Der Betrieb einer Abwas-serreinigungsanlage (ARA) für ein Tourismuszentrum im Hochgebirge ist aus verschiedensten Gründen sehr anspruchsvoll. Dies trifft in besonderem Masse für diejenige in Arosa auf über 1800 Metern über Meer zu. In Spitzenzeiten während des Winters beherbergt der Ferienort nebst den knapp 2300 ständigen Einwohnern zusätzlich mehr als 10000 Feriengäste in Hotels und Ferienwohnungen.

Vor nicht alltäglichen Aufgaben

Die Abwasserreinigungsanlage in Arosa wurde von 1961 bis 1972 für 9,9 Mio Fr. gebaut; mit einer mechanischen Reinigungsstufe, Belebtschlammbiologie für Kohlenstoffabbau, Schlammfaulung und -entwässerung sowie Co-Substratannahme von Küchenabfällen und Ölen. Zwischen 2004 und 2007 erfolgten für 11,6 Mio Fr. die Modernisierung und der weitere Ausbau auf 30000 Einwohnergleichwerte (diese Grösse als Referenzwert der Schmutzfracht in der Wasserwirtschaft). Die biologische Reinigungsstufe zur Stabilisierung der Nitrifikation (bakterielle Oxidation von Ammoniak bzw. Ammonium zu Nitrat) bildete dabei einen Prozessschwerpunkt.

«Angesichts der klimatischen Verhältnisse in dieser Höhe, der Frachtstoffschwankungen gerade in der für biologische Prozesse heiklen Winterzeit und der hohen Anforderungen an die Verfahrensstufe zur weitgehenden Nährstoffelimination standen die Planer bei der Projektierung und dem Ausbau vor nicht alltäglichen Aufgabenstellungen», sagt Hansruedi Habegger von Morgenthaler Ingenieure in Zürich (Gesamtprojekt Sanierung/Erweiterung). Die Einleitungsbedingungen des gereinigten Abwassers in den sensiblen und in der Zeit der Vollbelastung der ARA wenig Wasser führenden Vorfluter in Plessur sowie die Gefahr der Infiltration ins Grundwasser sind die eigentlichen Prüfsteine des Reinigungsprozesses.

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Eine so anspruchsvolle Betriebs- und Prozessüberwachung des mechanisch-biologischen Reinigungsvorganges samt aller Nebenanlagen, vom Rechen über Pumpen, Belüftungsgebläse, Biogasproduktion und Gasmotor, erfordert eine sehr zuverlässige, anpassungsfähige Automation sowie Überwachung. «Aufgrund unserer langjährigen Erfahrung und der projektbezogenen Anforderung schlugen wir für die gesamte Anlage der ARA in Arosa ein Prozessleitsystem mit Profibus und Ethernet vor», sagt Marcel Schöb von IBG Graf in St. Gallen (Teilprojekt Automation/Engineering).

Das wohl sichtbarste Zeichen für die totale Umstellung der Betriebsführung und Überwachung ist der Wegfall des früheren Blindschaltschemas bzw. der früheren Schalttafelanlage sowie der Ersatz durch Netzwerkrechner oder Bildschirme im Kommandoraum, in der Unterverteilung Filtration und in der Schlammbehandlung.

Die vier im Einsatz stehenden speicherprogrammierbaren Steuerungen (Siemens S7-400) sind auf der Profibus-Feldebene über Kupferkabel mit den einzelnen Feldgeräten verbunden. Dabei kommen der Profibus DP und der Profibus PA zum Einsatz. Die digitalen und analogen Signale in den diversen Schaltgerätekombinationen, Steuer- und Schaltschränken bzw. deren Feldern und Pilotventilschränken werden über Knoten der dezentralen Peripherie in die Steuerung eingelesen. Gleiches gilt für die Kommunikation mit den Frequenzumformern. Die Feldgeräte der Prozessmesstechnik (Niveau-, Durchfluss-, Analysemessungen usw.) werden über Profibus PA der Steuerung aufgeschaltet. Und auf der Automatisierungsebene wird über Ethernet mit Glasfaserkabeln kommuniziert.

Eine Abwasserreinigungsanlage muss ohne Ausnahme funktionieren können. Deshalb können sämtliche Aggregate und Schieber bzw. Schützen auch über Hardwareschalter direkt betätigt werden. Dies war vor allem bei der Inbetriebnahme einzelner Anlagenteile und ist im Notbetrieb unerlässlich, dann, wenn eine SPS (Speicher-programmierbare Steuerung) nicht zur Verfügung stehen sollte. In dieser Betriebsart sind aber nur noch minimale Schutzeinrichtungen wirksam. Die Verantwortung liegt in diesem Falle beim bedienenden Personal. Der Notbetrieb ist auf allen Anlagen installiert, kam aber bisher nur sehr selten zum Einsatz, ausser bei der Inbetriebnahme.

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Die Stromversorgung der Profibus-PA-Teilnehmer erfolgt über das Zweidraht-Strangkabel mit 31 V Gleichstrom. Die digitalen Daten und Adressen werden in Form von «+/–9 mA»-Impulsen mit steilen Flanken dem Speisestrom überlagert. Diagnosemodule überwachen den Bus-Strang und dessen Signale ständig bezüglich der Flankensteilheit der digitalen Datenpakete. Dies gewährleistet hohe Betriebssicherheit des Bus-Systems und eine frühzeitige Warnung vor dem Ausfall der Anlage.

Der Profibus erleichtert dem Planer und Anlagenbesitzer die Arbeit von der Projektierung über die Ausführung bis zum späteren Ergänzen und Einschlaufen eines zusätzlichen Feldgerätes ausserordentlich. Das Profibussystem ermöglicht das jederzeitige spätere Einschlaufen weiterer Feldgeräte oder Messstellen. Es muss dazu lediglich die neue Adresse in der GSD-Datei hinterlegt werden.

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Auch während Umbau Abwasser

Auch im Falle der ARA in Arosa konnten Entscheide über die Wahl von Feldgeräten und deren Anlageteile bezüglich der Bauart, Leistung usw. erst im Verlaufe der Realisierung gefällt werden. Dies ermöglichte die geforderte, etappenweise Übernahme der Anlagensteuerung von der alten Kommandoanlage zum neuen Rechner.

Beim Umbau einer Abwasserreinigungsanlage ist dies zwingend nötig, weil das anfallende Abwasser auch während des Umbaus rund um die Uhr und an allen Wochentagen gereinigt werden muss. Eine Abschaltung ist nur mit grossem Aufwand für maximal eins bis zwei Stunden möglich und hat während schwacher Belastung der Anlage und trockener Witterung meist in der Nacht zu erfolgen.

Der Einwand, dass der Profibus wegen höherer Kosten nicht überall, besonders nicht bei kleineren Anlagen, anwendbar wäre, widerlegt Schöb mit seiner Erfahrung bei ausgeführten Installationen in einer kleinen Abwasserreinigungsanlage. Diesbezüglich weist er auf seine Erfahrungen bei der ARA in Hemberg hin.

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Bei sorgfältiger Planung sind in der Energieverteilung und in der Prozesssteuerung bzw. Anlagenüberwachung, besonders bei den Installationen und der Verkabelung, aber später ebenso bei Erweiterungen bedeutende Einsparungen möglich, welche die Mehrkosten für den eigentlichen Profibus mehr als ausgleichen. Ein Mehrwert der Anlage ist zweifelsfrei gegeben.