Sewatec-Pumpen von KSB helfen bei der Reinigung des Ontariosees

Die 45 Kilometer lange Küstenlinie um den Hamilton Harbour am kanadischen Teil des Ontariosees ist seit vielen Jahrhunderten ein in vielerlei Hinsicht wichtiges Gebiet für die umliegenden Städte. Die Industrialisierung und das Wachstum der Stadt Hamilton mit ihrem Hafen, einst eine unberührte Quelle für frischen Fisch und ein Ort der Erholung und Freizeitgestaltung für die lokale Bevölkerung, haben sich nachteilig auf das Leben dort ausgewirkt. Bis Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts war das Ökosystem im Hamilton Harbour durch die jahrzehntelange Ablagerung giftiger Schadstoffe, durch Niederschlagsabflüsse, Habitatverluste, die Verschlechterung der Wasserqualität und diverse andere Faktoren schwer in Mitleidenschaft gezogen worden. 

1987 identifizierte die International Joint Commission (IJC) – eine Organisation zur Überwachung des Abkommens zwischen Kanada und den Vereinigten Staaten zur Sicherung der Wasserqualität in den Großen Seen – das 500 Quadratkilometer große Gebiet von Hamilton Harbour als eines von 43 Problemgebieten ("areas of concern"). Nun auf einer Liste von Orten zu stehen, in denen durch Umweltzerstörung die Nutzung und der ökologische Zustand der Großen Seen ernsthaft beeinträchtigt ist, war ein Alarmsignal für die Stadt. In den letzten Jahren wurden daher bedeutende umwelttechnische Projekte durchgeführt. Das größte davon ist das mehrstufige "Clean Harbour"-Programm.
 

2008 legte die Stadt den Bericht über eine Umweltstudie zur Untersuchung des Abwasserentsorgungsgebiets der Kläranlage Woodward vor, mit dem Ziel, einen Plan zur Modernisierung der Anlage festzulegen. Mit den darin empfohlenen Investitionen sollen Systeme für Niederschlagswasser gebaut, zusätzliche Aufbereitungskapazitäten geschaffen und die im Aktionsplan zur Sanierung des Hamilton Harbour (Hamilton Harbour Remedial Action Plan), im Umweltministerium von Ontario (Ministry of Environment, Conservation and Parks) und im nationalen Umweltschutzgesetz (Federal Environmental Protection Act) festgelegten Aufbereitungsziele erreicht werden.

Die im südöstlichen Bereich des Hafens errichtete Kläranlage ist die größte im Wassereinzugsgebiet des Hamilton Harbour und eine der größten in Ontario. Die größte Deponie für giftige Schadstoffe auf der kanadischen Seite der Großen Seen befindet sich ebenfalls am Hafen. Da die Anlage den größten der einzelnen Wasserzuläufe in den Hamilton Harbour stellt, hat die Qualität des dort geklärten Abwassers einen direkten und entscheidenden Einfluss auf die Wasserqualität im Hafen und die dortige Umweltsituation. Das Projekt zur Modernisierung der Kläranlage Woodward Avenue erstreckt sich über mehrere Stufen und mehrere Jahre und umfasst eine Reihe von Teilprojekten mit eigenen Spezifikationen und Zeitplänen. 

Mit der 340 Millionen Dollar schweren Investition in die Modernisierung der Anlage soll unter anderem die Erweiterung des zweistufigen Abwasserbehandlungsverfahrens um eine dritte Reinigungsstufe finanziert werden. Damit wird nicht nur die Abwasserbehandlung in der Anlage verbessert, sondern auch die Einhaltung der strengen Einleitungsgrenzwerte für Phosphor, Ammoniak und Schwebstoffe ermöglicht, so wie sie im Aktionsplan zur Sanierung des Hamilton Harbour vorgesehen sind. Ein wichtiges Teilprojekt ist der Bau einer neuen Abwasserpumpstation samt Steuerung für das Abwassersammelsystem zur Regelung des Zuflusses bei Starkregenereignissen und Überschwemmungen. Damit die Abwasserbehandlung ordnungsgemäß funktioniert und es nicht zum Überlauf ungeklärten Abwassers in den Hafen kommt, ist eine leistungsfähige, für aktuelle und prognostizierte Abwassermengen ausgelegte Pumpstation von zentraler Bedeutung. Die Bauarbeiten für die Modernisierung wurden im Mai 2017 begonnen und sollen im Juli 2021 abgeschlossen sein.

Die bestehende, fast 60 Jahre alte Kläranlage hat eine Durchschnittsnennleistung von 409 Millionen Litern pro Tag und eine Spitzennennleistung von 614 Mio. Litern pro Tag. Bei Überschreitung wird das überschüssige Wasser, eine Mischung aus Industrie- und Haushaltsabwässern sowie Oberflächenwasser, in den Hafen eingeleitet. Um die langfristig prognostizierten Anforderungen an die Abwasserbehandlung zu erfüllen, wird die Anlage für eine maximale Aufnahmekapazität von 1.700 Mio. Litern pro Tag ausgelegt. Die Erreichung dieser Vorgaben erforderte erhebliche Anstrengungen hinsichtlich der Konzeption einer hocheffizienten Pumpstation samt Pumpen, die sich im Einsatz mit großen Mengen unbehandelten Abwassers bewährt haben. Nach eingehender Prüfung unterschiedlicher Pumpenalternativen am Markt entschied sich Maple Reinders, der Anlagenbauer der Pumpstation, gemeinsam mit der Stadt Hamilton für das kanadische Unternehmen KSB Pumps Inc. als Pumpenlieferant. Ausschlaggebend waren die Technologie und das Know-how von KSB bei der Konstruktion von Pumpstationen.

Die bestehende Pumpstation an der Woodward Avenue ist aufgrund ihrer Rundbauweise durchaus als ungewöhnlich zu bezeichnen. Diese Konstruktion hat sich zweifellos als vorteilhaft erwiesen, denn auch bei der neuen Pumpstation hat man sich für einen Rundbau entschieden. Er umfasst einen geteilten, runden Nassschacht, der in einem runden Trockenschacht angeordnet ist, in dem 12 vertikale, trocken aufgestellte KSB-Pumpenaggregate der Baureihe Sewatec K700-950 G1 VGW zur Förderung feststoffhaltiger Medien installiert sind. Die Pumpstation liegt insgesamt 81 Meter über dem Meeresspiegel, der unterirdische Nassschacht ist mit fast 30 Metern deutlich tiefer als der vorherige. Dieser größere und tiefere Nassschacht verhindert eine Überflutung der Anlage und bietet eine größere Speicherkapazität.

Die Konstruktion mit in einem im Trockenschacht integrierten Nassschacht bietet zahlreiche Vorteile. Zum einen ermöglichen Pumpen in Trockenaufstellung im Gegensatz zu nass aufgestellten Pumpen einen einfachen Zugang zu allen Pumpenteilen bei Wartung und Reparatur vor Ort. Zum anderen können Komponenten, die aus dem Trockenschacht entfernt werden müssen, einfach mit einem Kran herausgehoben werden. Durch die Teilung des Nassschachts, bei dem jeweils sechs Pumpen an einer Seite angeschlossen sind, kann zu Reinigungszwecken eine Hälfte des Schachts ohne negative Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit der Pumpstation außer Betrieb genommen werden.

Aufgrund der eher unkonventionellen Bauweise der Pumpstation stand KSB vor einer Reihe konstruktiver Herausforderungen bei der Ausführung der Pumpenbefestigung. Zunächst musste die Frage geklärt werden, wie die Pumpen am Außenumfang des Nassschachts anzuordnen sind. Die Antwort war eine Aufstellung mit unterschiedlichen Aufstellwinkeln von Druckstutzen/Saugstutzen. Das wiederum hieß, dass spezielle Flanschfüße für diese Aufstellung konstruiert werden mussten. Dafür konstruierte KSB für jede Pumpe ein maßgeschneidertes Spiralgehäuse mit integriertem Flanschfuß, mit dem die Pumpen direkt auf den vor Ort gegossenen Fundamentsockeln verankert werden können – ein Konzept, das es so nur bei KSB gibt.

Für den optimalen Betrieb der Abwasserpumpstation werden 10 Pumpen im Dauerbetrieb und zwei weitere im Stand-by-Betrieb benötigt. Die Pumpen mussten eine Gesamtförderleistung von bis zu 23.600 l/s erbringen und Feststoffe in einer Größe von 190 mm pumpen können. Das dritte wichtige zu lösende Problem war die schwankende Zulaufmenge. Während in Zeiten niedrigen Abwasserzulaufs die Gefahr von Kavitation besteht, müssen bei Starkregenereignisse große Zulaufmengen bewältigt werden. Durch den Einsatz von vier drehzahlgeregelten Antrieben wird die Pumpleistung automatisch an die Zulaufmenge angepasst. Nicht zuletzt war ein hoher Pumpenwirkungsgrad gefordert.

Aufgrund der Förderbarkeit von großen Feststoffen und durch die Steuerung der Fließgeschwindigkeit ist es seitens der Kläranlagenbetreiber möglich, die Abwassersammler zu Reinigungszwecken zu entleeren. Dies geschieht durch Einflussnahme auf den Betrieb und die Steuerung des Abwassersammlers. In der bestehenden Anlage ist es nicht möglich, den Abwasserpegel im Nassschacht zu senken, um die Fließgeschwindigkeit in den Abwassersammlern zu steuern. Kommt es bei Starkregenereignissen zu erhöhten Zulaufmengen und Fließgeschwindigkeiten, können die abgelagerten Feststoffe in den Abwassersammlern nicht mehr zurückgehalten werden. Die Schmutzfracht gelangt direkt in die Hauptkläranlage und führt dort zu einer Überlastung. Durch die Gestaltung der neuen Pumpstation wird es möglich sein, die Abwassersammler bei Bedarf zu entleeren und die zusätzliche Sandfracht aus der Anlage zu entfernen.

Alle vertikal aufgestellten Sewatec-Pumpen werden mit einer 15 m langen Carbon-Antriebswelle, einem 700 hp-Motor (522 kW), einer geteilten Gleitringdichtung, einem optimierten langen Beschleunigungskrümmer (1050 x 750 mm) und Schwingungsüberwachung geliefert. Die Beschleunigungskrümmer sind mit einer 200 mm großen Reinigungsöffnung ausgeführt. Die Motoren werden im Trockenschacht erhöht angeordnet, so dass sie von einer möglichen Überflutung aus dem Nassschacht nicht betroffen sind. Obwohl die Pumpe für Trockenaufstellung konstruiert ist, wird die Gleitringdichtung über eine Spülleitung mit sauberem Fremdwasser beaufschlagt. Weitere eingebaute Dichtelemente bieten zusätzlichen Schutz und verhindern, dass Abwasser aus der Pumpe austritt. Aufgrund der Vielzahl verfügbarer Aufstellungsarten und unterschiedlicher Laufradtypen für den Transport von Rohabwasser und Fördermedien wie Biofeststoffen/Schlamm ist die Sewatec die perfekte Lösung. 

„Bei diesem Auftrag waren mehrere Kriterien zu erfüllen: hoher Pumpenwirkungsgrad, gutes NPSH-Verhalten und die Fähigkeit, die in ungereinigtem Abwasser und Regenwasser enthaltenen Feststoffe zu fördern“, erklärt Marcus Henderson, Regional Sales Manager von KSB Pumps Inc., Canada. Jede Pumpe ist mit einem verstopfungsfreien, 898 mm großen Mehrschaufelrad (K-Laufrad) und einem freien Durchgang von 190 mm ausgeführt. Die Fördermenge der Pumpe beträgt 1.968 l/s bei einer Gesamtförderhöhe von 21 Metern. Am oberen Ende des Normalbetriebsbereichs wird eine Gesamtförderhöhe von 26,25 Metern erreicht, am unteren eine Gesamtförderhöhe von 16 Metern.

„Die Sewatec-Pumpen von KSB sind für diese Aufgabe hervorragend geeignet und haben sich in Kläranlagen auf der ganzen Welt bereits bestens bewährt“, so Marcus Henderson. „Diese trocken aufgestellten Pumpen sind mit drehzahlgeregelten IE4-Motoren ausgerüstet. Optimierte Hydrauliken ermöglichen einen hohen Wirkungsgrad und sorgen so für einen geringeren Energieverbrauch und reduzierte Betriebskosten. Laut Aufgabenstellung wurde ein hydraulischer Wirkungsgrad von 86 % verlangt, wobei KSB 86,97 % im Auslegungspunkt garantieren konnte. Unter Abnahmebedingungen im KSB-Werk Halle erreichten die Pumpen einen Wirkungsgrad von 89,1 %, also ca. 2,1 % höher als von uns garantiert.“

Bei den Gleitringdichtungen arbeitete KSB mit einem lokalen Dichtungslieferanten an einer speziellen, an Pumpeneinbau und Welle angepassten Konstruktion. Man entschied sich für geteilte, oberhalb des Lagergehäuses angeordnete Gleitringdichtungen, die vor Ort zugänglich sind und ausgetauscht werden können. Die Konstruktion des Trockenschachts bietet den Vorteil, dass sowohl die Dichtungen als auch die Lager für die Wartung leicht zugänglich sind.

Im Frühjahr 2020 war der Bau der Trocken- und Nassschächte, einschließlich der betonierten Fundamentsockel für die Pumpen, abgeschlossen. Danach begannen die Arbeiten in den oberirdischen Betriebs- und Überwachungsbereichen. Die erste der Pumpen wurde mit einem Kran in ihre Einbauposition gehoben und über die Flanschfüße verankert. Der vollständige Einbau aller Pumpen, Antriebe und Wellen ist für 2021 geplant.