrik Wulfhorst. Mistrz technologii ściekowej wskazuje jednak na to, że przed modernizacjami technologia dmuchaw została zaprojektowana tak, aby moc dmuchawy turbo wystarczała dla „zwykłego” zapotrzebowania dziennego.
W rezultacie oczyszczalnia ścieków Rheda-Wiedenbrück dzięki energetycznie zoptymalizowanym dmuchawom i stosunkowo prostemu układowi sterowania procesami, który jest ściśle połączony z występującymi wartościami rzeczywistymi, mogła oszczędzić ok. 30% energii w zakresie układów biologicznych. AERsmart poprzez optymalizację na poziomie dmuchaw osiąga dodatkowe 5 do 8%. Ile dokładnie wynoszą te wartości w dłuższym okresie eksploatacji, pokaże test na terenie oczyszczalni ścieków. Rheda-Wiedenbrück to pierwszy zakład oczyszczania ścieków w Niemczech, który testuje AERsmart w praktyce. „Potrzebujemy zastosowania na miejscu, ponieważ tylko w ten sposób możemy zbadać kompleksowe zależności oczyszczalni ścieków. Nie da się tego odwzorować na żadnym stanowisku testowym. Dlatego intensywna współpraca z naszymi klientami jest dla nas tak ważna, tylko w ten sposób możemy bowiem otrzymać rzeczową referencję dla przyszłego rozwoju”, podsumowuje Cord Utermann.
