Kun jätevedenpuhdistamoiden modernisointia suunnitellaan, jatkuvasti alenevat ammoniumin, nitraatin ja fosfaatin raja-arvot jouduttavat yleensä investointipäätöksiä. Mitä tulee budjettiin, kannattaa ilmastonsuojelua ja omaa rahoitusta silmällä pitäen ottaa suunnittelussa huomioon myös energiatehokkuus. Koska jo pelkästään ilmastuksen ilmansyötön osuus alan käyttökustannuksista on usein yli 70 prosenttia, on helppo ymmärtää, miksi tehokkuuden parantaminen juuri tässä kohtaa kannattaa – ja vielä lyhyillä sijoitetun pääoman tuottoajoilla. Rheda-Wiedenbrückin jätevedenpuhdistamo (326 000 AVL) on menetellyt juuri näin ja testaa parhaillaan AERZEN-kompressoritekniikan upouutta ohjauskonseptia, AERsmart-yhdistelmäohjausta.
Vuonna 2013 aloitettiin modernisointityöt jätevedenpuhdistamossa, jonka piiriin kuuluvat sekä Rheda-Wiedenbrückin alueen asukkaat että Saksan suurin sikateurastamo. Projektin yhtenä tavoitteena oli biologisen prosessin ilmastuksen tehostaminen siten, että vanhat ilmastimet vaihdetaan uusiin ja asennetaan lisäksi 30 senttimetriä entistä syvemmälle suoraan ilmastusaltaan pohjalle. ”Kun otetaan huomioon kuuden altaan pinta-ala, pystyimme näin lisäämään käsittelymäärää muutamalla sadalla kuutiometrillä”, kertoo puhdistamonhoitaja Hendrik Wulfhorst. Jatkossa 30 senttimetrin lisätila tosin merkitsee myös 30 mbarin järjestelmäpaineen nousua – mikä oli vastaavasti otettava huomioon kompressoritekniikan mitoituksessa.
Ennen laitteiston modernisointia biologisen prosessin altaisiin ajettiin melko suurta happiylimäärää, jotta voitiin tasata luotettavasti ennen kaikkea teurastamon jätevesiarvojen vaihtelut. Projektin lopullisena päämääränä oli käyttökustannusten ja siihen liittyvien CO2-päästöjen pienentäminen. Selkeänä tavoitteena oli kytkeä altaan ilmastus vastaisuudessa huomattavasti tiukemmin jätevesikuorman vaihteluun ja siitä johtuvaan hapen tarpeeseen. Tästä seurasi ensimmäisessä vaiheessa yhteensä neljän AERZEN-kompressoriyksikön kierrosluvun säätö tarpeen mukaan.
PLC (ohjelmoitava logiikka) luo ohjearvot jäteveden mittaustiedoista – lähinnä ammonium- ja nitraattipitoisuuksista. Lisäksi käytössä on säätöventtiilien älykäs ohjaus. Ne sulkeutuvat hitaasti, kun kunkin altaan sisältämän veden vaadittu hapen kyllästysarvo on saavutettu. Jottei sulkeminen aiheuta paineen kohoamista – ja samalla vastuksen muodostumista – putkessa, PLC ajaa samalla ohjepaineen alas. ”Muussa tapauksessa hävittäisimme energiaa säätöventtiilillä, koska kompressoreiden on työskenneltävä jatkuvan paineensäätelyn vuoksi paineensäätöventtiilin aiheuttamaa painehäviötä vastaan. Käytämme nyt liukuvaa paineensäätöä huomattavasti älykkäämmin ja tehokkaammin”, selventää Markus Haverkamp, vastuullisen suunnitteluyrityksen aquaconsultin projekti-insinööri. Biologisen prosessin peruskuorma syötetään kolme puhdistusvaihetta käsittävän kierron aikana vuorotellen ilmastetuista ja ilmastamattomista altaista. Sitä varten suunnittelusta ja toteutuksesta vastaava hannoverilainen insinööritoimisto on valinnut muun muassa AERZEN-turbokompressorin.
Tyyppi AT150-0.8S-G5 varustettuna 143 kW nimellistehoisella moottorilla tuottaa tilavuusvirtana 4800 kuutiometriä tunnissa 1 barin imupaineella ja loppupaineella aina 1,8 bar saakka. Cord Utermann, AERZENin myynti-insinööri, pitää turbopuhaltimia energiaoptimoitujen peruskuormalaitteiden klassisina edustajina, jotka ovat parhaimmillaan toimiessaan perusparametrien puitteissa vuorokauden ympäri, jolloin ne toimivat myös taloudellisimmin. ”Kuten kaikessa turboteknologiassa, energian hyötysuhde alenee heti, kun laitteet ajetaan osakuormituskäyttöön”, selittää Utermann. Tämän vuoksi on kehitettävä konsepteja, joiden avulla voidaan puhdistaa päivän mittaan vaihtelevat suuret ja pienet likakuormat yhtä suurella energiatehokkuudella. Jätevedenpuhdistamon parasta mahdollista energiatehokkuutta ajatellen tämä tarkoittaa, että peruskuorman ylittävä ilmantarve on katettava syrjäytyskoneilla, kuten kiertomäntäkompressoreilla. Näiden teknologioiden vahvuus näkyy suurena 25–100 %:n säätöalueena ja erittäin hyvänä hyötysuhteena myös osakuormituskäytössä. Siksi Rheda-Wiedenbrückin jätevedenpuhdistamossa yhdistelmään kuuluvat lisäksi kaksi tyypin Delta Hybrid (D 62 S) AERZEN-aggregaattia sekä Delta Blower (GM 80 L).
Jotta tämä nelikko kattaa ilmastusaltaiden hapentarpeen prosessiteknisesti luotettavalla tavalla ja tuottaa lisäksi yhdessä tarvittavan ilmamäärän mahdollisimman energiatehokkaasti, AERZEN on kehittänyt AERsmart-ohjauksen. Cord Utermannin mukaan ”ohjaustekniikan suuri taito on saada toisiinsa limittyvien käyttöalueiden siirtymävaiheet mahdollisimman liukuviksi ja energiatehokkaiksi kaikilla kuormilla, toisin sanoen ajaa yhdistelmän eri koneita aina kokonaisuuden kannalta optimaalisesti”. Nämä ovat Markus Haverkampin mukaan tulosta ”kuormituskäyrästä, joka on todellisen tarpeen mukainen”. Tällöin esiintyy ”tämän tästä huippuja sekä ylös- että alaspäin”. Koska Rheda-Wiedenbrückissä käytössä on kolme eri konetta, joiden työalueet ja hyötysuhteet ovat erilaiset, ne on sovitettava keskenään yhteen siten, ”että kytkentöjä on mahdollisimman vähän. Jatkuva kytkeminen päälle ja pois lisäisi kulumista”, aquaconsultin projekti-insinööri selventää. ”Optimaalista kokonaishyötysuhdetta varten tarvitaan ilman tehokas jakautuminen ilmastusaltaassa (liukuva paineensäätö, myötäkytketty säätö, kuten esim. NH4-N, vesimäärä jne.) sekä tehokas koneiden valinta. Tämä toteutetaan Aerzenin uudella ohjauksella.”
AERsmart-ohjauksella tehtävän ohjausteknisen optimoinnin perustana on hapentarve kolmessa puhdistusvaiheessa. Laitteiston keskus-PLC käsittelee tunnusluvut, ja saatava ohjepaine välitetään kompressoriohjaukseen Profibus-väylällä. AERsmart huolehtii sen jälkeen siitä, että nämä neljä aggregaattia työskentelevät keskenään optimaalisesti. ”Esimerkiksi tässä käytetyn turbokompressorin hyötysuhde on suurin 83 prosentin kuormituksella”, selittää Cord Utermann. Jos ilmantarve on tätä pienempi, voi olla tehokkaampaa kytkeä peruskuormakone kokonaan pois päältä ja kattaa suhteellisen vähäinen ilmantarve kahdella Delta Hybrid -laitteella. “Bakteereillemme on yhdentekevää, kuka hapen tuottaa”, toteaa Hendrik Wulfhorst pilke silmäkulmassa. Jätevesimestari kuitenkin huomauttaa, että modernisointia suunniteltaessa puhallintekniikka mitoitettiin niin, että turbopuhaltimen teho on riittävä “normaalille” päiväkuormalle.
Välituloksena Rheda-Wiedenbrückin jätevedenpuhdistamo pystyi energiaoptimoiduilla kompressoreilla ja verrattain yksinkertaisella prosessiohjauksella, joka kytkeytyy tiukemmin vallitseviin mittausarvoihin, saavuttamaan noin 30 prosentin energiansäästöt biologisessa prosessissa. AERsmart tuo kompressoritason optimoinnilla vielä viidestä kahdeksaan prosenttia lisää. Kuinka paljon se tarkalleen on pidemmän käyttöjakson aikana, osoittaa jätevedenpuhdistamon kenttätesti. Rheda-Wiedenbrück on Saksan ensimmäinen jätevedenpuhdistamo, joka testaa AERsmart-ohjausta käytännössä. ”Tarvitsemme testausta asennuspaikalla, koska pystymme havaitsemaan jätevedenpuhdistamon kompleksiset yhteydet vain kentällä. Niitä ei voi toistaa koepenkillä. Siksi intensiivinen yhteistyö asiakkaidemme kanssa on meille niin tärkeää. Vain siten taataan tiivis yhteys käytännön sovelluksiin, mikä on tarpeen edistyksellistä kehitystä varten”, tiivistää Cord Utermann.
