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Optimierte Betriebsführung einer industriellen Kläranlage durch Abwassermanagement und Eigenüberwachung

  • Roche: Messraum – Online-Überwachung OberflächenwasserRoche: Messraum – Online-Überwachung Oberflächenwasser
  • Roche: Messraum – Online-Überwachung Oberflächenwasser
  • Roche: Ansicht ARA Roche – Werk Penzberg
  • Roche:  Membranfiltrationskassette ZeeWeed 500 D
  • Roche: Prozessbild Methanreaktor
  • Roche: Abbauergebnisse ARA Roche Penzberg
  • Roche: Energiebilanz Gesamtanlage 2014
  • Jürgen Klemmer, Leiter Abwasserreinigung Werk Penzberg

Die biologische Kläranlage mit anaerober Vorstufe und Membranbelebungsverfahren von Roche in Penzberg ist eine der modernsten Abwasserreinigungsanlage in Europa.

Durch ein optimiertes Abwassermanagement werden die Abwasserströme im Werk Penz­berg aktiv gesteuert und damit eine bedarfsorientierte biologische Abwasserbehandlung möglich. Eine intensive Online-Eigenüberwachung in Kombination mit einem hohen Automatisierungsgrad, bewirkt eine stabile hocheffiziente Abbauleistung der Kläranlage und eine hohe Betriebssicherheit. Die Anlage wird kontinuierlich optimiert und entsprechend den steigenden Anforderungen erweitert.

Abwassermanagement als Steuerungs­element
Roche betreibt am Standort Penzberg eine biologische Abwasserreinigungsanlage (ARA) in der alle Abwasserströme des Werkes zentral behandelt und in das Gewässer Loisach, einen Nebenfluss der Isar, eingeleitet werden. Die ARA wurde speziell auf Anforderungen für die im Werk Penzberg anfallenden Abwässer aus der biotechnologischen Entwicklung und Produktion konzipiert und über die Jahre immer wieder verfahrens- und automatisierungstechnisch optimiert und an den wachsenden Bedarf angepasst. Eines der wichtigsten Steuerungselemente für die Betriebsführung der ARA ist das Abwassermanagement am Standort Penzberg. Vor der Einleitung eines Abwassers in das Kanalsystem steht immer die Freigabe nach einer vorherigen Analytik inklusive Test zu Bestimmung der biologischen Abbaubarkeit. Abwässer die nicht für eine biologische Behandlung in der Kläranlage geeignet sind werden als Flüssigabfall direkt im Produktionsbetrieb ausgeschleust und einer externen Entsorgung zugeführt.
Der überwiegende Teil der Labor und Produktionsabwässer aus dem Penzberger Roche Werk ist jedoch sehr gut biologisch abbaubar und kann in die Werkkläranlage eingeleitet werden.
Dabei wird aber auch hier zwischen hoch- und schwach konzentriertem Abwasser unterschieden und beide Abwasserarten über separate Kanalsysteme zu den entsprechenden Behandlungsstufen der Kläranlage transportiert. Zusätzlich werden auch die sanitären Abwässer aus dem Werk der ARA zugeführt und mitbehandelt.
Für die Ableitung von Oberflächenwasser steht ein weiteres Kanalsystem zur Verfügung.

Das ablaufende Regenwasser aus dem Werkgelände wird über eine Online-Monitoring kontinuierlich auf Verunreinigungen überprüft. Liegen die Messewerte im Normalbereich, so wird das Wasser nach hydraulischer Vergleichmäßigung über ein Regenrückhaltebecken direkt in den Vorfluter abgeleitet.
Bei Überschreitung eines Sollwertes der Überwachungsstation wird das ablaufende Wasser in ein Auffangbecken umgeleitet und kann dann zur Abwasserbehandlung überführt werden. Die Kläranlage wird somit bei Regenwetter nicht durch hydraulische Spitzen belastet und Behandlungsanlagen können auf die reine Betriebsabwassermenge bemessen und konstruiert werden. Das spart Ressourcen und ermöglicht eine effiziente und wirtschaftliche Betriebsführung.

Aufbau und Konzeption der Betriebs­kläranlage
Die Roche Abwasserreinigungsanlage Werk Penzberg ist als mehrstufige biologische Kläranlage mit anaerober Vorbehandlung und nachgeschalteter Membranbelebung konzipiert. Unbelastetes Oberflächenwasser von Dach- und Verkehrsflächen wird über ein Rückhaltebecken direkt dem Vorfluter zugeleitet. Das Schmutzwasser des Werkes fließt der Abwasserreinigungsanlage zur Analyse und Abtrennung in Teilströmen zu:

  • Hochkonzentriertes Betriebsabwasser aus speziellen Werksbereichen nach Mengenausgleich in Ausgleichsbecken und Vorbehandlung in einer anaeroben Stufe
  • Betriebsabwasser aus den Laboratorien und Produktionsstätten nach Neutralisation
  • Fäkal- und Sanitärabwasser aus den Personalräumen und der Kantine nach Grobstoff­entnahme mittels 6 mm-Rechen

Für alle Abwasser-Teilströme sind Misch- und Ausgleichsbecken bzw. Tanks installiert, die eine geregelte Einleitung (Lastmanagement) der Abwässer in die biologischen Behandlungsstufen ermöglichen.
In der ersten biologischen Reinigungsstufe werden die hochkonzentrierten Betriebsabwässer in einem Hochleistungs-Anaerobreaktor (EGSB-Verfahren) vorbehandelt. Das produzierte Biogas wird in einem BHKW in elektrischen Strom (Eigenbedarfsdeckung ARA) und Nahwärme (90 °C) für die Produktionsbetriebe im Werk umgewandelt. Der Ablauf der Anaerobstufe wird über eine Hochleistungsbiologie mit Reinsauerstoffbegasung nachbehandelt und anschließend mit den anderen Teilströmen Betriebsabwasser und Sanitärabwasser, die vorher eine Feinsiebung mit 1,0 mm Maschenweite durchlaufen haben, den Belebungsbecken der Schwachlastbiologie zugeführt.
Das gesamte Nutzvolumen der fünf Belebungskammern beträgt 2.640 m³. Hinzu kommt das Volumen der Filtrationskammern mit 4 x 45 m³ = 180 m³. Mit einem Trockensubstanzgehalt von TSBB = 12 kg/m³ ist die Belebungsanlage für gemeinsame aerobe Schlammstabilisierung ausgelegt. Im Normalbetrieb werden die Kammern BB 1, BB 3 und BB 5 belüftet (Nitrifikation) sowie BB 2 und BB 4
unbelüftet (Denitrifikation) betrieben. Die biologische Phosphorreduzierung wird durch eine chemische Simultanfällung ergänzt.
Die Membranfiltration ist vierstraßig konzipiert. In vier baulich getrennten Kammern sind jeweils zwei ZeeWeed 500 D-Kassetten á 1.500 m² Ultrafiltrationsmembranen eingehängt. Insgesamt sind somit 12.000 m² Membranfläche installiert. Daraus resultieren Fluxraten von 10–12 l/(m²h) bei den Auslegungswassermengen. Die Membranen können vollautomatisch im eingebauten Zustand gereinigt werden.
Die Beschickung der Filtrationskammern erfolgt mittels Kreiselpumpen und der Permeatabzug mittels Drehkolbenpumpen. Die Schlammrückführung geschieht durch freien Überfall der Differenzmengen in einen Pumpensumpf und von dort weiter über eine Rohrbrücke in den Zulauf der Belebung.
Der Überschussschlamm der Membranbelebung wird aus dem Rückführpumpensumpf entnommen und direkt einer Dekanter-Zentrifuge zugeführt. Dabei werden Entwässerungsgrade mit 22 bis 24 % TS erreicht, der entwässerte Schlamm wird der Verbrennung zugeführt.

Eigenüberwachung sichert eine hohe Anlagenverfügbarkeit
Die Sicherstellung einer hohen Anlagenverfügbarkeit ist einer der wichtigsten Zielsetzungen im Betrieb der Abwasserreinigungsanlage. Zu diesem Zweck wird eine intensive Eigenüberwachung der Kläranlage betrieben, die im Wesentlichen auf den beiden Säulen Labor- und Onlineanalytik basiert. In den beiden nachfolgenden Beispielen wird aufgezeigt, wie Online-Analytik in Kombination mit Prozessautomatisierung, den Anlagenbetrieb absichern kann.

Betriebsabwasser-Zulaufüberwachung
Die hohe Prozessstabilität der Schwachlastbiologie mit Nitrifikation und Denitrifikation beruht auf der Trennung von hoch- und schwachkonzentrierten Abwässern und deren bedarfs­orientierter Behandlung in verschiedenen Stufen. Um Fehleinleitungen von Abwässern und damit unerwünschte Frachtspitzen zu verhindern, verfügt die Anlage über ein Frühwarnsystem im Betriebsabwasserkanal.
Das System besteht aus einer Messstation die kontinuierlich im zulaufenden Abwasserstrom die Konzentration der Parameter TOC (gesamter organischer Kohlenstoff) und TNb (gesamter gebundener Stickstoff) misst und mit der aktuellen Zulaufmenge die jeweiligen Frachten errechnet. Wird das Toleranzband für Betriebsabwasser überschritten, so werden die Abwässer automatisch in Auffangbecken umgeleitet und damit von dem „Normalabwasser“ separiert. Sobald sich die Überwachungswerte wieder im Toleranzbereich befinden, wird der Zulauf wieder auf den ursprünglichen Zustand zurückgeschaltet. Die aufgefangenen Fraktionen können dann entweder in den Kanal für hochkonzentriertes Abwasser umgeleitet oder im Extremfall extern entsorgt werden.

Automatisierte Frachtregelung des anaeroben Methanreaktors
Für eine stabile Betriebsführung der anaeroben Verbehandlungsstufe ist eine Inprozesskon­trolle der organischen Säuren im Methanreaktor essentiell. Der anaerobe Abbau verläuft in vier  Stufen, wobei nach Hydrolyse- und Acidogener Phase die Acetogende Phase folgt, in der Acetat als Substrat für die abschließende Methanogene Phase gebildet wird. Kommt es im Verlauf dieser Kette zu einem Säurestau im Bereich der Propionsäure oder kann das gebildete Acetat nicht schnell genug in Methan und Kohlendioxid umgewandelt werden, wird der Prozess instabil und die Biozönose kann geschädigt werden.
Die anaerobe Vorstufe der Roche-Kläranlage ist mit einem Online-Ionenchromatographie-System ausgerüstet, das den Säurespiegel im Methanreaktor kontinuierlich bestimmt. Die Ergebnisse der Messungen werden in die SPS übertragen und über ein Auswertetool die Soll- und Istwerte verglichen. Bei Bedarf, z.B. bei einem Anstieg der Propionsäurekonzentration in einen kritischen Bereich, wird automatisch die Beschickungsmenge zum Reaktor reduziert und erst wieder freigegeben, wenn die Werte wieder im Normalbereich sind. Dadurch kann der Reaktor frühzeitig vor einer Überlastung geschützt und Schädigungen der Biomasse verhindert werden.

Betriebsergebnisse und Ausblick
Als Resultat der beschriebenen optimierten Betriebsführung der Abwasserreinigungsanlage Roche Diagnostics im Werk Penzberg liegt die Ablaufqualität seit Jahren auf einem stabilen sehr hohen Niveau. Die Bescheidswerte für die Parameter CSB, N gesamt und P gesamt werden ganzjährig sicher unterschritten.
Die kontinuierliche Prozessoptimierung ist dabei ein wichtiger Bestandteil der Betreiberphilosophie. Das Ziel ist, Potentiale zu erkennen und in technische Lösungen umsetzen, wie dies bei der anaeroben Vorbehandlung durchgeführt wurde: Nach der Idee im Jahr 2008 folgte eine Machbarkeitsstudie unter Laborbedingungen im eigenen Abwasserlabor/­Technikum, um die Mitarbeiter so früh wie möglich zu involvieren. Im nächsten Schritt erfolgte die Pilotierung einer Technologie unter möglichst realistischen Bedingungen vor Ort, bevor das Engineering mit einer strukturierten Projektplanung und dem Bau der großtechnischen Anlage begann, die 2011 fertiggestellt wurde.
Durch die energetische Verwertung des in der anaeroben Vorstufe produzierten Biogases liegt die Eigenstromdeckung bereits bei 84 % und die Gesamtenergiebilanz mit der genutzten Nahwärme, für die Produktionsbetriebe im Werk, weist Überschüsse auf und ist positiv.
Aktuell befindet sich die Werkkläranlage Roche Penzberg wieder in einer weiteren Ausbauphase. In einem Zeitraum von ca. 2 Jahren wird in die notwendigen Kapazitätserweiterungen, wie einem zusätzlichen 2.000 m³ Abwasserspeichertank, Erweiterung der Belüfterkapazität in der Schwachlastbiologie, einem zweiten Anaerobreaktor, sowie Bau eines 5.000 m³ Havariebeckens, investiert. Die Arbeiten werden im Frühjahr 2017 abgeschlossen sein. Damit wird die Abwasserreinigungsanlage eine Ausbaugröße von 145.000 EW erreicht haben und neben einer vollständigen Eigenstromversorgung noch deutliche Energieüberschüsse für die Werkinfrastruktur produzieren. Die Betriebssicherheit wird weiter erhöht und die Anlage für die weiteren Herausforderungen der Zukunft vorbereitet.

VDI-Regionalgruppe Bayerisches Chemiedreieck
Die Betriebsingenieure der VDI-Regionalgruppe Bayerisches Chemiedreieck konnten ein kleines Jubiläum feiern. Bereits zum 20. Mal hat sich die Gruppe zu einem Informationsaustausch getroffen und zwar im Roche -Werk Penzberg. Dabei informierten sie Matthias Vogel und Jürgen Klemmer, der Autor dieses Beitrages, über die optimierte Betriebsführung der industriellen Kläranlage durch Abwassermanagement und Eigenüberwachung.
Das nächste Treffen der Regionalgruppe Bayerisches Chemiedreieck findet am 12. Mai 2016 bei AlzChem in Trostberg statt.
Kontakt: Gerhard Bauer, Wacker Chemie, Burghausen,
gerhard.bauer@wacker.com
Informationen und Termine aller Regionalgruppen:
www.vdi.de/gvc/bi

 

Autor(en)

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Roche Diagnostics GmbH
Postfach 1152
82372 Penzberg
Germany
Telefon: +49 8856 60 0
Telefax: +49 8856 60 2990

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