Futureproof transport van zuiveringsslib in Sehnde
Futureproof transport van zuiveringsslib in Sehnde
Het Smart Air Injection-systeem zorgt voor aanzienlijke besparingen van energie, bedrijfs- en investeringskosten.
Het SAI-transportproces: a) begin van het comprimeren van een slibprop, tot b) het bereiken van een optimale proplengte in de leiding. c) Openen van de persluchtklep om de slibprop in de silo te transporteren door middel van dichte fasetransporten. d) Daling van de druk in de transportleiding.
Jaarlijkse exploitatiekosten in vergelijking met de verschillende financieringsconcepten van het gemeentebedrijf Sehnde. Opmerking: bij de kosten van het smeermiddel wordt zowel rekening gehouden met de aankoopprijs van het polymeerconcentraat als met de extra kosten voor de slibverwijdering.
Onze maatschappij en het ondernemerschap evolueren, daar is niks nieuws mee. Ondertussen weten we al dat 2020 om een speciale reden de geschiedenisboeken zal ingaan, maar ondertussen steken ook (mega)trends de kop op. Een daarvan is neo-ecologie, de maatschappelijke oriëntatie naar een hulpbronnen- en energie-efficiënte, duurzame economie. Ook het waterbeheer ontsnapt niet aan die trend, waarbij de beluchting en het pomptransport in de afvalwatersector in het vizier worden genomen. Sterker nog, afvalwater staat prominent in het middelpunt van de neo-ecologische verandering. We bekijken hoe de afvalwaterverwerkings¬bedrijven in Duitsland daarop anticiperen.
In Duitsland wordt jaarlijks tot twee miljoen ton zuiveringsslib geproduceerd dat in de 10.000 waterzuiveringsinstallaties moet worden verwerkt. Omdat de overheid de Verordening inzake zuiveringsslib (AbfKlärV) en de Verordening inzake meststoffen (DüMV) heeft gewijzigd, worden de gemeentelijke afvalwaterverwerkingsbedrijven uitgedaagd tot grote aanpassingen. Zo is zuiveringsslib als meststof in de landbouw niet meer toegestaan door de nitraatbelasting van bodem en grondwater. Maar in plaats daarvan doet de thermische verwerking zijn intrede. Daarvoor wordt het zuiveringsslib eerst mechanisch ontwaterd, gedroogd en daarna in een mono- of mengverbranding in energie omgezet. DüMV verplicht afvalwaterverwerkings¬bedrijven om grond- of herbruikbare stoffen – zoals fosfor – uit het zuiveringsslib te recycleren.
Efficiënt en ecologisch transport
Aanpassen van de recyclingprocessen in de gemeentelijke waterzuiveringsinstallaties is geen evidentie, want de hoge bebouwing van de installaties kent niet-flexibele en lange transportwegen tussen de nieuwe processtappen. Het transport van ontwaterd slib is niet efficiënt en al zeker niet ecologisch of economisch door de moeilijke transporteigenschappen over grote afstanden. Meestal wordt het slib door gesloten pijpleidingen getransporteerd, waarbij de hoge viscositeit van het medium zorgt voor wrijvingsverliezen en dus een hoog energieverbruik.
De waterzuiveringsinstallatie in Sehnde bij Hannover (KA Sehnde) is een van de vele gemeentelijke zuiveringsinstallaties in Duitsland die de zuiveringsfasen futureproof heeft vormgegeven met onder andere een efficiënt en ecologisch transport van het zuiveringsslib. In Sehnde wordt het zuiveringsslib mechanisch in een centrifuge ontwaterd (uitvoer 1,5 - 2,5 m3/h). Voor het transport naar een open zuiveringsslibplaats op 250m via een ondergrondse bestaande stalen leiding gebruikte KA Sehnde vroeger een zuigerpomp met zeer hoge onderhouds- en energiekosten. Om dat proces te optimaliseren, werd een nieuwe transportoplossing geïnstalleerd die tegelijk economischer en hulpbronnenefficiënter is.
Smart Air Injection
De pompfabrikant Seepex uit Bottrop in Duitsland leverde het nieuwe systeem. Het Smart Air Injection-systeem (SAI) zorgt voor aanzienlijke besparingen van energie, bedrijfs- en investeringskosten. SAI onderscheidt zich van de conventionele transportoplossingen, vooral bij lange transportafstanden tot 1 km. Zulke afstanden zijn niet realiseerbaar met conventionele oplossingen, waardoor er zich nieuwe mogelijkheden voor de procesvormgeving in zuiveringsinstallaties voordoen.
De innovatie van SAI ligt in de combinatie van verschillende transporttechnologieën en een aangepaste, gedigitaliseerde aansturings- en monitoringoplossing voor een compleet nieuw transportprincipe, gebaseerd op de bestaande excentrische wormpomp (EWP) maar met significante voordelen. Het transportprincipe van de excentrische wormpomp (I) wordt gecombineerd met een pneumatisch dichte-fase-transport van voorverdichte slibproppen (II), die door het aanbrengen van smeermiddel in de pijpgrenslaag (III) ‘gesmeerd’ worden.
Daarbij wordt eerst een slibprop via de EWP in de persleiding verdicht (zie afbeelding 1.a, 1.b) en voor lagere wrijvingsverliezen met een smeermiddel omhuld. Vervolgens wordt die prop via gepulste persluchtinjecties pneumatisch verder getransporteerd (afbeelding 1.c). Het tijdstip voor de luchtinjecties gebeurt drukgestuurd via een algoritme specifiek voor die toepassing. De maximale druk correleert direct met de vereiste kracht voor de initiële beweging van de slibprop. Van zodra de statische wrijving overwonnen is, wordt die door de nastromende en expanderende perslucht versneld, waardoor het drukniveau in de leiding weer daalt.
Zelfsturing
De parameters voor de efficiënte sturing van het transportproces zoals de transportsnelheden, proplengtes, smeermiddelhoeveelheid, luchthoeveelheid, injectietijdstip en injectieduur worden door het SAI-systeem nauwgezet gecontroleerd en voortdurend bijgestuurd. Via het geïntegreerde monitoringsysteem kan lokaal op de tablet en decentraal in de Seepex-cloud worden gecontroleerd. SAI realiseert zo het concept van een Package Unit, een geautomatiseerd deelsysteem dat bestaat uit machines, sensoren, actuatoren, randapparatuur en een toepassingsspecifieke sturingslogica.
Een opvallende eigenschap van dat transportconcept is de extreem lage druk in de transportleiding. Dat wordt bereikt door drie kenmerken: de smering die meestal met een polymeeroplossing van 0,5% gebeurt, het discontinue transport van korte slibsegmenten waardoor de wrijvingsverliezen alleen langs deze segmenten en niet in de volledige leiding werkzaam zijn en de reologische afschuifverdunnende eigenschappen van het transportmedium. Bij het klassieke transport van ontwaterd zuiveringsslib met verdringerpompen wordt het medium tegen zeer lage snelheden door de leiding geperst. Het pneumatische dichte-fase-transport gebeurt echter bij zeer hoge snelheden (ca. 100 keer sneller), waardoor hoge afschuifsnelheden aan de wand van de pijpleiding ontstaan (γ p~dv/dr). In geval van afschuifverdunnende vloeistoffen (zoals ontwaterd slib en smeermiddel) kan de werkelijke viscositeit aan de wand van de pijpleiding tien keer verminderd worden en dus ook de wrijvingsverliezen. Door dat concept kan de druk over de totale transportafstand verlaagd worden tot enkele bar.
Kostenbesparingen
Het succes van het SAI-systeem kwam in de waterzuiveringsinstallatie van Sehnde snel aan het licht. Al tijdens het eerste jaar konden enorme besparingen in vergelijking met de vorige transportoplossing – met zuigerpomp (45 kW) inclusief smeermiddelinjectie – bereikt worden. Door SAI werden de energiekosten gehalveerd. Daarbij werd het SAI-systeem – bestaande uit een excentrische wormpomp (7,5 kW), smeermiddelinjectie en persluchttoevoer (22 kW) – in de bestaande pijpleiding geïntegreerd. Zo kon de druk van 60 à 80 bar tot slechts ±3 bar verlaagd worden. De kosten voor het onderhoud en de reserveonderdelen gingen met 88% omlaag door het gebruik van die excentrische lagedruk-wormpomp die vroeger 15.000 euro per jaar kostte (zie afbeelding 2).
Ook de vereiste hoeveelheid smeermiddel werd zelfs voor de bestaande stalen leiding met behulp van SAI aanzienlijk verminderd. Door de verhoogde wrijving in de deels gecorrodeerde leiding wordt een hogere hoeveelheid glijmiddel en perslucht gebruikt dan bij vergelijkbare installaties nodig zou zijn. Met een nieuwe leiding uit PE-kunststof zou nog meer perslucht en smeermiddel bespaard kunnen worden dankzij de betere wrijvingseigenschappen (zie afbeelding 2). In totaal gingen de jaarlijkse bedrijfskosten voor de KA Sehnde met 82% omlaag (een jaarlijkse besparing van 37.500 euro).
Tekst door dr. Stephan Mottyll
Afbeeldingen: Seepex
