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Regelungstechnische und verfahrenstechnische Maßnahmen zur
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1. Kreisel 1 E Kreisel 2 zum Nach abscheider kl rbecken Bild 4 6 Prinzipskizze des Belebungsbeckens der Kl ranlage Netphen 1998 4 5 _Ausbauzustand f r Zusatzbegasung mit Reinsauerstoff 1999 und 2000 1999 wurde ein Teil der Bel ftungsmatten aus den Versuchen von 1996 reaktiviert Dies war problemlos m glich weil die gesamte Ausstattung f r die Reinsauerstoffbegasung Matten Tankbeh lter Verdampfer Schl uche etc noch installiert waren Bild 4 7 zeigt dass die Be l ftungsmatten nur noch in einem Teilbereich des BB eingesetzt wurden Auch hier wurde der Reinsauerstoff ausschlie lich zur Unterst tzung der Kreiselbel fter zudosiert Die O Kon zentration im BB wurde an zwei Stellen gemessen Messstellen 3 und 4 im Bild 4 2 Diese f r Kl ranlagen ungew hnliche Erfassung der Sauerstoffkonzentration wird im Kapitel 6 2 n her erl utert 1999 wurde die Anlage mit einem erweiterten SymBio Verfahren betrieben 2000 und 2001 wurde Fuzzy Logik zur O F hrungsgr enberechnung verwendet siehe Kapitel 7 4 Die Kl ranlage Netphen 75 R cklauf Zulauf Bel ftungs Propeller schlamm matten Kreisel 1 Lamellen Kreisel 2 zum Nach abscheider kl rbecken Bild 4 7 Prinzipskizze des Belebungsbeckens der Kl ranlage
2. p00 eepe e nn nn nenn 2 F N N i h J Ea ale ee ean nn _ a an ee a E f i i i i i 2 D l E L H H i i H i 3 f t 9 F A o i l i f 8 r i i E 1007 pee ARE E a i A ES a T AESi RE esse I O 5 L j i J 3 i f gt ll l IN I IM ll ill I Jun 28 Jul 5 Jul 12 Jul 19 Jul 26 Aug 2 Aug 9 Aug 16 Aug 23 Aug 30 Sep 6 Sep 13 Sep 20 Bild 6 54 Volumenstrom der Reinsauerstoffbegasung vom 28 06 26 09 1999 Bild 6 51 zeigt die aus den beiden Messsignalen ermittelte O Konzentration die als Regel gr e verwendet wurde Die Messwerte liegen etwa im Bereich der im 3 Quartal 1998 ge messenen O Konzentrationen Die Ganglinie der Belebtschlammaktivit t im BB Bild 6 52 verl uft ebenso wie im 3 Quartal 1998 in Trends Diese sind jedoch deutlich schw cher ausgepr gt M gliche Ursa chen f r die leicht abweichende Charakteristik k nnen hier nicht gegeben werden Der Zeitverlauf der Frequenz der Oberfl chenbel fter Bild 6 53 belegt dass diese Stellgr e auch 1999 fast t glich in seine Begrenzung lief erkennbar an einer Frequenz von 50 Hz ber mehrere Stunden Die im Bild 6 54 dargestellte Ganglinie der zweiten Stellgr e Volumen strom der Reinsauerstoffbegasung zeigt dass zum Zeitpunkt der berlastung der Kreisel Reinsauerstoff geregelt zudosiert wurde um die O F hrungsgr e zu erreichen An den
3. T f s z a a a er 2 ll Ji In Jul 2 Jul 9 Ju 16 Jul 23 Jul 30 Aug 6 Aug 13 Aug 20 Aug 27 Sep 3 Bild 7 20 NH N Konzentration im BB vom 02 07 30 09 2001 i Il Sep 10 Sep 17 Sep 24 170 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen i NOs N BB N N E I O N Mu Il IN AN Jul 2 Jul 9 Jul 16 Jul 23 Jul 30 Aug 6 Aug 13 Aug 20 Aug 27 Sep 3 Sep 10 Sep 17 Sep 24 Bild 7 21 NO N Konzentration im BB vom 02 07 30 09 2001 20 mr 1 T T Ba la ZT nr Zn T A T Nanorg BB i l i l i Nanorg Konzentration in mg l ul 2 Jul 9 Jul 16 Jul 23 Jul 30 Aug 6 Aug 13 Aug 20 Aug 27 Sep 3 Sep 10 Sep 17 Sep 24 Bild 7 22 N Konzentration im BB vom 02 07 30 09 2001 a Die Ganglinie des Volumenstroms im Ablauf Bild 7 19 zeigt zwei Trockenwetterperioden im Juli und August 2001 unterbrochen von einer kurzen Periode mit gemischten Zulaufbedin gungen Ab etwa Mitte September herrscht Regenwetterzulauf Die NH N Konzentration im BB Bild 7 20 lag anfangs bei sehr niedrigen Werten die ab Anfang August f r einen l ngeren Zeitraum einen Maximalwert von knapp ber 3 mg l nicht berschreiten Sp ter zeigt die Ganglinie einige immer nur kurzzeitige berschreitungen des Grenzwertes von 5 mg l Bei diesen berschreitungen handelt es sich ausnahmslos um Mess fehler Dieser Fehler ist typisch f r die im Jahr 2001 neu a
4. 0 8 16 24 32 40 h 48 Bild 6 19 NH N Konzentration im BB und im Ablauf der Nachkl rung bei hydraulischer Sto belastung und gleichzeitig auftretendem betriebsbedingten St rfall 14 08 15 08 1999 Bild 6 17 zeigt den Volumenstrom im Ablauf und den TS Gehalt im BB vom Samstag den 14 08 bis Sonntag den 15 08 1999 Am 14 08 trat vormittags ein ausgepr gtes Regenereignis auf was zur blichen Verdr ngung des Belebtschlamms in die Nachkl rung f hrte Wenige Stunden sp ter etwa um 12 Uhr fiel die R cklaufschlammpumpe RS Pumpe aus Diese St rung wurde erst gegen 20 Uhr bemerkt und behoben Durch diesen St rfall sank der TS Gehalt im BB innerhalb weniger Stunden von etwa 4 5 g l auf unter 2 5 g l Erst nach Wieder inbetriebnahme der RS Pumpe stieg der TS Gehalt im BB allerdings recht langsam Die Aktivit t im BB Bild 6 18 sank durch die beschriebenen Ereignisse signifikant Das weitere Absinken des Aktivit tsmesswertes nach Wiederinbetriebnahme der RS Pumpe ist plausibel weil hier aufgrund der Tageszeit nur gering belastetes Mischwasser zulief was zu einer geringen Stoffwechselaktivit t f hrte Erst gegen Mittag des 15 08 1999 stiegen die Ak tivit tsmesswerte wieder an was mit dem Verlauf des TS Gehaltes im BB Bild 6 17 positiv korreliert Interessant sind die Auswirkungen des Regenereignisses am Nachmittag des 15 08 1999 Auch hier zeigen sich die bereits oben genannten Zusammenh nge zwischen stei gendem Vol
5. 168 7 4 Endg ltige Realisierung der Prozessregelung auf der Kl ranlage Netphen anne 171 7 5 Bewertung der strukturumschaltbaren Fuzzy Regelung 180 Zusammenfassung und Ausblick 181 Literati e a 185 Formelzeichen und Symbole Zeichen A Anke Asea b bu Bo Bu Bis C CFf CPrel Cps d dm ATS 3 F Fo ET sin Fr Fw ISV ko Kp ks Ks MyNitr n N2 0 P da dara Qu dsv A Svzul Oz R Re Repi S NH4 N S NH4 Nmax S NH4 Nmin S OBB S OBBS tt Einheit m m m d mg l kg kg d m s m s m s m s m kg d g l d m s kgm s ml g gO m gCSsB m m mm kg min mg l kW m m h m m h m h V m h V m h Vs m mg l g m mg l g m mg l g m mg l g m mg l g m Bedeutung Fl che Fl che des Nachkl rbeckens Sedimentationsfl che Breite Sterberate der heterotrophen Mikroorganismen oberer unterer Grenzwert Schlammbelastung allgemeine Geschwindigkeit Str mungsgeschwindigkeit des Fluids relative station re Sinkgeschwindigkeit Sinkgeschwindigkeit des Partikels Durchmesser Nitrifikantenzuwachs in kg Trockensubstanz TS d Trockensubstanzzuwachs im Belebungsbecken Kraft Auftriebskraft Gewichtskraft Froudezahl kritische Froudezahl Tr gheitskraft Widerstandskraft Erdbeschleunigung Impuls Schlammindex diskreter Abtastschritt Wachstumskonstante der Sauerstoff
6. 15 NH4 N BB NH4 N Ablauf NOX N BB NOX N Ablauf Konzentrationen in mg l 0 4 8 12 16 20 h 24 Bild 5 15 NH N und NOx N Konzentrationen im BB und im Ablauf der Nachkl rung Bild 5 15 zeigt die durch den Transportvorgang auftretende Totzeit und das Resultat der Ver mischungseffekte f r die NH N und NOx N Konzentrationen in eines Tagesganges Aus 5 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit intermittierender Nitrifikation und Denitrifikation 93 Gr nden der Anschaulichkeit sind die Totzeiten T f r die NO N Konzentration um ca 8 Uhr und Tp f r die NH N Konzentration um ca 12 Uhr zu unterschiedlichen Uhrzeiten markiert weil hier eindeutige Extrema im Verlauf des Tagesgangs zu erkennen sind To ist hier kleiner als To weil zu diesem Zeitpunkt der Volumenstrom durch die KA geringer ist Prinzipiell sind die Totzeiten zwischen BB und Ablauf der Nachkl rung jedoch zu gleichen Zeitpunkten f r alle Konzentrationen identisch Eine Variation der Nitrifikationsintervalle T und der Denitrifikationsintervalle 7 basierend auf einer Messung der NH N Konzentration im BB ist somit unproblematisch weil zur Ein haltung der berwachungswerte nur die Tagesspitzenwerte von Interesse sind und diese im Belebungsbecken blicherweise h her liegen als im Ablauf T Demax 3 g Tiimin Zeit emaus Kreisel Regel steuerung bel fter strecke 7 Tsen Bel ftungs 0 Bu B 2 Punkt Regler S
7. 38 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Der dem BB aus dem Kanal zuflie ende Schadstoff Ammonium wird zun chst durch Nitrifi kation zu Nitrat Nitrat ist jedoch selbst ein Schadstoff der ber die Denitrifikation in un sch dlichen molekularen Stickstoff umgewandelt wird Diese Vorg nge haben bei kommuna len Kl ranlagen zudem eine deutlich tageszeitliche Auspr gung die ein gewisses Potenzial zur regelungstechnischen Leistungssteigerung birgt Prinzipiell ist eine explizite Betrachtung dieser Vorg nge als Hauptreaktion Nitrifikation mit Folgereaktion Denitrifikation aus systemtechnischer Sicht bzw f r die Entwicklung einer Regelungsstrategie u erst interessant Eine Ber cksichtigung dieses verfahrenstechnischen Zusammenhangs und der typischen Tagescharakteristik der St rgr e Ammoniumstickstoff sowie der gegebenen Beschr nkungen durch die entsprechenden berwachungswerte f hrt zur Forderung einer weitgehenden Nitrifikation zum Zeitpunkt hoher NH N Konzentrationen im Zulauf der Kl ranlage und einer anschlie enden m glichst weitgehenden Denitrifikation des entstandenen Nitrats wobei jedoch die Nitrifikation der in diesen Zeitr umen zulaufenden Ammoniumstickstofffrachten nicht zu sehr vernachl ssigt werden darf Im Kapitel 7 1 wird dieser Zusammenhang aufgegriffen und im Folgenden ein adequates Regelungskonzept vorgestellt 3 Leistungssteigerung von Kl ranlagen durch den E
8. Die O Konzentration im BB betrug in der Nitrifikationsphase etwa 2 5 mg l Bild 5 19 Dies entsprach der vorgegebenen O F hrungsgr e die hier etwas h her gew hlt wurde als im Fr hjahr 1996 um eine bessere Nitrifikation zu erreichen Zu Beginn der Nitrifikationsphase stiegen die O Konzentrationen im BB durch die dann gesteuerte Begasung auf Werte gr er 2 5 mg l Den Volumenstrom der O Begasung zeigt Bild 5 20 Wegen der geringeren O Zehrung tra ten nachts niedrigere O Volumenstr me auf als tags ber Am betrachteten Tag konnten beide Stickstoff berwachungswerte sicher eingehalten werden Bild 5 21 5 2 2 Ergebnisse der ereignisabh ngigen Regelung Analog zum Kapitel 5 1 2 zeigen die folgenden Bilder 5 22 bis 5 28 anhand von gemessenen Ganglinien die in diesem Zeitraum herrschenden Randbedingungen Temperatur Zulaufvolu menstrom Zulaufkonzentrationen Regel und Stellgr en sowie Ablaufkonzentrationen 98 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 100 80 Volumenstrom in l s Temperatur in C 20 0 Volumenstrom Ablauf Temperatur BB g ii Bild 5 22 Volumenstrom im Ablauf der Nachkl rung und Temperatur im BB vom 30 09 bis 80 70 60 D 50 S E 5 40 N g 2 30 x ZI 20 10 0 0 7 14 49 Bild 5 23 NH N Konzentration im Zulauf zum BB vom 30 09 bis 01 12 1996 pH Wert 01 12 1996
9. NH4 N Ablauf z ap WERDE E S SE E EE berschreitungen SED NE EES EEN gt l i i des angestrebten i i E j berwachungswertes i i Q g 10 N c O x s I z 5 0 Jun 28 Jul 5 Jul 12 Jul 19 Jul 26 Aug 2 Aug 9 Aug 16 Aug 23 Aug 30 Sep 6 Sep 13 Sep 20 Bild 6 48 NH N Konzentration im Ablauf der Nachkl rung vom 28 06 26 09 1999 20 NOX N Ablauf SZ 15 Hilo Po N N g 44 00 0000 E S g Q E 5 10 FA M T E H N E e x z x O z Te OE E E ET OE OEE ef seien ent E CS Tee Jun 28 Jul 5 Jul 12 Jul 19 Jul 26 Aug 2 Aug 9 Aug 16 Aug 23 Aug 30 Sep 6 Sep 13 Sep 20 Bild 6 49 NOx N Konzentration im Ablauf der Nachkl rung vom 28 06 26 09 1999 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 141 20 Nanorg Ablauf l J i i i j Nanorg Konzentration in mg l a Jun 28 Jul 5 Jul 12 Jul 19 Jul 26 Aug 2 Aug 9 Aug 16 Aug 23 Aug 30 Sep 6 Sep 13 Sep 20 Bild 6 50 Nog Konzentration im Ablauf der Nachkl rung vom 28 06 26 09 1999 Im 3 Quartal 1999 lag die Temperatur im Belebungsbecken durchgehend oberhalb von 12 C Bild 6 41 und es kam zu keiner l ngeren Regenwetterperiode Bild 6 42 Insgesamt herrschten somit h here Temperaturen und deutlich h ufiger Trockenwetterzulauf als im Vergleichszeitraum 1998 H here Temperaturen beg nstigen zwar die Nitrifika
10. niedrig WENN NH N normal WENN N sehr hoch WENN DANN Regeln der F2 Strategie 151 normal hoch s_hoch NH4 N in T 00 10 20 30 40 50 60 70 80 930 100 11 0 120 mg l Is_niedrig niedrig mittel hoch 0 8 0 6 0 4 0 2 00 4 ri s in Nge o0 50 100 150 200 250 30 350 340 mg l niedrig mittel hoch UND NH N sehr hoch UND NH N sehr hoch UND NH N hoch UND NH N hoch UND NH N sehr hoch UND NH N hoch UND NH N sehr hoch UND NH N hoch ST Oin 03 00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 2224 mg l Zugeh rigkeitsfunktionen der Ein und Ausgangsvariablen der F2 Strategie DANN O hoch DANN O hoch DANN O mittel DANN O niedrig DANN O niedrig DANN O mittel DANN O mittel DANN O mittel DANN O niedrig DANN O niedrig Die ungleich verteilte Lage und die teilweise unsymmetrische Form der Zugeh rigkeitsfunk tionen im Bild 7 2 resultiert aus Bem hungen zur Verbesserung des Regelverhaltens Ausge hend von einer gleichm igen Verteilung mit symmetrischer Anordnung der Zugeh rigkeits funktionen wurden diese solange variiert bis ein zufriedenstellendes Ergebnis erreicht werden konnte Dieses Vorgehen ist blich beim Entwurf von Fuzzy Reglern Obwohl normalerweise unsinnige bzw identische Regeln eliminiert werden wurden hier alle zu Beginn gew hlten Zugeh rigkeitsklassen und Regeln w hrend der Untersuchungen mei
11. Asea n Ay projizierte effektive Absetzfl chen A r Bild 3 5 Erh hung der Absetzfl chen durch Lamellenabscheider Bild 3 5 zeigt dass bei einem LA die Absetzfl che f r die Sedimentation durch Neigen der Lamellen erh ht werden kann Die effektive Absetzfl che Asea betr gt Anzahl der Lamellen L nge der Lamellen 3 19 Breite der Lamellen y Neigungswinkel Asea n b l cosy TS Verkleinern des Neigungswinkels y bewirkt eine Erh hung der effektiven Absetzfl che Zu geringe Neigungswinkel verschlechtern jedoch den Abtransport der festen Phase aus den La mellen und erh hen die Gefahr des Verstopfens Bei Gegenstrom Lamellenabscheidern ist ein Neigungswinkel von 60 sinnvoll Pla 98 G R094 3 _ Leistungssteigerung von Kl ranlagen durch den Einsatz von Lamellenabscheidern 51 Eine Vergr erung der effektiven Lamellenfl che durch Verl ngern der Lamellen ist m glich jedoch wegen der gegebenen Beckentiefe begrenzt Der Lamellenabstand x sollte zwischen 40 und 100 mm liegen Lewi87 Kleine Abst nde f hren zwar zu einer kompakten Bauweise er h hen aber die Gefahr des Zusetzens oder Zuwachsens der Lamellen mit Belebtschlamm F r die LA der KA Netphen wurde x 100 mm gew hlt 3 3 3 Lamellenabscheider im Zulauf zur Nachkl rung In einem Forschungsvorhaben der Oswald Schulze Stiftung BuBo97 wurde untersucht ob mit Hilfe von Lamelleneinbauten die Trennleistung eines bestehenden Nachkl rbecke
12. druck soll auch hier verwendet werden 2 _ Abwasserreinigung aus regelungstechnischer Sicht Messgr e physikalische Abk rzung nn Messort Definition Anmerkung Einheit i Volumenbezogene Masse an Sauerstoff CSB ja O2 die der Masse an Kaliumdichromat Chemischer Zulauf quivalent ist welche unter definierten Sauerstoffbedarf AN f Bedingungen mit den im Wasser in mg l enthaltenen oxidierbaren Stoffen reagiert in mg l DIN 4045 CSB UV ja SAK Messung nach DIN 38404 C3 J Volumenbezogene Masse an O die f r den aeroben Abbau der in einem Liter Biochemischer Probewasser enthaltenen biochemisch Sauerstoffbedarf BSB ein Zulauf oxidierbaren Inhaltsstoffe in 5 Tagen bei in 5 Tagen 3 Ablauf der Stoffwechselt tigkeit von einer in mg l entsprechenden Mikrobioc nose bei 20 C summarisch verbraucht wird in mg l DIN 4045 Ammoniumstick Zulauf NH gt stoff in mg l an a Ablauf BB Mitea ekpo NO N ja Ablauf Nur im Jahr 2001 online gemessen in mg l BB Nitritstickstoff Zulauf in mg l NDEN nen Ablauf BB Nitrat und Nitrit Ablauf _ er gt stickstoff in mg l ION A BB NN ENGEN anorganischer 23 Ablauf u n Stickstoff inmg ee Ga BB Dae T NOEN TAREN organischer Zulauf Stickstoffinmg l Net nen Ablauf Gesamtstickstoff Zulauf 2 Nor in mg l S nem Ablauf OAS e A Sauerstoff in mg l 0O ja BB Ortho Phosphat PO P j
13. D S E S E 5 10 S z 4 I z 5 0 Bild 6 26 Ni I N ll ll EEA ih I I I min N _ i um I Jun 29 Jul 6 Jul 13 Jul 20 Jul 27 Aug 3 Aug 10 Aug 17 Aug 24 Aug 31 Sep 7 Sep 14 Sep 21 NH N Konzentration im Ablauf der Nachkl rung vom 29 06 27 09 1998 124 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 20 a Ze 1 aan a Ga 1 a a a a Sa a Vz al EU NOX Ablauf NOX N Konzentration in mg l T TEESE Be ee Baia lt F W PINI zz Fu Y In N aa ul 0 alle regal gr EE E Jun 29 Jul 6 Jul 13 Jul 20 Jul 27 _ Aug 3 Aug 10 Aug 17 Aug 24 Aug 31 Sep 7 Sep 14 Sep 21 Bild 6 27 NOx N Konzentration im Ablauf der Nachkl rung vom 29 06 27 09 1998 20 Bi nz zu Zn 15 E E 10 2 5 0 Jun 29 Jul 6 Jul 13 Jul 20 Jul 27 _ Aug 3 Aug 10 Aug 17 Aug 24 Aug 31 Sep 7 Sep 14 Sep 21 Bild 6 28 N Konzentration im Ablauf der Nachkl rung vom 29 06 27 09 1998 Bild 6 20 zeigt die Temperatur des Belebtschlamms im BB im 3 Quartal 1998 Tageszeitliche und saisonale Schwankungen sind deutlich zu erkennen Im 3 Quartal 1998 wurde der Wert von 12 C bereits Mitte September kurzzeitig unterschritten Der Volumenstrom im Ablauf der Nachkl rung Bild 6 21 indiziert Regenwetterphasen im Juli und im September 1998 Die Messkurve zeigt in diesen Zeitr umen keine ausg
14. NH4 N Zulauf BB 21 28 35 42 Bild 5 24 pH Wert im BB vom 30 09 bis 01 12 1996 5 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit intermittierender Nitrifikation und Denitrifikation 99 5 TS Gehalt BB 4 CAEN DEN 4 i 1 ORTE A PS DF WARME OA Li LER IB 173 EN OESIE A ERNEST P PEI IETEN PIET EPE IEEE AEE E OOIE SPET gt 3 2 NE IHld 000000 8 2 2 2222222 2 2 22222222202020020000 0 22222222222200200000 En I ne G i a NTT Ben 1 RS ONE VERMIETER PEREA REES URAN Sk REED E EAA E EVEI EEE E AE FERE IT A E ASEE EE EER S E A EEA EEE pa o 0 7 14 21 28 35 42 49 56 d 63 Bild 5 25 TS Gehalt im BB vom 30 09 bis 01 12 1996 m TEETE en S vum nam Bra man Burn mE E 60 IN iG pin J E D 2073 TSG THU NLA TER H S POE E ee euere nn en EE ae E Pe 0 0 7 14 21 28 35 42 49 56 d 6 Bild 5 26 CSB Konzentration im Ablauf der Nachkl rung vom 30 09 bis 01 12 1996 O menu M nam D sms innen nenn ann EO a a G o u CA a A i u I Il m INN III ga i 0 7 14 21 28 35 42 49 56 d 6 Bild 5 27 NH N Konzentration im Ablauf der Nachkl rung vom 30 09 bis 01 12 1996 100 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 20 Nanorg Ablauf NOX N Ablauf Konzentrationen in mg l TETE R N mM Mm M Mh N Am In N Bild 5 28 NO N
15. che Eine weitere m gliche Ursache f r den nicht ganz zufrieden stellenden Abscheidegrad des LA liegt in den gro en Abmessungen der Einheiten im Vergleich zum recht schmalen Umlaufgraben der KA Netphen Die Einbau ten f hrten zu einer deutlichen Verringerung Bild 3 17 Hydraulischer Engpass zwischen des freien Str mungsquerschnitts und somit Sammler und Zulauf zur NK zu einer hohen Au enstr mung Es ist denk bar dass dieser Zusammenhang die Str mungsverh ltnisse in der Einlaufzone im unteren Be reich der Lamellen negativ beeinflusst so dass dort ung nstige Bedingungen f r die Sedimen tation entstehen Letztlich f hrt dies zu einer Vergr erung der Einlaufzone bzw Beruhi gungszone wodurch die verbleibende effektive Sedimentationsfl che verkleinert wird Man gels geeigneter Messtechnik konnte diese recht plausible These nicht berpr ft werden 3 6 Messtechnische Analyse des Abscheidegrades Die im Folgenden abgebildeten Ganglinien der TS Gehalte der Schlammindices und des Ab scheidegrades der Lamellenabscheider basieren auf vom Kl ranlagenpersonal t glich ermittel ten Stichproben Die gezeigten Volumenstromganglinien stammen aus Online Messungen 3 _ Leistungssteigerung von Kl ranlagen durch den Einsatz von Lamellenabscheidern 59 3 6 1 Ergebnisse aus dem Jahr 1998 100 BERZZELETZLZILE SZENE ERTEIRZEERUEN RE RE Qabla i i Bi E E kui 80 H i 1 i 2 S 6o Mi
16. len dass die Grundlast tats chlich von den Kreiseln abgedeckt und nur bei Spitzenlasten die Reinsauerstoffbegasung zugeschaltet wird Das naheliegendste Kriterium zur Definition des Falls berlastung der Kreisel ist die aktu elle Frequenz der Kreisel Im Schaltkriterium Bild 6 33 wurde zun chst der folgende Ansatz f r den Umschaltvorgang festgelegt e Wenn ihre Frequenz 50 Hz Maximalwert betr gt sind die Kreisel berlastet und es muss zus tzlich Reinsauerstoff eingetragen werden Hierf r wird die Kreiselfrequenz f r den n chsten Abtastschritt fest auf den Maximalwert gestellt Die geregelte Zusatz begasung wird eingeschaltet e Solange die geregelte Zusatzbegasung Stellgr en gr er Null generiert bleibt sie eingeschaltet und die Kreisel werden mit Maximaldrehzahl betrieben e Wenn der Volumenstrom der Reinsauerstoffbegasung Stellgr e Null ist und die Frequenz der Kreisel 50 Hz betr gt sind die Kreisel nicht mehr berlastet F r den n chsten Abtastschritt werden die Kreisel wieder geregelt betrieben Der bei dieser Umschaltstrategie zun chst bef rchtete h ufige Wechsel zwischen den Be triebsarten reine Kreiselbel ftung und Zusatzbegasung blieb aus Der Betriebspunkt des 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 131 Umschaltens wurde sowohl morgens beim Einschalten der Zusatzbegasung als auch nach mittags beim Ausschalten der Zusatzbegasung sehr z gig durc
17. molekularen Stickstoff N durchf hren 4ANO 4H 5C 2N 2H O 5CO Denitrifikation 2 5 Der gasf rmige molekulare Stickstoff N entweicht in die Umgebungsluft Wie die Reaktions gleichung 2 5 zeigt m ssen ausreichend organische Kohlenstoffverbindungen org C als Substrat im System vorhanden sein evtl muss org C aus externen Quellen zudosiert werden Hoen97 Durch ein Ungleichgewicht zwischen gebildeten und ben tigten H Ionen kann sich der pH Wert im BB ver ndern wenn die Pufferkapazit t des Abwassers nicht ausreicht KoSt93 Ein zu saures oder zu alkalisches Milieu sch digt die Mikroorganismen im Belebt schlamm was die Abwasserreinigungsprozesse negativ beeinflusst deshalb sollte der pH Wert im BB zwischen 6 und 10 liegen ATV95 Auch die Temperatur des Belebtschlamms 1 Nitrosomonas und Nitrobacter werden im Folgenden als Nitrifikanten bezeichnet 2 _Abwasserreinigung aus regelungstechnischer Sicht 15 hat wesentlichen Einfluss auf die Reinigungsprozesse Die Nitrifikation und Denitrifikation findet erst bei ausreichend hohen Abwassertemperaturen statt Deshalb m ssen die NH N und N berwachungswerte nur bei Abwassertemperaturen von mehr als 12 C im Be lebungsbecken oder nur in bestimmten Monaten des Jahres eingehalten werden z B von Mai bis Oktober Um die Nitrifikation und Denitrifikation in Anlagen mit nur einem Belebungsbecken zu er reichen m ssen entweder rtliche Bereiche
18. 6 2 Das SymBio Verfahren mit zus tzlicher Reinsauerstoffbegasung Die im Kapitel 6 1 angesprochene berlastung der Oberfl chenbel fter und die daraus resul tierende berschreitung des angestrebten NH N berwachungswertes machte eine Erh hung der Bel ftungskapazit t der KA Netphen n tig Weil die Bel ftungseinrichtungen aus den im Kapitel 5 beschriebenen Feldversuchen noch installiert waren wurden sie zu diesem Zweck wieder in Betrieb genommen Wegen der hohen Kosten f r den Reinsauerstoff wurde be schlossen die Grundlast des Sauerstoffbedarfs mit den Oberfl chenbel ftern abzudecken und nur bei deren berlastung und unter Ber cksichtigung weiterer Kriterien zus tzlich mit Reinsauerstoff zu begasen Bild 6 32 zeigt das Blockschaltbild des SymBio Verfahrens mit zus tzlicher Reinsauerstoffbegasung Die Eigenschaften des Schaltkriteriums f r die Um schaltung von Kreiselbel ftung auf Zusatzbegasung mit Reinsauerstoff sowie das Ausschalten dieser Zusatzbegasung ist im Bild 6 33 als Logikplan dargestellt 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 129 NH N Messung u k 1 Sauerstoffregler f r die Zusatzbel ftung Aktivit ts Sauerstoffregler f r Regelstrecke regler die Kreisel Belebungs becken und Bel ftungs einrichtungen O Messung Aktivit ts messung Bild 6 32 Blockschaltbild des SymBio Verfahrens mit zus tzlicher Reinsauerstoffbeg
19. Bereich des Zulaufes grunds tzlich ein Potenzial zur Verbesserung der Denitrifikationsvor g nge im BB ergibt Die im Bild 2 13 gezeigte rtliche und zeitliche Verteilung der O Konzentration im BB der KA Netphen belegt einige Unzul nglichkeiten in der bis 1996 auf der KA Netphen eingesetz ten Festwertregelung O Sollwert von 2 mg l an Messstelle 7 So liegt die O Konzentration w hrend der Nachtstunden im gesamten BB auf sehr hohen Werten weil die gew hlten Stell glieder nicht in der Lage sind ausreichend kleine Stellgr en zu generieren Die O Konzen tration zur Tagesmitte hingegen ist zu gering hier sind die Stellglieder berlastet 2 3 5 Zeitvarianz Die Temperaturabh ngigkeit der biologischen Vorg nge in der Belebtschlammbioz nose hat einen Einfluss auf die Sauerstoffzehrung Bei niedrigen Abwassertemperaturen ist sie geringer als bei hohen Temperaturen Diese Eigenschaft kann als Zeitvarianz bezeichnet werden Sie u ert sich in einer saisonalen Beeintr chtigung der Reinigungsleistung der Kl ranlage und des Verhaltens des geregelten Systems Durch die grunds tzlich geringere O Zehrung bei niedrigen Temperaturen tritt die oben beschriebene Problematik der unter bestimmten Be dingungen sehr gro en Streckenverst rkung bevorzugt im Winter auf In der Regelungsstrate gie k nnen derartige Besonderheiten z B durch Parameter Scheduling ber cksichtigt werden siehe Kapitel 7 Der zeitvariante Einfluss der Abwassert
20. Bild 3 2 Widerstandsbeiwert bei Umstr mung einer Kugel nach ScKu89 modifiziert Man unterscheidet f nf Bereiche e F r sehr kleine Reynoldszahlen Re lt 1 schleichende Str mung l sst sich die Kennli nie nach Stokes unter Vernachl ssigung der Tr gheitsglieder in der Navier Stokes Gleichung durch eine Hyperbelgleichung ann hern 3 Leistungssteigerung von Kl ranlagen durch den Einsatz von Lamellenabscheidern 45 24 Re C 3 14 F r einen bergangsbereich mit laminarer Grenzschicht bei Reynoldszahlen 1 lt Re lt 10 wurden zahlreiche N herungsgleichungen empirisch ermittelt Beispiels weise gilt nach Kask70 in diesem Bereich Gy Re Re 0 4 3 15 F r gr ere Reynoldszahlen bis zur kritischen Reynoldszahl von 3 10 ergibt sich ein ann hernd konstanter Widerstandswert von etwa 0 4 Bei der kritischen Reynoldszahl f llt der Widerstandsbeiwert deutlich auf Werte von etwa 0 08 Hier findet der Umschlag von laminarer in eine laminar turbulente Grenz schichtstr mung statt Im turbulenten Bereich steigt der Widerstandsbeiwert zun chst an bis er im trans kritischen Bereich einen konstanten Wert von 0 2 erreicht Pla 98 3 2 6 Besonderheiten der Suspension Belebtschlamm Im Gegensatz zu den im vorhergehenden Abschnitt gemachten idealisierten Annahmen besit zen Belebtschlammflocken eine unregelm ige Oberfl che sind deformierbar haben unterschiedliche G
21. Fr hjahr 1996 Die Kl ranlage Netphen wurde 1996 vom 22 04 bis 23 06 zeitgesteuert intermittierend be trieben Vom 22 04 bis 20 05 galt 7 2h 7 0 5h und vom 20 5 bis 23 06 7 1 5h Tpe 0 67h Die Bilder 5 7 bis 5 14 zeigen die in diesem Zeitraum gemessenen Rand bedingungen Ablaufvolumenstrom pH Wert im Zulauf zum BB Temperatur im BB die der 5 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit intermittierender Nitrifikation und Denitrifikation 85 Anlage zuflie enden Schmutzkonzentrationen und die Regel und Stellgr en sowie Ablauf konzentrationen Volumenstrom in l s 100 80 60 40 Temperatur in C 20 Q Ablauf Temperatur BB HR HERT H N u 0 7 14 21 28 35 42 49 56 d 63 Bild 5 7 Volumenstrom im Ablauf der Nachkl rung und Temperatur im BB vom 22 04 bis pH Wert 0 7 14 21 28 35 42 49 Bild5 8 pH Wert im Zulauf zum BB und im BB vom 22 04 bis 23 06 1996 CSB Konzentration in mg l 2000 1500 1000 500 0 23 06 1996 pH Zulauf BB pH BB Messfehler Drift o D E A lt gt St rfall 17 T CSB Zulauf BB i i l 0 7 14 21 28 35 42 49 56 d 63 Bild 5 9 CSB Konzentration im Zulauf zum BB vom 22 04 bis 23 06 1996 86 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 80 NHA N Zulauf BB l 70 60 50 pepe E aaa mu r
22. Fsg Krewe MAR 0 m f 8 R nn a n n2n nn n n n n n nn 0ne Tee 3 Il Nnosnse mis nn nnd hu tn tee arena men o LF BB Sns 209 amp 0 600 500 1000 1200 100 1600 1000 2000 2200 2400 2600 2600 3000 haan EE A Em TESTER K pee az FE lal Tempe BB 1629 OdKm Bo ln auszumasahine E E Aka MEZ ge BT Okon 2 B Ze kp In Tv Sosi PN NHEN zu EEJ Regepaanete Maien atwert NHENGB 234 a a Ro bio um AD D aN Sulz Keisi D pi rseson rw Te Tv Seka Matten 100 f i 19 amp 3 E 0g a 5 5 831 e Steig Kreisel S000 Steig Matten 20 00 w T n n D n n 5 i Pen e noana eama 200 40 ew ED 100 120 1409 1600 100 W0 2700 M00 200 2809 ac c oa nn Smo isoa Ei amne meno E Maas aaa A eia EEE Ti SQ berlsmung 100 were hedi Bild 6 40 Bedienoberfl che zur Prozessf hrung von Kl ranlagen 6 2 2 Vermeidung von Instabilit t durch Parameter Scheduling Eine Forderung nach einer bei Schmutzsto ausreichend schnellen mit konstanten Reglerpa rametern ausgelegten Regelung die in Schwachlastphasen nicht instabil wird birgt in sich widersprechende Anforderungen an den Regler bzw seine Parameter Diese Anforderungen lassen sich wegen des zeitvarianten und nichtlinearen Streckenverhaltens mit einer derarti gen Regelung nicht erf llen Die zeitvarianten und nichtlinearen Eigenschaften der Regel strecke k
23. n kungen durchaus eine relative jedoch nicht ohne Weiteres eine absolute Aussage ber die Vorg nge im BB m glich zu sein Vergleicht man die Zeitverl ufe der Aktivit t und der Zu standsgr e TS Gehalt im BB Bild 6 8 ergeben sich teilweise recht gute positive Korrela tionskoeffizienten zwischen diesen Messgr en zu Beginn und am Ende der Ganglinien In gewissen Abschnitten ist diese Korrelation jedoch eher gering teilweise sogar negativ Im Bild 6 8 wurden die Korrelationskoeffizienten f r l ngere Zeitr ume ermittelt Bild 6 9 zeigt die jeweils ber einen Tag ermittelten Korrelationen die zum Teil von Tag zu Tag deutlich variieren 1000 7 7 10 Aktivit t BB 0 6599 lt gt lt gt lt gt 800 h 0 5519 SEE 0 0879 i 0 5844 M e 1 0 8 B B00 sum lenehinauun tin M woi Mo nn ern 16 F i i p 8 Det z gt peh je 400 Y D Peetnnsmenese ym C Skkessiirse o aaa 77 TEET mp7 F7 4 200 L e u i E D Ausfall der DER Fre ST ee eg e a a ae at 2 L i atene assung lt St rfall 0 L L L i L L L L L i L L L L L L i yoi i i 1 l i i i i L L i L L L L L L i L L L L L L i L L 0 Aug 11 Aug 18 Aug 25 Sep 2 Sep 9 Sep 16 Sep 23 Bild 6 8 Belebtschlammaktivit t und TS Gehalt im BB vom 07 08 27 09 1998 112 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 0 5 0 5 Kreuzkorrelationskoeffizient oO a
24. nderungen der Kreisel ist ein h he rer Verschlei zu erwarten Bei derartigen Regelungen tritt ein weiteres Problem auf F r den morgendlichen Schmutz sto bedingt vor bergehend eine sehr kleine Streckenverst rkung ist die Regelung nicht an gemessen entworfen sie reagiert zu langsam Bild 2 18 zeigt dass dann eine gro e Regel abweichung auftreten kann 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 O2 Konzentration in mg l 0 1 O2 Regelgr e O2 F hrungsgr e 1 1 1 1 1 ji 1 1 0 4 8 12 16 20 h 24 Bild 2 18 Gro e Regelabweichungen bei Auftreten des morgendlichen Schmutzsto es 0 Durch die zu niedrigen O Konzentrationen im BB wird insbesondere die Nitrifikations leistung zum Teil sehr deutlich verschlechtert F r ausreichend bemessene Kl ranlagen sind die oben beschriebenen Probleme bez glich der Einhaltung der berwachungswerte generell von untergeordneter Bedeutung F r berlastete Kl ranlagen wie die KA Netphen ergibt sich gerade durch die Behebung dieser regelungstechnischer Unzul nglichkeiten ein gro es Potenzial zur Leistungssteigerung von Kl ranlagen 2 5 Eine Besonderheit des biologischen Stickstoffabbaus Ein weiterer wichtiger Aspekt f r den Entwurf des Regelkreises resultiert aus einer Besonder heit der Stickstoffelimination die obwohl aus den Reaktionsgleichungen 2 2 bis 2 4 er sichtlich hier explizit genannt werden soll
25. nnen aber durch zeitvariable Reglerparameter ber cksichtigt werden Eine zeitvariable Auslegung der Reglerparameter zur Ber cksichtigung sich ndernder Strec kenparameter ist durch Gain Scheduling bzw Parameter Scheduling AsWi89 Heis95 m glich Hierbei werden die Reglerparameter in Abh ngigkeit eines Parameters z B Regel abweichung Zustandsgr en St rgr en oder andere sinnvoll ver ndert Weil das dynamische Verhalten der Regelstrecke Belebungsbecken haupts chlich von den Zulaufbedingungen beeinflusst wird und diese insbesondere vom Verhalten der Menschen in den an das Kanalnetz angeschlossenen Haushalten und Industriebetrieben bestimmt werden 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 137 ist es sinnvoll aus dieser Ursache ein Kriterium zur Adaption der Reglerparameter zu formu lieren Wie bereits angesprochen l sst sich das menschliche Verhalten sehr leicht anhand der Tageszeit klassifizieren Somit ist ein Parameter Scheduling zur Vermeidung von Instabilit t allein unter Ber cksichtigung der Tageszeit hinreichend In Schwachlastphasen wird die Reg lerverst rkung verringert und die Nachstellzeit vergr ert zum Zeitpunkt des Schmutzsto es wird umgekehrt vorgegangen um das ver nderte Streckenverhalten insbesondere die deutlich kleinere Streckenverst rkung zu ber cksichtigen F r das Parameter Scheduling wurde ein Tag in mehrere Zeitabschnitte unterteilt Tabelle 6 1 zeigt
26. ranlage KA vorhandenen Potenzials zur Leis tungssteigerung stellt einen solchen Weg dar Die Investitionskosten solcher Ma nahmen be tragen nur einen Bruchteil derjenigen f r einen Neubau oder eine umfangreiche bauliche Er weiterung Die Investitionssumme f r die auf der KA Netphen eingesetzten Lamellenabschei der inklusive der notwendigen Umbauten und die Regelungstechnik belief sich auf insge samt weniger als 750 000 DM F r den Neubau der Anlage waren zun chst 18 Mio DM ver anschlagt Dieser Betrag wurde zwischenzeitlich reduziert lag aber immer noch deutlich ber dem gesch tzten Betrag f r einen m glichen alternativen Anschluss des Kanalsystems der Stadt Netphen an eine andere Kl ranlage etwa 7 Mio DM Mit dieser Arbeit konnte bewiesen werden dass die nachhaltige Leistungssteigerung einer berlasteten kommunalen Kl ranlage allein durch den Einsatz von Lamellenabscheidern im Belebungsbecken und Anwendung einer intelligenten Prozessf hrungsstrategie m glich ist Mehrj hrige und sehr umfangreiche Vorarbeiten waren n tig bis schlie lich eine zuverl ssige L sung gefunden werden konnte Im Einzelnen wurden die folgenden F amp E Projekte realisiert die zu den genannten Ergebnissen bzw Erkenntnissen f hrten e Versuche mit dem BIOX N Verfahren im Jahre 1996 zeigten vielversprechende Er gebnisse jedoch waren die Kosten f r die Reinsauerstoffbegasung zu hoch In diesen Versuchsreihen wurde klar dass ohne die Ste
27. sehr kleine O F hrungsgr en bei geringen NH Zulauffrachten um dann die Denitrifikation zu f rdern 148 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen wobei die Nitrifikation nicht vollst ndig unterdr ckt werden darf Verfahrenstechnisch ist dieser Ansatz zwischen der intermittierenden und der klassischen simultanen Betriebsweise mit konstanter O F hrungsgr e anzusiedeln Tats chlich handelt es sich ebenso wie beim SymBio Verfahren um eine simultane Nitrifikation und Denitrifikation mit zeitvariabler O F hrungsgr e Im Idealfall befindet sich in den fr hen Morgenstunden so gut wie kein Ammonium und Ni trat im BB Derartige Bedingungen sind anzustreben und verhindern die im Kapitel 6 2 3 an gesprochene Anreicherung eines der Schadstoffe unter gewissen Randbedingungen die ber l ngere Zeitr ume betrachtet zur berschreitung eines berwachungswertes f hren kann Der im Folgenden pr sentierte Ansatz f r die zeitvariable Vorgabe der O F hrungsgr e zielt weniger auf eine Einsparung von Energiekosten sondern mehr auf ein sicheres Einhalten der NH N und N berwachungswerte Er basiert auf einer gezielten Bevorzugung der Ni trifikation gegen ber der Denitrifikation bzw der Denitrifikation gegen ber der Nitrifikation bei bestimmten Betriebsbedingungen gem der o g Vorgaben Dieser Ansatz gilt zun chst f r Kl ranlagen mit Umlaufgraben ist jedoch prinzipiell auf alle
28. sspe een 40 30 NH4 N Konzentration in mg l 20 MSI V Am MN Ea 5 T T j T T T Ts BB TS Gehalt in g l 0 Bild 5 11 TS Gehalt im BB vom 22 04 bis 23 06 1996 150 T T T T Q02 s l 5 100 isses ee Susnoissesietieseaz en Ma LE HE Me AE 4 EHREBEmE Mil u d i i H E i i i l amp E i Beginn der E Messdatenerfassung 2 F 2 ee Be re t ol i i i i 0 7 14 21 28 35 42 49 56 d 63 Bild 5 12 O Volumenstrom im BB vom 22 04 bis 23 06 1996 Stellgr e 5 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit intermittierender Nitrifikation und Denitrifikation 87 120 CSB Ablauf 100 i fehlerhafte y an a Ze an i x Messungen i E 80 S c Re E E 60 N g O u a 40 1 o fl 20 0 i i i 0 14 21 28 35 42 56 d 63 Bild 5 13 een im Ablauf der Nachkl rung vom 22 04 bis 23 06 1996 30 T i T T T T T NH4 N Ablauf l N Nanorg Ablauf ZT fehler
29. ten nachts stark ansteigenden Verl ufen in den fr hen Morgenstunden und abfallenden Wer ten nach Erreichen eines Maximums Auch die zuvor angesprochene au ergew hnliche Kon zentrations und Frachtspitze im Verlauf der Ganglinien bei einem pl tzlichen Regenereignis tritt auf Die CSB und NH N Ganglinien sind somit grunds tzlich sehr hnlich Die Kennt nis dieses t glich auftretenden allerdings unterschiedlich stark ausgepr gten Verhaltens sollte 12 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen bei der Prozessf hrung von Kl ranlagen im Regelungskonzept ber cksichtigt werden Beson ders bei kleineren Anlagen ist dies sinnvoll weil sie blicherweise ber ein verh ltnism ig kleines Kanalnetz versorgt werden Hier kommt es kaum zu Vergleichsm igungseffekten wie dies bei Anlagen mit weit verzweigten Kanalsystemen m glich ist 2 2 Das Belebungsverfahren Das in Deutschland am h ufigsten angewandte Verfahren zur Abwasserreinigung ist das Be lebungsverfahren Weitere Verfahren sind Tropfk rperverfahren Tauchk rperverfahren Ab wasserreinigung in Pflanzenkl ranlagen anaerobe Verfahren in Industriekl ranlagen sowie weitere Verfahren oder Verfahrenskombinationen Hier soll ausschlie lich das Belebungsverfahren vorgestellt werden was in vielen Varianten siehe Kapitel 2 2 2 weltweit angewendet wird Im Wesentlichen geschieht die Abwasserrei nigung in drei Verfahrensstufen e Mechan
30. uft Als Folge werden gr ere Mengen lediglich mechanisch gereinigten jedoch stark verd nnten Mischwassers an der Anlage vorbei in den Vorfluter 4 Die Kl ranlage Netphen Ir geleitet Somit durchl uft nur ein Teil der zulaufenden Schmutzfracht die Kl ranlage was verglichen mit dem Belastungsfall Trockenwetterzulauf zu einer niedrigeren NH N bzw CSB Fracht Belastung f hrt Somit ist f r die KA Netphen Trockenwetterzulauf insbeson dere bez glich des Stickstoffabbaus der kritischere Belastungsfall Der Frachtabschlag in den Vorfluter bei Regenwetterzulauf ist zwar durchaus im Sinne der Anlagenbetreiber deren prim re Aufgabe die Einhaltung der berwachungswerte ist aus Ge sichtspunkten des Umweltschutzes ist es jedoch h chst unbefriedigend Eine L sung diese Problems liegt in der Sanierung des die KA Netphen mit Abwasser versorgenden Kanalnet zes um das Eindringen von Fremdwasser zu unterbinden Eine Ma nahme die zuk nftig ge plant ist aber naturgem einen gr eren Zeit und Kostenaufwand erfordert 78 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 5 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit intermittierender Nitrifikation und Denitrifikation 79 5 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit intermittierender Nitrifikation und Denitrifikation Eine m gliche Ma nahme den Stickstoffabbau bei nitrifizierenden Kl ranlagen zu verbessern und einen gr eren Umbau der Kl ranlage zu
31. und Keen nein im Aue der a vom 30 09 bis 01 12 1996 Die Volumenstromganglinie Bild 5 22 belegt dass im Untersuchungszeitraum im Wesentli chen Regenwetterzulauf herrschte Lediglich zu Beginn der Messkampagne kam es ber einen l ngeren Zeitraum zu Trockenwetterzulauf Die Temperatur im BB Bild 5 22 unterschritt bereits Mitte Oktober erstmals 12 C rote Linie pendelte jedoch in den folgenden Wochen um diesen Wert Erst Mitte November wurden 12 C dauerhaft unterschritten Die CSB Konzentration im Zulauf zum BB wurde zwar gemessen jedoch konnten wegen massiver Probleme mit dem Analysator keine zusammenh ngenden Ganglinien ermittelt wer den Deshalb kann hier keine CSB Zulaufganglinie gezeigt werden Auch bei der Messung der NH N Konzentration im Zulauf zum BB traten Probleme auf Bild 5 23 enth lt lediglich Messwerte aus dem letzten Drittel des Untersuchungszeitraumes Verglichen mit den Messun gen aus dem Fr hjahr 1996 wurden hier relativ geringe Konzentrationen gemessen Die Ursa che lag auch hier im bereits angesprochenen Verd nnungseffekt des zulaufenden Abwas servolumenstroms Ein Vergleich mit Bild 5 22 macht deutlich dass im betreffenden Zeit raum eindeutig Regenwetterzulauf herrschte Der pH Wert im BB im Zulauf zum BB wurde nicht gemessen lag knapp im neutralen bis leicht sauren Bereich Bild 5 24 und ist somit den im Fr hjahr 1996 gemessenen Werten ver gleichbar Der TS Gehalt im BB Bild
32. 1998 begannen deckt die Abszisse der Bilder 3 18 bis 3 21 das gesamte Jahr 1998 ab Hierdurch wird der Vergleich mit den vollst ndigen Jah resganglinien von 1999 2000 und 2001 erleichtert siehe Kapitel 3 6 2 bis 3 6 4 Die Ganglinie des Volumenstroms im Ablauf der Nachkl rung Bild 3 18 belegt eine l ngere Regenwetterperiode Anfang September im Oktober und im Dezember 1998 Von Mai bis Ende August herrschten Trockenwetterzulauf bzw gemischte Zulaufbedingungen Bereits vor der Installation der Lamellenabscheider im Juni 1998 wurde der TS Gehalt im BB gemessen Bild 3 19 Er lag zun chst bei ungew hnlich niedrigen Werten zum Teil unter 1 g l bei gleichzeitig sehr hohen Schlammindices Bild 3 21 Wegen der drohenden Gefahr des Schlammabtriebs entschied sich der Anlagenbetreiber die Belebtschlammkonzentration sehr niedrig zu halten Die Ursachen der schlechten Absetzeigenschaften konnten nicht ermittelt werden Nach Inbetriebnahme der Lamellenabscheider im Juni 1998 wurde der TS Gehalt im BB erh ht wobei der Schlammindex deutlich sank Bild 3 21 Anfang August 1998 erreichte er etwa den angestrebten Wert von 5 g l Mitte bis Ende Juli 1998 lag der Schlammindex im Ablauf des Belebungsbeckens interessan terweise signifikant niedriger als im BB Diese Beobachtung widerspricht den in BuBo97 beschriebenen Erfahrungen wonach der Schlammindex des den Lamellenabscheider ver lassenden Belebtschlamms z T h he
33. 27 09 1998 100 a il a E A mp p aa ne nn p N If 5 A Bild 6 23 NH N Konzentration im Zulauf zum BB vom 29 06 27 09 1998 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 123 45 D E c S S v2 5 410 N c O u x I zZz I ali ll tai Ju 6 Jul 13 Jul 20 Jul 27 Aug 3 Aug 10 Aug 17 Aug 24 Aug 31 Sep 7 Sep 14 Sep 21 Bild 6 24 NH N Konzentration im BB vom 29 06 27 09 1998 20 15 E S Q g 5 10 N x x O zZ 5 0 en een E r Jun 29 Jul 6 Jul 13 Jul 20 Jul 27 Aug 3 Aug 10 Aug 17 Aug 24 Aug 31 Sep 7 Sep 14 Sep 21 Bild 6 25 NOx N Konzentration im BB vom 29 06 27 09 1998 20 15
34. Abh ngigkeit der Querschnittsform nach Bill79 44 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Die Froudezahl Fr beschreibt das Verh ltnis der auf die Oberfl che eines umstr mten K rpers wirkenden Tr gheitskraft zu seiner Schwerkraft 2 6 Fr gZ R 3 13 Nach Fisc55 wird f r Fluidtemperaturen von ca 10 bis 20 C eine kritische Reynoldszahl Re lt 500 und eine kritische Froudezahl von Fr 210 f r eine zufriedenstellende Ab scheidung der Feststoffe gefordert Bill79 Die Gleichungen 3 11 und 3 13 machen deutlich dass f r vorgegebene Flie geschwindigkeiten und Fluideigenschaften allein die Vor gabe kleiner hydraulischer Radien die Forderung nach einer m glichst kleinen Reynoldszahl und einer m glichst gro en Froudezahl erf llt In Bill79 findet sich ein Berechnungsansatz zur Auslegung von Lamellenabscheidern der auf dieser Forderung basiert und sich mit dem Einsatz von Lamellenabscheidern im Ablauf der Vor oder Nachkl rung von Belebungsanla gen besch ftigt Die Besonderheiten des Einsatzes im Belebungsbecken mit vergleichsweise turbulenter Au enstr mung und hohen Feststoffkonzentrationen werden dort nicht explizit ber cksichtigt 3 2 5 _Widerstandsbeiwert und Reynoldszahl Den Einfluss der Reynoldszahl auf den Widerstandsbeiwert zeigt Bild 3 2 exemplarisch f r die Umstr mung einer Kugel 100 10 0 1 0 01 01 1 10 10 10 10
35. Analyse kommunaler Kl ranlagen durch Seibert Seib92 die Entwicklung von Prozessf h rungsstrategien f r die biologische Stickstoff und Phosphorelimination durch Hoen Hoen97 und die weiterf hrenden Arbeiten von Schuhen ScK 97 zu nennen Auch die st rker mess technisch orientierten Dissertationen von Zoll Zoll97 und H ck H ck98 lieferten Anregun gen zur vorliegenden Arbeit Die im Kapitel 3 vorgestellten Lamellenabscheider werden bereits seit langer Zeit in verfah renstechnischen Anlagen eingesetzt Auch in der Abwassertechnik sind diese Einbauten seit l ngerem bekannt Grundlegende theoretische Untersuchungen zum Absetzverhalten von Feststoffen in einem fl ssigen Medium wurden bereits 1904 von Hazen ver ffentlicht zitiert u a in BiWi83a Bez glich der theoretischen Untersuchung der Vorg nge in Lamellenab scheidern ist aus dem deutschsprachigen Raum insbesondere Binder Bind80 bzw Binder und Wiesmann BiWi83a BiWi83b zu nennen Billmeier gibt in einer Ver ffentlichung Bill79 Berechnungsans tze zur Auslegung dieser Einbauten Bereits 1974 berichten Heckel und Korn HeK074 vom Einsatz von Lamellenabscheidern zur Leistungssteigerung von Kl r anlagen In der Abwassertechnik beziehen sich die Literaturquellen bis 1996 ausschliesslich auf den Einsatz von Lamellenabscheidern im Ablauf der Nachkl rung oder der Vorkl rung von Kl r anlagen Krogh Andersen Krog96 berichtet erstmals vom Einsatz eines Lamellenabs
36. Ba De Be k g ra TTTTTT a J 45 Lauda dal En a Er een ren ae ur rein Aug 11 Aug 18 Aug 25 Sep 2 Sep 9 Sep 16 Sep 23 Bild 6 9 Korrelationskoeffizient auf Tagesbasis zwischen der Belebtschlammaktivit t und dem TS Gehalt im BB vom 07 08 27 09 1998 Allerdings erfasst der Parameter TS Gehalt lediglich die Feststoffkonzentration des Belebt schlamms und macht nur eine begrenzte Aussage ber dessen F higkeit Abwasserinhalts stoffe biologisch abzubauen Somit kann ein steigender TS Gehalt bei gleichzeitig sinkender Belebtschlammaktivit t bedeuten dass sich im Belebtschlamm eine hohe Konzentration mi neralischer Stoffe und abgestorbener inaktiver Biomasse befindet Somit ist zumindest der im Bild 6 8 gekennzeichnete Bereich geringer Korrelation durchaus plausibel es handelt sich hier um die Auswirkungen des im Kapitel 3 6 beschriebenen St rfalls Eintrag von Baugru benschlamm vergleiche auch Bild 6 9 Die Ursache niedriger Belebtschlammaktivit t kann eine z B durch einen St rfall gesch digte Bioz nose sein Aufgrund der Methodik der O F hrungsgr engenerierung des Sym Bio Verfahrens f hrt dies dann zwangsl ufig zu niedrigen O Konzentrationen im BB ber l ngere Zeitr ume und somit zu ung nstigen Bedingungen f r den Schadstoffabbau sowie f r die Regeneration der Bioz nose Dies ist ein erster Hinweis auf eine systematische Unzul ng lichkeit der beim SymBio Verfahren gew hlten Art der O F hrungs
37. Belebtschlamms unterliegen Ein weiteres Problem ergibt sich bei Kl ranlagen mit Kreiselbel ftung Diese Stellglieder be einflussen die Umlaufgeschwindigkeit des Belebtschlamms im BB Wie bereits erl utert n dert sich die Totzeit zwischen Stellort und Messort auch dadurch wird eine wie auch immer zu definierende optimale Reglereinstellung erschwert 2 4 1 M gliche Regler und Regelkreisstrukturen Trotz des stark nichtlinearen Charakters der Regelstrecke werden in der Praxis meist lineare PID Regler eingesetzt Bei kleineren Kl ranlagen sind sogar schaltende Regler h ufig ATV95 Zwei oder Mehrpunktregler mit Hysterese blicherweise werden die Regler mit konstanten Parametern ausgelegt obwohl die Regelung den unterschiedlichsten Anforderun gen gerecht werden m ssen Das dieses Ziel mit den in der Praxis gew hlten Reglern h ufig nicht erreicht werden kann ist angesichts der aus regelungstechnischer Sicht anspruchsvollen Streckeneigenschaften auch wenig verwunderlich Die besonderen Eigenschaften dieser Re gelstrecken erfordern somit grunds tzlich besondere Regelungsstrategien Weil die eigentlich interessierenden Regelgr en NH N und N Konzentrationen nur indi rekt im Wesentlichen und fast ausschlie lich ber die ebenfalls zu regelnde Sauerstoffkon zentration im BB beeinflusst werden kann ist der Einsatz einer Kaskadenregelung nahelie gend Im berlagerten Regelkreis wird unter Ber cksichtigung einer Me
38. Betriebspersonal wird lediglich ber die Meldung Notbetrieb auf dem Bildschirm des zur Prozessf hrung genutzten PCs auf ein Problem hingewiesen Normalbetrieb a Tageszeitabh ngige erste R ckfallebene Vorgabe der O F hrungsgr e r ZN zweite R ckfallebene vY manuell N A automatisch Bild 7 23 Sicherheitskonzept der Prozessf hrung Der Betrieb der KA Netphen mit der F2S Strategie oder dem SymBio Verfahren kann vom Bediener manuell vorgegeben werden Die automatische Umschaltung zwischen Normalbe trieb und den R ckfallebenen basiert ausschlie lich auf der Abfrage von Statussignalen der relevanten Messger te Es wird nur der Fall einwandfreier Betrieb und unplausibler Mess wert unterschieden Letzterer tritt auf wenn das Messger t ausf llt kalibriert gewartet oder 7 Weiterf hrende Regelungskonzepte 173 seine Messsonde automatisch gesp lt wird n heres im Kapitel 7 4 2 Abgefragt werden die Statusmeldungen der f r das gew hlte Regelungskonzept relevanten Messger te NH N NO N und O Konzentration im BB f r die F2S Strategie bzw Belebtschlammaktivit t und O Konzentration im BB f r das SymBio Verfahren Meldet einer der f r die O F hrungs gr envorgabe ben tigten Messger te den Fall unplausibler Messwert wird die erste R ck fallebene aktiviert und eine tageszeitabh ngige F hrungsgr e f r den unterlagerten Regel kreis vorgegeben Diese O F hrung
39. Dec 11 Bild 3 28 Abscheidegrad der Lamellenabscheider vom 03 01 31 12 2000 3 Leistungssteigerung von Kl ranlagen durch den Einsatz von Lamellenabscheidern 65 500 400 300 ISV in ml g 200 100 o TEN EA AES O TEN AN DO SN TSN EN ar ae Jan 10 Feb 7 Mar 6 Apr 3 May 1 May 29 Jun 26 Jul 24 Aug 21 Sep 18 Oct 16 Nov 13 Dec 11 Bild 3 29 Schlammindex ISV im Belebungsbecken und im Zulauf zur Nachkl rung vom 03 01 31 12 2000 Die Charakteristik der Ganglinie des Volumenstroms im Ablauf der Nachkl rung aus dem Jahr 2000 Bild 3 26 hnelt denen aus dem Jahr 1999 sehr stark Die Trockenwetterperiode im Hochsommer war etwas weniger stark ausgepr gt Auch im Jahr 2000 lagen sowohl der TS Gehalt im Belebungsbecken und im Zulauf zur Nachkl rung Bild 3 27 etwa auf dem Niveau der Vorjahre Lediglich im Juni traten kurz zeitig sehr hohe Werte auf Der Abscheidegrad Bild 3 28 lag ebenfalls im Bereich des Vorjahres und zeigte keine Be sonderheiten Dies gilt auch f r den Schlammindex ZSV Bild 3 29 der insgesamt vergleichs weise niedrig lag Der JSV im BB von fast 300 ml g Anfang Mai 2000 ist offensichtlich ein Messfehler 3 6 4 Ergebnisse aus dem Jahr 2001 120 QAblauff 100 80 60 Volumenstrom in l s 40 20 Jan 8 Feb 5 Mar 5 Apr 2 Apr 30 May 28 Jun 25 Jul 23 Aug 20 Sep 17 Oct 15 Nov 12 Dec 10 Bild 3 30 Volumenstrom im Ablauf der Nachkl rung vom 01 01 3
40. Die Differenzialgleichung 2 9 beschreibt die Mas senbilanz der heterotrophen Mikroorganismen im Belebungsbecken Die zeitliche nderung der Konzentration der heterotrophen Mikroorganismen im BB Xpsz t durch Verd nnung mit zulaufendem Mischwasser Ozuft wird durch den ersten Term auf der rechten Seite repr sen tiert Die Konzentration heterotropher Mikroorganismen im Zulauf X7zu t ist im Vergleich zu derjenigen im Belebungsbecken allerdings vernachl ssigbar gering Der zweite Term der rechten Seite von 2 9 modelliert die Konzentrations nderungen durch Wachstum bzw Ab sterben der Mikroorganismen Die Sterberate der heterotrophen Mikroorganismen by wird als konstant angenommen Die Wachstumsrate 4y ist eine Funktion der Substratkonzentration Ssss t und Sauerstoffkonzentration Soss t im Belebungsbecken Gleichung 2 10 beschreibt diesen Zusammenhang durch Monod Kinetiken ist die maximale Wachstumsgeschwin digkeit der heterotrophen Mikroorganismen ks und k sind die Wachstumskonstanten des Monod Ansatzes Die Massenbilanz der leicht abbaubaren Kohlenstoffverbindungen im BB Substrat nach Gleichung 2 11 besitzt die gleiche Struktur wie 2 9 jedoch ist hier die Substratzulaufkon zentration Sszuft nicht vernachl ssigbar klein und schwankt gem dem blichen Zulauf tagesgang kommunaler Kl ranlagen vergleiche Bild 2 2 innerhalb eines Tages deutlich Der Ertragskoeffizient Yy beschreibt das Wachstum der heterotrophen M
41. Existenz der Denitrifikation unstrittig ist Wie oben erl utert wurde der zuk nftig geforderte berwachungswert fur die NH N Kon zentration nicht sicher eingehalten Zur weiteren Analyse der Ursachen sollen nun die Regel Stell und Istgr en des SymBio Verfahrens im Untersuchungszeitraum 1998 betrachtet werden Bilder 6 29 bis 6 31 gaen nen En en a ne Ban a a a en I i l nderung der Parameter i i c 2 des Aktivit tsreglers c ge E i phe a e c D N S X a oO 0 5 jo REFERENCE leara t DEFENDER deder korias Praed ELESE TES Jun 29 Jul 6 Jul 13 Jul 20 Jul 27 _ Aug 3 Aug 10 Aug 17 Aug 24 Aug 31 Sep 7 Sep 14 Sep 21 Bild 6 29 O Konzentration im BB Messstelle 1 vom 29 06 27 09 1998 32 In zahlreichen stichprobenartigen Messungen der N NOx N und NH N Konzentration mit K vettentests zeigte sich dass die Konzentration des organischen Stickstoffs bei Werten von unter 2 mg l liegt Deshalb wird hier und im Folgenden eine konstante N Konzentration von 2 mg l angenommen 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 127 1000 Gil GpEal Gala m 23 Gl aa A BA 3a 1 el a a Fa Sn a ar a a Ua az Aktivit t BB 800 600 400 He Beuel TT ee Belebtschlammaktivit t in bpa 200 fee nn a 0 E EE SINE STERN EEEN ETEEE E IOS PILECE EEEE KERNE ELEL ALTE ET
42. Fensterweite n f r den gleitenden Durchschnitt und die Standardabweichung 288 Werte Abtastrate 5 min Faktor a 2 5 Im Bild 6 11 sind die hieraus resultierenden O F hrungsgr en dargestellt Ihre Berechnung wurde zun chst f r eine Yrmins Y rmax Spanne von 0 1 5 mg l vorgenom men Anschlie end wurden die Werte auf den f r das konventionelle SymBio Verfahren 114 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen blichen Bereich zwischen 0 3 und 0 8 mg l begrenzt Diese Vorgehensweise erm glicht die jederzeit fast vollst ndige Ausnutzung des gesamten Konzentrationsbereichs In beiden Darstellungen ist die Auswirkung von Messunsicherheiten im Aktivit tssignal Messwert wird zu Null auf die O F hrungsgr en sehr gut zu erkennen Das Aktivit tssig nal liegt in einem solchen Fall vorr bergehend deutlich unter dem Mittelwert y t was niedrige O F hrungsgr en bewirkt Der Einfluss des Betrages des Aktivit tsignals auf die O F hrungsgr e wird durch die Anwendung der Bollingerb nder fast vollst ndig unter dr ckt die Dynamik des Tagesganges tritt in den Vordergrund 1000 l l l l Aktivit t obere Grenze Bollingerband untere Grenze Bollingerband 800 800 HT nn en merde Aktivit t in bpa 400 Heppi pras if hans l 200 H pee aeee PP Kernen ll 0 Bild 6 10 Aktivit t im BB mit Bollingerb ndern ber einen l ngeren Zeitraum 09
43. Netphen 1999 und 2000 4 6 Ausbauzustand nach dem endg ltigen Umbau der Kl ranlage Netphen 2001 Nach Abschluss des F amp E Projektes Verfahrens und regelungstechnische Ma nahmen zur Steigerung der Reinigungsleistung kleiner und mittlerer Kl ranlagen am Beispiel der Kl ran lage Netphen und nach Vorschl gen aus dem zugeh rigen Abschlussbericht Sc n00b wur den die Lamellenabscheider gem Bild 4 8 versetzt um einige der w hrend des Betriebs er kannten Probleme zu beheben und einen besseren Abscheidegrad zu erreichen Im Jahr 2001 wurde zudem vom Betreiber der KA Netphen in erster Linie aus Kosten gr nden entschieden komplett auf die Zusatzbegasung mit Reinsauerstoff zu verzichten Nach Deinstallation der Bel ftungsmatten wurde an deren Stelle ein zus tzliches Bel ftungs aggregat im BB installiert Bild 4 9 Hierbei handelt es sich um einen Tauchbel fter der im Gegensatz zur Reinsauerstoffbegasung einen eher punktuellen Eintrag von Luftsauerstoff er m glicht Dies f hrte zu bemerkenswerten Ergebnissen die im Kapitel 7 3 vorgestellt werden Die O Konzentration wurde an Messstelle 2 mit nur einer Sonde gemessen Die eingesetzte Regelungsstrategie entsprach bis auf einige kleinere Verbesserungen derjenigen aus dem Jahr 2000 Tauch R cklauf Zulauf Propeller bel fter schlamm e Kreisel 1 Lamellen Kreisel 2 zum Nach
44. O F hrungsgr e und O Konzentration im BB am 09 07 1999 134 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Frequenz der Kreisel Stellgr e Stellgr e Q O2 Begasung Frequenz in Hz O2 Volumenstrom in m3 h Bild 6 38 Stellgr en am 09 07 1999 5 NH4 N BB NH4 N Ablauf 4 eii Ei 8 NH4 N Konzentration in mg l 24 Bild 6 39 NH N Konzentration im BB und im Ablauf der Nachkl rung am 09 07 1999 Bild 6 34 zeigt den Tagesgang der O F hrungsgr e und der Regelgr e Um etwa 20 Uhr brach die Sauerstoffkonzentration im BB durch einen Schmutzsto aus dem Kanal deutlich ein Bild 6 35 belegt dass die Stellgr e Kreiselfrequenz in Folge dessen auf ihren Maxi malwert anstieg jedoch keine Zusatzbegasung mit Reinsauerstoff erfolgte weil die NH N Konzentration im BB Bild 6 36 sehr gering war Die vorr bergehend niedrige O Konzen tration im BB und die Belastung aus dem Anlagenzulauf f hrten somit zwar zu einem Anstei 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 135 gen der NH N Konzentrationen im BB und im Ablauf der Nachkl rung jedoch trat keine berschreitung des angestrebten NH N berwachungswertes auf Am 09 07 1999 kam es zu einem vergleichbaren Ereignis Auch hier f hrte ein Schmutzsto zu einem Einbrechen der O Konzentration im
45. Regelgr en NH N und N Konzentration in einer Zustandsebene 2 _Abwasserreinigung aus regelungstechnischer Sicht 35 20 NH N mg l 18 Zul ssiger Konzentrationsbereich bei berwachungswerten von 8 mg l f r NH N 15 und 18 mg l f r N Zul ssiger Konzentrationsbereich bei berwachungswerten von 4 mg l f r j NH N und 18 mg l f r N 10 y 7 v 8 5 Pe 4 N ges mg l 0 gt 0 5 10 15 18 20 Bild 2 16 Zul ssiger Bereich der Stickstoff Ablaufkonzentrationen Nur bestimmte Bereiche der Zustandsebene sind zul ssig wenn die vorgegebenen Reini gungsziele f r die NH N und N Ablaufkonzentrationen erreicht werden sollen Die Rege lung muss keine festen Arbeitspunkte einhalten oder ein vorgegebenes NH N N Verh ltnis gew hrleisten sondern lediglich daf r sorgen dass die zul ssigen Bereiche nicht verlassen werden Gewisse Abschnitte des zul ssigen Bereichs sind aus wirtschaftlichen und verfah renstechnischen Gr nden nicht zu erreichen So ist eine vollst ndige Nitrifikation NH N Konzentration 0 mg l und eine gleichzeitige vollst ndige Denitrifikation N Konzen tration 0 mg l mit kommunalen Kl ranlagen vern nftiger Gr e nicht realisierbar Aus konomischen Gesichtspunkten ist es sinnvoll den Abwasserreinigungsprozess so zu f hren dass sich die Tagesspitze der NH N Konzentration knapp unterhalb ihres berwachungs wertes einstellt Hierdurch lassen sich Energiekoste
46. Selbstverst ndlich k nnen die in den Bildern 6 1 und 6 2 skizzierten F lle zeitgleich auftreten Belebt schlamm flocke Partikel O Konzentration hoch aerobes Milieu O Konzentration niedrig gering aerob bis anoxisches Milieu Bild 6 1 Nitrifikation und Denitrifikation in der Belebtschlammflocke O Konzentration hoch aerobes Milieu O Konzentration niedrig gering aerobes bis anoxisches Milieu Bild 6 2 Nitrifikation und Denitrifikation durch Ausbildung aerober und anoxischer Zonen im BB Die F hrungsgr e f r die Sauerstoffkonzentration im BB wird durch die Messung der Be lebtschlammaktivit t und eine geeignete Umrechnung in einem berlagerten Regelkreis gene riert Bild 6 3 zeigt den resultierenden zweischleifigen Regelkreis als Blockschaltbild Die Er mittlung der Kennlinie zur F hrungsgr enermittlung im berlagerten Regelkreis Aktivi t tsregler geschieht anlagenspezifisch w hrend einer mehrw chigen Testphase Hierbei werden die NH N und N Ablaufkonzentrationen solange durch Variation der Kennlinie beeinflusst bis eine zufrieden stellende Nitrifikation und Denitrifikation erzielt wird 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 105 Kreisel Belebungs bel fter becken Aktivit ts 7 Sauerstoffregler f r
47. Technik Heft 3 1987 S 8 14 Marx W Optimierung der Schlammbehandlung durch den Einsatz von Prozessmesstechnik in Angewandte Prozess Messtechnik Nr 21 Eigenverlag Dr B Lange GmbH D sseldorf 2000 S 97 116 Mudrack K Kunst S Biologie der Abwasserreinigung 2 Auflage Gustav Fischer Verlag Stuttgart New York 1988 Pla R Untersuchungen zur Erh hung des Trockensubstanzgehaltes im Belebungsbecken durch den Einsatz von Lamellenpaketen Dissertation Technische Universit t Hamburg Harburg Heft 21 1998 P pel H J Glasenapp J Scheer H Planung und Betrieb von Abwasserreinigungsanlagen zur Stickstoffelimination Schriftenreihe WAR 43 Eigenverlag Darmstadt 1990 Schuhen M Hoen K K hne M KSIM Eine Modellbibliothek zur dynamischen Simulation von Kl ranlagen in Angewandte Proze Me technik Nr 14 Hrsg G Nowack Eigenverlag Dr B Lange GmbH D sseldorf 1996 S 61 68 Sch nberger D H ck M K hne M Verfahrenstechnische und regelungstechnische Ma nahmen zur Leistungssteigerung der Kl ranlage Netphen Beitrag zum 5 Symposium Erfahrungen mit Analysen und Proze me ger ten in Abwasserreinigungsanlagen Techn Akademie Esslingen 1997 15 Seiten Sch nberger D Kampmann G K hne M Fuzzy Regelung einer kommunalen Kl ranlage mit Umlaufgraben zur Realisierung der simultanen Nitrifikation und Denitrifikation KA Wasserwirtschaft Abwasser Abfall 48 2001
48. Uhrzeit der Umschaltung auf Regler B und die Dauer des gleitenden bergangs bzw der Zeitpunkt ab dem der Regler A wieder ausschlie lich die O F hrungsgr e vorgibt Weil der exakte Zeitpunkt des morgendlichen Schmutzsto es von einigen Besonderheiten ab h ngt ist die Ber cksichtigung dieser meist gut erfassbaren Charakteristika sinnvoll Insbe sondere die unterschiedliche Zulaufcharakteristik an Wochentagen und Wochenenden sind im Prozessf hrungskonzept ber eine Abfrage des Wochentages leicht zu ber cksichtigen Weil an Wochenenden der morgendliche Schmutzsto deutlich sp ter auftritt sollte hier der Zeit punkt zur Umschaltung auf den empfindlicheren Fuzzy Regler B sp ter stattfinden Dies bez glich ist auch eine Unterscheidung der Zulaufbedingungen Regenwetter Trockenwet terzulauf sinnvoll Der eigentlich vielversprechende Ansatz eine St rgr e oder Ersatzgr e z B Leitf higkeit oder pH Wert direkt im Anlagenzulauf zu messen und daraus ein Kriterium f r die Struktur umschaltung zu formulieren beinhaltet einige Nachteile Obwohl die Leitf higkeit und der pH Wert im Zulauf der meisten Kl ranlagen aufgrund gesetzlicher Vorgaben gemessen wer 7 Weiterf hrende Regelungskonzepte 161 den muss und somit ohne zus tzliche Kosten in einem Prozessf hrungskonzept ber cksichtigt werden k nnte ist es recht aufw ndig aus diesen Messgr en eine hinreichend genaue Infor mation f r das zeitliche Auftreten d
49. Ursache f r diese Beeintr chtigung viel mehr ist der niedrige pH Wert im Zulauf zum BB ein Indiz f r die Einleitung toxischer Stoffe die die Bioz nose sch digten Etwa eine Woche sp ter trat ein hnlicher St rfall St rfall 2 auf Die pH Wert Absenkung im Zulauf zum BB war hier weniger ausgepr gt als zuvor Jedoch blieb der pH Wert ber einen l ngeren Zeit raum auf Werten von etwa 6 5 Auch hier sind Auswirkungen auf den pH Wert im BB zu erkennen jedoch trat scheinbar keine deutliche Sch digung der Biologie auf siehe NH N Ablaufkonzentration im Bild 5 14 Die Ursache f r diese St rf lle ist unbekannt m glicher weise stammt das sehr saure Abwasser aus einem der angeschlossenen Industriebetriebe Zu Beginn der Messungen lag der pH Wert im BB im neutralen bis leicht alkalischen Bereich Bild 5 8 Nach Beginn des intermittierenden Betriebs der KA sank er auf Werte knapp unter 7 was durch die sich verst rkt einstellende Nitrifikation und die damit frei werdenden H Ionen verursacht wurde W hrend des intermittierenden Betriebs ist der pH Wert im BB insgesamt bedenklich niedrig und liegt nur knapp oberhalb der unteren Grenze des empfohle nen Bereichs von 6 bis 10 Die CSB Zulaufkonzentration Bild 5 9 zeigt teilweise extrem hohe Spitzenwerte gt 1500 mg l Die Ursache liegt in einer Besonderheit der KA Netphen Bei Abzug von berschuss schlamm kann es durch Bedienungsfehler meist bedingt durch eine unzureichend
50. Zugabe der Schmutzstoffe ber den Zulauf Um diese Systemeigenschaft zu verdeutlichen wurden Sprungantworten zeitgleich an meh reren Stellen im Belebungsbecken der KA Netphen aufgenommen Bild 2 12 Hier handelt es sich um die gleiche Versuchsreihe die schon im Bild 2 9 links dargestellt ist 2 35 31er 1 1 10007 02 BB 5 p eor g 1 5 S 30 7 S hr le hr D 2 i i 2 Ce WER ES i a u N 2 258 o 0 5 ER Be appia Aeren o amp RAS 20 0 0 25 0 5 0 75 1 1 25 1 5 175 h 2 Bild 2 12 Beispielhafte Sprungantworten vom Belebungsbecken der KA Netphen 30 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Messstellen 0 00 m 104 20 m 43 45 m 52 10 m mg l S EL An 73 80 m u M i A M Vo 0 3 FIN E 77 14 f TER N A n EN En Bild 2 13 Beispielhafte rtliche und zeitliche Verteilung der O Konzentration im BB der KA Netphen vom 20 07 1994 Bild 2 12 macht den Einfluss des Messortes auf die O Konzentration im BB deutlich Bedingt durch die Sauerstoffzehrung der Mikroorganismen sinkt die O Konzentration mit gr er werdender Distanz zu den Stellgliedern was bereits im vorhergehenden Abschnitt erl utert wurde Bild 2 13 zeigt die O Konzentrationen im Belebungsbecken der geregelten KA Netphen als Funktion der Zeit von 0 bis 24 Uhr an einem ausgew hlten Tag und des Ortes begin
51. a 9 D l 5 0 Hi e r gt 20 TPE f Ausfall der Ee a TAT li 50200058555 Datenaufzeichnung 0 Lidia ddd diddi I DALE WiiHiiiiii iiiki imm i mii Jan 12 Feb 9 Mar 9 Apr 6 May 4 Jun 1 Jun 29 Jul 27 Aug 24 Sep 21 Oct 19 Nov 16 Dec 14 Bild 3 18 Volumenstrom im Ablauf der Nachkl rung vom 05 01 1998 03 01 1999 10 ee Tea A TS BB Ablauf f ii 5 I es ee ee Er TS Gehalt in g l BERSERELBBLIHISESELL BGE Jan 12 Feb 9 Mar 9 Apr 6 May 4 _ Jun 1 Jun 29 Jul 27 Aug 24 Sep 21 Oct 19 Nov 16 Dec 14 0 Bild 3 19 TS Gehalt im BB und im Zulauf zur Nachkl rung vom 05 01 1998 03 01 1999 100 80 60 40 Abscheidegrad in 20 0 RSS SEA BES DELL LEE SU EADSE a a Jan 12 Feb 9 Mar 9 Apr 6 May 4 _ Jun 1 Jun 29 Jul 27 Aug 24 Sep 21 Oct 19 Nov 16 Dec 14 Bild 3 20 Abscheidegrad der Lamellenabscheider vom 05 01 1998 03 01 1999 60 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 500 j nr N rer a a er ISVBB ERDE EN SEEN LISTE En ISV BB Ablauf WERTE ESCERLSIT EEE EEE aaa 400 Hit eede 300 h en ISV in ml g 200 Hi E od MNYTIMA A 100 u WAA nA TEN see Jan 12 Feb 9 Mar 9 Apr 6 May 4 _ Jun 1 Jun 29 Jul 27 Aug 24 Sep 21 Oct 19 Nov 16 Dec 14 Bild 3 21 Schlammindex ISV im Belebungsbecken und im Zulauf zur Nachkl rung vom 05 01 1998 03 01 1999 Obwohl die Untersuchungen erst im Mai
52. abbau bare Kohlenstoffverbindungen ber den Kanal zuflie en und somit weitestgehend anoxische Bedingungen vorausgesetzt exzellente Bedingungen f r den Nitratabbau vorherrschen Ein Regelungskonzept zur Ber cksichtigung dieses Zusammenhangs w rde jedoch eine weitere O Messung im BB n tig machen Zudem ist fraglich ob hierdurch tats chlich deutliche Ver besserungen erreicht werden k nnten Bild 7 11 zeigt die im Jahr 2001 angewandte Regelungsstrategie als Blockschaltbild wagt Tauch bel fter ee bergang Sauerstoffregler f r a E die Kreisel becken und Bel ftungs Fuzzy einrichtungen Regler A Bild 7 11 Blockschaltbild der F2S Strategie mit Tauchbel fter f r die Grundlast 164 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Weil das Umschaltkriterium f r die Zusatzbegasung weg f llt ergibt sich f r die F2S Strate gie aus dem Jahr 2001 ein deutlich einfacheres Blockschaltbild Die Bestimmung der Ein gangsgr e N geschieht hier aus der Summe der gemessenen NH N und NO N Konzen trationen sowie dem schon zuvor erl uterten konstanten Anteil von 2 mg l f r den organi schen Stickstoff im BB Die Strukturumschaltung geschieht grunds tzlich wie im Kapitel 7 1 3 beschrieben Jedoch wird der Zeitraum f r den gleitenden bergang auf vier Stunden verl ngert um noch bessere Bedingungen f r die Nitrifikation zu schaffen Der Tauchbel fter wird
53. bei der Analyse der Ganglinien der gemessene Ablaufvolumenstrom einer KA gleich dem nicht gemessenen Zulaufvolumenstrom gesetzt werden kann Q Ablauf am 12 08 1998 Trockenwetterzulauf Q Ablauf am 16 09 1998 Regenwetterzulauf Q Ablauf am 05 08 1999 100 2 T 80 E o D 60 c IB D l O 40 Sms ge A a A aam ee i gt H am EEE NENN ba a i 20 i HAM N 0 f 0 4 8 12 16 20 h 24 Bild 2 1 Beispielhafte Volumenstr me im Ablauf der KA Netphen In dieser Arbeit wird unterschieden zwischen Trockenwetterzulauf Regenwetterzulauf und dem Auftreten von Sto belastungen blicherweise bedingt durch pl tzlich eintretende Re genereignisse Letzteres ist vor allem in Trockenwetterphasen kritisch weil dann im Kanal netz abgelagerte Schmutzstoffe der KA pl tzlich und u U in sehr gro er Menge zugef hrt werden Bei reinem Trockenwetterzulauf ist der morgendliche Anstieg im Volumenstrom aus schlie lich auf das Verhalten der Menschen in den angeschlossenen Haushalten und Betrieben 2 _Abwasserreinigung aus regelungstechnischer Sicht 9 zur ckzuf hren Trinkwassernutzung f r Hygiene industrielle Zwecke etc Weil Kl r anlagen nur einen bestimmte Maximalvolumenstrom an Schmutzwasser aufnehmen k nnen siehe Kapitel 2 2 3 ist diese Charakteristik bei reinem Regenwetterzulauf vollst ndig durch den Volumenstrom des in die Kanalisation gelangenden Regenwassers berdeck
54. des CSB berwachungswertes und die recht hohen Kosten f r die Begasung mit Rein sauerstoff veranlassten den Anlagenbetreiber jedoch die KA Netphen nicht dauerhaft auf in termittierende Bel ftung nach dem BIOX N Verfahren umzustellen Mit allen Projektbe teiligten wurde dennoch die Durchf hrung eines zweiten Feldversuchs im Herbst 1996 vereinbart Hier sollte zumindest vorr bergehend ausschlie lich mit Reinsauerstoff begast und eine M glichkeit gefunden werden die Nitrifikations und Denitrifikationsintervalle bes ser an den jeweiligen Anlagenzustand anzupassen 5 1 3 Kritische Betrachtung der zeitgesteuerten intermittierenden Nitrifikation und Denitrifikation Zusammenfassend sollen nun einige Unzul nglichkeiten der hier angewandten Methode der zeitgesteuerten Vorgabe der Nitrifikations und Denitrifikationsintervalle genannt und Hin weise f r eine verbesserte Prozessf hrung gegeben werden Bisher wurde eine intermittierende Fahrweise mit konstanten Zeitintervallen T und T gew hlt Dies ist auf Kl ranlagen blich jedoch nicht in jedem Betriebszustand sinnvoll 3 W hrend dieses Feldversuches wurde der Schlammindex ISV nur im Rahmen der Selbst berwachung einmal w chentlich erfasst was nicht ausreicht um einen hohen Schlammindex eindeutig als die Ursache f r Schlammabtrieb zu nennen Die t gliche Bestimmung dieses Parameters wurde erst ab 1998 vorgenommen 5 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit intermittierender
55. die Summe der gemessenen NH N und NO N Konzentration im BB sowie dem als kon stant angenommenen organischen Stickstoffanteil von 2 mg l N ist somit eine Ersatzgr e f r die Gesamtstickstoffkonzentration im BB Die Umschaltstrategie zwischen Kreiselbel ftung und Zusatzbegasung geschieht wie im Ka pitel 6 2 beschrieben Bild 7 2 zeigt die festgelegten Zugeh rigkeitsfunktionen f r die Eingangs und Ausgangsvari ablen Um einen gleichm igen Verlauf der Ausgangsgr e zu erreichen wurde ein berlap pungsgrad von etwa 40 gew hlt Tabelle 7 1 zeigt die im Fuzzy Regler ber cksichtigten WENN DANN Regeln u k 1 Me Sauerstoffregler f r die Zusatzbel ftung Regelstrecke Sauerstoffregler f r ah nn die Kreisel Bel ftungs einrichtungen Bild 7 1 O F hrungsgr envorgabe mit Fuzzy Logik unter Ber cksichtigung der NH N und NO N Konzentration im BB aus ScKKO01 3 Aus praktischen Erw gungen werden die NH N und die O Konzentration im BB im Folgenden gelegentlich mit NH N oder O abgek rzt 7 Weiterf hrende Regelungskonzepte Bild 7 2 Regel 1 Regel 2 Regel 3 Regel 4 Regel 5 Regel 6 Regel 7 Regel 8 Regel 9 Regel 10 Tab 7 1 Eingangsvariable NH N Eingangsvariable N Ausgangsvariable O WENN N sehr niedrig WENN N niedrig WENN N sehr niedrig WENN N hoch WENN N hoch WENN N mittel WENN N mittel WENN N
56. die Tageszeiten mit den gew hlten Reglerparametern f r die beiden PID Regler im un terlagerten Regelkreis Hierbei handelt es sich um eine Grundeinstellung die einerseits eine hinreichende Regelg te andererseits einen ausreichenden Abstand zur Stabilit tsgrenze ge w hrleistet Im Laufe der Untersuchungen zeigte sich dass auch eine jahreszeitliche Ver nde rung der Reglerparameter sinnvoll ist weil die Sauerstoffzehrungsrate deutlich temperaturab h ngig ist So wurden z B im Sommer die Verst rkungsfaktoren vergr ert und die Nach stellzeiten verkleinert Allerdings wurde diese Adaption manuell vorgenommen und sollte mangels detaillierter Kenntnis der regelungstechnischen Zusammenh nge nicht vom Be triebspersonal einer Kl ranlage durchgef hrt werden Eine automatisierte Adaption ist grund s tzlich denkbar gestaltet sich aber schwierig weil das jeweilige Streckenverhalten sehr h ufig durch Sprungversuche ermittelt werden m sste Verst rkungs Nachstellzeit Ty Vorhaltezeit T faktor Kp Tageszeit Kreisel Matten Kreisel Matten Kreisel Matten 6 82 3 130 0 8 18 5 25 100 75 0 0 18 6 3 120 0 Tab 6 1 Reglerparameter in Abh ngigkeit der Tageszeit Eine sto freie Umschaltung der Reglerparameter wurde nicht vorgesehen weil die Frequenz umrichter der Kreisel ber eine Sto kompensation verf gen und die Reinsauerstoffbegasung unempfindlich gegen sprungartige Ve
57. diskutiert Im Kapitel 2 werden zun chst einige Grundlagen der Abwasserreinigung und ihre system technischen Besonderheiten aus Sicht eines Regelungstechnikers erl utert Kapitel 3 besch ftigt sich mit der Leistungssteigerung von Kl ranlagen durch den Einsatz von Lamellenabscheidern sowie der Wirkweise dieser verfahrenstechnischen Einbauten Die auf der Kl ranlage Netphen getesteten Lamellenabscheider werden ausf hrlich vorgestellt und ihre Leistung anhand von gemessenen Zeitverl ufen bewertet Im Kapitel 4 wird die Kl ranlage Netphen in ihren verschiedenen Ausbaustufen vorgestellt Kapitel 5 pr sentiert die 1996 durchgef hrten Feldversuche zur Leistungssteigerung mit dem BIOX N Verfahren Im Kapitel 6 wird vom Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren in den Jahren 1998 und 1999 berichtet Kapitel 7 beschreibt den Einsatz weiterf hrender in erster Linie auf Fuzzy Logik basierender Regelungskonzepte in den Jahren 2000 und 2001 Im Kapitel 8 werden die Ergebnisse zusammengefasst diskutiert und es wird auf ihre Be deutung f r andere Kl ranlagen hingewiesen Diese Arbeit steht in der Tradition der abwassertechnisch orientierten Dissertationen des Instituts f r Mechanik und Regelungstechnik IMR sowie des ZESS der Universit t Siegen 4 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Im Besonderen sind hier die Erarbeitung methodischer Ans tze zur regelungstechnischen
58. erlaubten TS Gehalt des zuflie enden Belebtschlamms eine fast vollst ndige Abscheidung gew hrleisten Hierbei ist auch das Absetzverhalten des belebten Schlammes von Bedeutung siehe Kapitel 3 2 7 Bei der blichen Gestaltung von Kl ranlagen bilden Belebungsbecken und Nachkl rung ver fahrenstechnisch eine Einheit d h der das BB verlassende Belebtschlamm ist mit dem der Nachkl rung zuflie enden Belebtschlamm in Quantit t und Qualit t identisch Somit be schr nkt das Sedimentationsverm gen der Nachkl rung den maximal erlaubten TS Gehalt im Belebungsbecken und begrenzt dadurch die Reinigungskapazit t einer Anlage Ohne zus tzli che Ma nahmen f hrt die im Grunde einfach zu realisierende Erh hung des Trockensubs tanzgehaltes im BB zwangsl ufig zu einer berlastung der Nachkl rung Im Gegensatz zur Mikroorganismenkonzentration ist der TS Gehalt online messbar und wird deshalb als Ersatzgr e eingef hrt 2 Die Steigerung des TS Gehaltes im BB ist durch zeitweiliges Unterlassen des Schlammabzuges realisierbar 40 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Ans tze zur Vermeidung der berlastung einer Nachkl rung k nnen sein e Verbesserung der Sedimentationsleistung der Nachkl rung durch bauliche Ma nah men z B Ver nderung der Einlaufbauwerke Vergr erung der Nachkl rung e Prozesssichere und dauerhafte Verbesserung des Absetzverhaltens des Belebtschlam mes
59. fte am angestr mten sedimentierenden Partikel links Kr fte und Geschwin digkeiten am angestr mten sedimentierenden Partikel im station ren Fall rechts Die folgenden Kr fte treten auf 2 C Widerstandskraft F pp A 5 3 3 Auftrieb F V pr g 3 4 a dc Tr gheitskraft F V pp 0 p ler 3 5 Gewichtskraft Fo V pr 3 6 42 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Der Widerstandsbeiwert Zin Gleichung 3 3 h ngt von der Form und Oberfl che des Parti kels sowie der Reynoldszahl ab siehe Kapitel 3 2 5 Durch den Term V pp in Glei chung 3 5 wird der Anteil der Tr gheitskraft ber cksichtigt der durch die den Partikel um gebende mitbeschleunigte Fl ssigkeit erzeugt wird BuB097 Im station ren Fall wird die Tr gheitskraft F 0 Eine rein station re Betrachtung ist zu l ssig weil in einer Fl ssigkeit ein sedimentierender Partikel sehr schnell 99 seiner statio n ren Sinkgeschwindigkeit erreicht BuBo97 Somit vereinfacht sich die Kr ftebilanz zu Fa Fr F 0 3 7 Die relative station re Sinkgeschwindigkeit Cp errechnet sich aus der Differenz der Sink geschwindigkeit des Partikels cps und der Str mungsgeschwindigkeit des Fluids cz C Prei Eps TCF 3 8 Die relative station re Sinkgeschwindigkeit Cp eines kugelf rmigen Partikels berechnet sich aus der Kr ftebilanz 3 7 zu 4 d g p Pr 3 9 3 5 Pr C Prel 3 2 2 Sin
60. im Zulauf zum BB Bild 5 10 zeigte sehr hnliches Verhalten Der Einfluss durch die oben beschriebene Kreisf hrung des Belebtschlamms wird bei dieser Messgr e nicht deutlich weil der Belebtschlamm nur geringe NH N Konzentrationen auf weist verglichen mit den Zulaufkonzentrationen Die Maximalwerte erreichen etwa 60 80 mg l in Schwachlastphasen nachts sinken die Konzentrationen auf Werte nahe Null Grund s tzlich traten bei geringen Volumenstr men h here NH N Konzentrationen im Zulauf zum BB auf dieses Verhalten ist wenn auch weniger stark ausgepr gt in der Ganglinie der CSB Zulaufkonzentration Bild 5 9 zu bemerken Es ist auf den eingangs erl uterten Verd n nungseffekt zur ckzuf hren siehe Kapitel 2 1 4 Der TS Gehalt im BB Bild 5 11 lag vor Inbetriebnahme der intermittierenden Bel ftung meist bei 1 5 2 g l Mitte Mai kam es vermutlich wegen einer Sch nwetterphase mit ver h ltnism ig hohen Temperaturen im BB Bild 5 7 zu starkem Schlammwachstum und einer Steigerung des TS Gehaltes im BB auf etwa 3 5 g l Dieser Konzentrationsanstieg wurde durch Schlammabzug wieder r ckg ngig gemacht so dass der TS Gehalt zu Beginn des ei gentlichen Feldversuchs unter 2 g l lag Nach Inbetriebnahme der intermittierenden Nitrifika tion und Denitrifikation lie man den TS Gehalt auf 3 4 g l steigen um bessere Bedingun gen f r den Stickstoffabbau zu erzielen Diese Erh hung des TS Gehaltes wurde mit dem An lagenbet
61. in einem solchen Fall bevorzugt weil bei berschreitung des N s berwachungswertes h here Abwassergeb hren zu entrichten sind als bei ber schreitung des NH N berwachungswertes Die brigen Regeln definieren den bergang zwischen den zuvor genannten Extrema Zur Analyse und nochmaligen Veranschaulichung des Fuzzy Regelkreises wird die von den beiden linguistischen Eingangvariablen des Fuzzy Reglers gebildete Phasenebene in disjunkte Zellen eingeteilt Kahl95 wobei jede Zelle einer Regel der Regelmatrix entspricht Die Zel lengrenzen werden dabei so gew hlt dass jede Zelle genau den Bereich scharfer Eingangs werte umfasst f r den die entsprechende Regel den maximalen Erf llungsgrad aller Regeln hat Bild 7 3 verdeutlicht anhand einer Regelmatrix die Zelleneinteilung f r den entworfenen Fuzzy Regler mit drei linguistischen Termen f r die Eingangsgr e NH N und f nf Termen f r die Eingangsgr e N Weil die Zugeh rigkeitsfunktionen unsymmetrisch gew hlt wur den haben die Zellen eine unterschiedliche Ausdehnung Bild 7 3 macht transparent dass eine Zusammenfassung der Zugeh rigkeitsklassen hoch und sehr hoch der Eingangsvariablen N m glich bzw aus Rechenzeitgr nden grund s tzlich sogar sinnvoll w re Dies gilt ebenso f r die Zugeh rigkeitsklassen sehr niedrig bzw niedrig der gleichen Eingangsvariablen 36 Ein derartiger Fall trat w hrend aller Feldversuche niemals au
62. maximale NH N Ablaufkonzentration betr gt Amg l Um einen ausreichenden Sicherheitsabstand zu gew hrleisten wird eine obere Schaltschwelle Bo 3 4 mg l eingef hrt bei deren Erreichen nitrifiziert werden muss Die Nitrifikati onsphase wird bei Erreichen der unteren Schaltschwelle By 1 8 mg l beendet e Fine maximale Denitrifikationsdauer darf nicht berschritten werden weil dies zu einer Sch digung der autotrophen Mikroorganismen im BB f hren kann Nach Ab sprache mit dem Kl ranlagenbetreiber wurde Tp ma 1 5 h gew hlt e Es muss auch eine minimale Nitrifikationsdauer gew hrleistet sein weil es sonst zu h ufigem und verfahrenstechnisch unsinnigem Ein und Ausschalten der Bel ftung kommen kann Dies f hrt u U zu insgesamt sehr kurzen Nitrifikationsphasen was wiederum die Mikroorganismen sch digen kann Deshalb wird eine minimale Nitrifi kationsdauer 7 min 0 5 h gew hlt e Zu Beginn einer Nitrifikationsphase muss die O Konzentration so schnell wie m g lich ihren Sollwert von 2 bis 3 mg l erreichen Um dies zu gew hrleisten wird zu Be ginn eines Nitrifikationsintervalls die Regelung ausgeschaltet und das Stellventil der O Volumenstromregelung f r den Zeitraum Tsun 5min voll ge ffnet Erst danach wird die Regelung eingeschaltet Diese Ma nahme wurde bereits bei der rein zeitge steuerten intermittierenden Nitrifikation und Denitrifikation angewandt Au erdem wurden Sicherheitsstrukturen realisiert die beim
63. mit aeroben bzw anoxischen Bedingungen ge schaffen werden oder das gesamte Becken muss zeitlich abwechselnd bel ftet bzw nicht be l ftet werden simultane oder intermittierende Nitrifikation und Denitrifikation SCHK97 K hn96 K hn98 Der Anteil der autotrophen Mikroorganismen Nitrifikanten in der Bioz nose eines Bele bungsbeckens ist im Vergleich zu den heterotrophen Mikroorganismen gering In P GS90 werden hierf r folgende Gr nde angegeben e Das Nahrungsangebot des Abwassers f r Nitrifikanten Stickstoff ist wesentlich ge ringer als das f r die heterotrophen Bakterien org C e Der Nahrungsumsatz f hrt bei den Nitrifikanten zu wesentlich weniger Bakterienzu wachs als bei den heterotrophen Bakterien Zudem ist die Wachstumsgeschwindigkeit der Nitrifikanten deutlich st rker temperaturab h ngig als die der heterotrophen Mikroorganismen Mit abnehmender Temperatur werden die Nitrifikanten daher zus tzlich zu den oben genannten Einfl ssen benachteiligt P GS90 Um dennoch ausreichend Nitrifikanten in der Bioz nose eines BB zu erhalten m ssen diese Nachteile durch Auslegung der biologischen Reinigungsstufe kompensiert werden Bele bungsanlagen mit Nitrifikation werden mit verh ltnism ig gro en Belebungsbecken gebaut so dass allen Mikroorganismen wenig Nahrung zugef hrt wird Ein Ma hierf r ist die Schlammbelastung Bzs siehe unten Diese Kenngr e muss so stark verringert
64. n 6 bis 8 bei anderen Anlagen vergleicht Bo amp s91 Weiterhin w re aufgrund der gemachten Erfahrungen eine nochmalige Verl ngerung der Denitrifikationsdauer sinnvoll um die Kosten f r die teure Reinsauerstoffbegasung zu senken Zudem ist es grunds tzlich von Vorteil die Bel ftungs und Pausenzeiten zustandsabh ngig zu ver ndern und nicht konstant einzustellen Experimente dieser Art wurden im Herbst 1996 in einer zweiten Messkampagne durchgef hrt Die Ergebnisse werden im folgenden Kapitel vorgestellt 5 2 Intermittierende Nitrifikation und Denitrifikation mit ereignisabh ngiger Regelung der Bel ftungsdauer Im zweiten Feldversuch 1996 30 09 01 12 1996 entschied man sich f r eine ereignisab h ngige Regelung der Dauer der Nitrifikations und Denitrifikationsintervalle Als Ereignis f r den Beginn und das Ende eines Nitrifikationsintervalls wurden f r die NH N Konzentra tion im BB Schwellenwerte definiert bei deren berschreiten ein Bel ftungsintervall beginnt und bei deren Unterschreiten es endet Die alleinige Ber cksichtigung der NH N Konzentra tion im BB zur Vorgabe als der Intervalll ngen ist sinnvoll weil sich im ersten Feldversuch 1996 der NH N berwachungswert als der kritischere der beiden Stickstoff berwachungs werte herausstellte Zu Beginn dieses Untersuchungszeitraumes wurde unterst tzend mit 92 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Reinsauerstoff begast Sp ter wu
65. nur schwach belastet vergleiche Bilder 2 2 und 2 3 Weil beide Testzyklen innerhalb von 12 Stunden durchgef hrt wurden ist davon auszugehen dass sich relevante u ere Einflussgr en Temperatur Zusammensetzung der Bioz nose nicht signifikant ge ndert haben Zur Analyse sind die interessantesten Sprungantworten im Bild 2 9 markiert im Bild 2 10 vergr ert dargestellt Die maximale Wachstumsrate und der Ertragskoeffizient Yy werden f r diese Betrachtung als konstant angenommen 26 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 3 80 T 02 BB 2 i Frequenz Kr 1 70 S o 60 fo 50 ZH u zu nb l oa oO ZH u zuaenbau4 40 T a O2 Konzentration in mg l O2 Konzentration in mg l 30 w 0 i i 20 19 5 19 56 19 62 19 69 19 75 19 81 19 87 19 94 h 20 80 3 T T 02 BB 2 N Frequenz Kr 1 02 BB 2 Frequenz Kr 1 Sprungantwort 3 zu De aa Sprungantwort 4 i en So 80 N T fez ZH u zuaenbau4 O2 Konzentration in mg l a o T T i gt a oO oO ZH ul zuanba O2 Konzentration in mg l w e zad i i 20 0 j i i i j 0 4 4 448 456 4 64 4 72 4 8 4 88 h 4 96 6 6 062 6 125 6 187 6 25 6 312 6 375 6 437 h 6 5 Bild 2 10 Nichtlinearit t der Regelstreck
66. o Konzentration im BB des entsprechenden Vorjahreszeitraums siehe Kapitel 7 2 Die Ursache liegt nicht in g nstigeren Randbedingungen sondern in der Verwendung des offenbar deutlich besser ge eigneten Tauchbel fters Mit Ausnahme von einzelnen Ausrei ern h chstwahrscheinlich Messfehler liegt die N o Konzentration im BB selten ber 10 mg l Ber cksichtigt man noch den Vergleichm igungseffekt der Nachkl rung kann dem Anlagenbetreiber ohne Wei teres die freiwillige Senkung des N berwachungswertes von 18 auf 15 mg l empfohlen werden wodurch sich Abwassergeb hren einsparen lassen Die Ursachen der exzellenten Ergebnisse des Jahres 2001 liegen zu einem gro en Teil im Er setzen der Reinsauerstoffbegasung ber Matten durch den Tauchbel fter Obwohl er nur ber eine Leistung von 25 kW verf gt besitzt der Tauchbel fter offensichtlich einen hohen Wir kungsgrad und hat zudem den Vorteil dass der Luftsauerstoff eher punktuell in das BB einge tragen wird Hierdurch entsteht eine verh ltnism ig kleine sehr gut mit Sauerstoff versorgte Zone die f r eine gute Nitrifikation sorgt Andererseits bleibt durch den lokal konzentrierten O Eintrag ausreichend Beckenvolumen f r die Denitrifikation 74 Endg ltige Realisierung der Prozessregelung auf der Kl ranlage Netphen Das im Jahr 2001 auf der KA Netphen implementierte Prozessf hrungskonzept umfasst mehr als die O F hrungsgr enberechnung mit Fuzzy Logik Dur
67. regler die Kreisel Aktivit ts messung Bild 6 3 Blockschaltbild des SymBio Verfahrens Die Bezeichnung des F hrungsgr engenerators im berlagerten Regelkreis als Aktivit ts regler ist durchaus anfechtbar weil keine explizite F hrungsgr e f r die Belebtschlammak tivit t vorgegeben wird zudem ist sie durch Ver nderung der O Konzentration im BB nur bedingt beeinflussbar Eingangsseitig liegt auch keine Regelabweichung sondern ein Mess wert an ScKK01 Trotzdem soll hier Begriff Regler f r das bertragungsglied zur F h rungsgr envorgabe benutzt werden weil durch Umformung des Blockschaltbildes und eine entsprechende Ver nderung der Kennlinie des F hrungsgr engenerators leicht ein zwei schleifiger Regelkreis mit der klassischen Kaskadenstruktur erstellt werden kann die F h rungsgr e des berlagerten Regelkreises w rde dann auf denn Wert 0 gesetzt Die Kennlinie des Aktivit tsreglers besteht aus drei Abschnitten siehe Bild 6 5 Im mittle ren Bereich steigt die Ausgangsgr e die O F hrungsgr e linear mit steigender Belebt schlammaktivit t die Bestimmung der Steigung dieser Gerade ist die wesentliche Aufgabe des oben beschriebenen experimentellen Vorgehens beim Entwurf der Kennlinie F r sehr hohe Aktivit tswerte ist eine Begrenzung vorgesehen F r sehr niedrige Werte wird der Wirk sinn des mittleren Bereiches umgedreht hier steigen bei sinkender Belebtschla
68. ssen aerobe Bedingungen im BB herrschen d h gel ster O muss vorhanden sein damit eine Oxidation des NH zu NO durch autotrophe Mikroorganismen erfolgen kann Hierbei sind immer zwei Bakteriengruppen beteiligt Die Ammoniumoxidierer z B Nitrosomonas und die Nitritoxidierer z B Nitrobacter Sie f hren die Reaktionsschritte gem der Glei chungen 2 2 und 2 3 durch MuKu8 Gleichung 2 4 beschreibt den Gesamtvorgang der Oxidation von NH zu NO der als Nitrifikation bezeichnet wird NH 1 50 NO H 0 2H durch Nitrosomonas 2 2 NO 0 50 NO durch Nitrobacter 2 3 NH 20 NO H 0 2H Nitrifikation 2 4 Wie Gleichung 2 3 zeigt entsteht als Zwischenprodukt Nitrit NO Diese Verbindung ist stark fischgiftig Bei der Abwasserreinigung muss somit sicher gestellt werden dass die Nitri fikation nicht im zweiten Reaktionsschritt abbricht Idealerweise wird dies durch eine voll st ndige Nitrifikation erreicht d h der vollst ndigen Umwandlung von Ammonium in Nitrat Dies ist aus verfahrenstechnischen Gr nden jedoch nicht immer m glich Erst in einem weiteren Verfahrensschritt der Denitrifikation wird das Nitrat in ungef hrli chen molekularen Stickstoff umgewandelt Dazu m ssen anoxische Bedingungen im BB herr schen kein gel ster O sondern nur in NO oder NO gebundener Sauerstoff damit hetero trophe Mikroorganismen den Nitratsauerstoff zur Atmung nutzen und die Umwandlung in
69. technische Ursachen und sind nicht als regul rer Betrieb vielmehr eher als St rfall zu betrachten Eines dieser Vorkommnisse soll im Folgenden detailliert untersucht werden 100 5 80 iP w Un EL BESEEE 4 C l a E E II a Ta a E 5 T Er A A D 5 E 40 ee zu gt i i i i i Q e i i f gt Q Ablauf 20 Ausfall der TS BB i R cklaufschlammpumpe 0 j I i D BB i Li j BE N DEE Ci i LI II I IN 1 III I T I 1 I 0 0 8 16 24 32 40 h 48 Bild 6 17 Volumenstrom im Ablauf und TS Gehalt im BB bei hydraulischer Sto belastung und gleichzeitig auftretendem betriebsbedingten St rfall 14 08 15 08 1999 100 420 Q Ablauf 80 if A OESS es W ee 400 v c MATA E gt 3 60 HI f gt aii Re ae urn 380 lt 3 I Ausfall der D 3 R cklaufschlammpumpe 5 40 ee anna nz Kuna p 360 5 z gt 20 ul l 0 N 340 Aktivit t BB En 0 ld PERAE A i i aldia da a an 320 0 8 16 24 32 40 h 48 Bild 6 18 Volumenstrom im Ablauf und Aktivit t im BB bei hydraulischer Sto belastung und gleichzeitig auftretendem betriebsbedingten St rfall 14 08 15 08 1999 120 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 10 NH4 N Ablauf NH4 N BB NH4 N Konzentration in mg l
70. tusmeldung deren Informationsgehalt h her ist als die Prim raussagen einwandfreier Be trieb oder unplausibler Messwert Die im Jahr 2001 verwendeten NH N und NO N Analysatoren verf gen ber keine Zeituhr Die regelm ig n tigen Kalibrierungen und Sondensp lungen finden zwar zyklisch gem eines einzustellenden oder vom Hersteller vorgegebenen Intervalls statt Eine tageszeitliche Vorgabe der Kalibrierung und Sp lung ist jedoch nicht m glich und somit ein zeitlicher Abgleich der Kalibriervorg nge mehrerer Messger te nicht machbar Die Tageszeit der Kali brierung Sp lung h ngt von der Uhrzeit der letzten Wartung ab weil hier die interne Uhr des 174 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Messger tes im Sinne der Steuerungstechnik handelt es sich hier um einen Timer neu ge startet wird Was dies f r eine Prozessf hrung im Einzelnen bedeutet wird sp ter erl utert Die Bilder 7 24 bis 7 26 zeigen typische Tagesg nge der NH N und NO N Konzentration im BB der entsprechenden Statussignale der O F hrungsgr e und der gemessenen O Konzentration aus dem Untersuchungszeitraum 2001 10 NH4 N BB Status NH4 N BB Kalibrierung Sp lung un Status NH4 N BB vn wahrscheinlich ein Messfehler NHA4 N Konzentration in mg l Status Bild 7 24 NH N Konzentration im BB und Statussignale vom 04 10 2001 10 NO3 N B
71. zu erfassen Auch sagt die Intensit t des abgestrahlten Lichts nichts dar ber aus ob wenige Mikroorganismen stark flu oreszieren d h einen hohen Stoffwechsel haben oder viele Mikroorganismen schwach flu oreszieren d h nur geringen Stoffwechsel haben Wegen dieser Eigenschaft muss die ber 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 107 die Fluoreszenz gemessene Belebtschlammaktivit t als Summenparameter aufgefasst werden Sie ist dar ber hinaus eindeutig als Ersatzgr e f r relevante Zustandsgr en des Belebungs verfahrens zu charakterisieren Ob die Nitrifikations und Denitrifikationsvorg nge im BB je doch tats chlich durch ein auf der Messung der Fluoreszenz der Coenzyme NAD P H basie rendem Regelungskonzept m glich bzw sinnvoll ist wird anhand statistischer Untersuchun gen und Praxiserfahrungen von der KA Netphen im Kapitel 6 1 3 n her untersucht Eine detaillierte Erl uterung der biologischen Vorg nge in der Atmungskette die letzlich zur Entstehung von NAD P H f hren soll in dieser regelungs und abwassertechnisch orientier ten Arbeit nicht gegeben werden siehe stattdessen z B CzLZ90 6 1 2 Charakteristika der Messgr e Belebtschlammaktivit t Eine geeignete Messgr e zur Generierung einer zeitvariablen O F hrungsgr e muss die typischen Belastungsf lle einer kommunalen Kl ranlage erfassen Ein sinnvoller Tagesverlauf der O F hrungsgr e ergibt sich
72. 0 12 2001 66 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 10 r o n TE I I 1 1 1 1 1 I TI OO TI TTtteIeeteee re TSBB TEE ii EEE i TS BB Ablauf f EES i i me en ee BEE Lamellenabscheider wegen i B 5 g H Umbauarbeiten au er Betrieb Keine TS Gehalt Messung im Zulauf zur Nachkl rung gt 6 E E 9 2 4 2 5 ji ie Jan 8 Feb 5 Mar 5 Apr 2 Apr 30 May 28 Jun 25 Jul 23 Aug 20 Sep 17 Oct 15 Nov 12 Dec 10 Bild 3 31 TS Gehalt im BB und im Zulauf zur Nachkl rung vom 01 01 30 12 2001 EA 100 o r o Te TI I a a Abscheidegrad o DEE o Lamellenabscheider wegen 80 2 Umbauarbeiten au er Betrieb 60 H Lin Abscheidegrad in 410 Mk 20 o in Jan 8 Feb 5 Mar 5 Apr 2 Apr 30 May 28 Jun 25 Jul 23 Aug 20 Sep 17 Oct 15 Nov 12 Dec 10 Bild 3 32 Abscheidegrad der Lamellenabscheider vom 01 01 30 12 2001 ro 500 ITITtTtTeTetT TE TI I I I I I III TTIeTetTI ISVBB BEE ___UmbuEEEE EEE ISV BB Ablauf f E B E z j i Lamellenabscheider wegen JE aof 400 Umbauarbeiten au er Betrieb Keine Bestimmung des ISV im Zulauf zur Nachkl rung 300 E ES 4 gt 2 200 100 0 Jan 8 Feb 5 Mar 5 Apr 2 Apr 30 May 28 Jun 25 Jul 23 Aug 20 Sep 17 Oct 15 Nov 12 Dec 10 Bild 3 33 Schlammindex ISV im Belebungsbecken und im Zu
73. 250 Me u L_ aaa er E A SEEN ee nn zoo ey a a a a a a a a 63 64 65 66 67 68 d 69 Bild 6 12 Aktivit t im BB mit Bollingerb ndern Detail aus Bild 6 10 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 O2 Konzentration in mg l 0 4 0 3 63 0 64 Bass 65 T 66 67 Kt 68 a 69 Bild 6 13 Aus den Bollingerb ndern im Bild 6 12 resultierende O F hrungsgr en mit Begrenzung auf den Bereich 0 3 0 8 mg l Detail aus Bild 6 11 Obwohl durch diese Ver nderungen im Algorithmus des O F hrungsgr engenerators ein verbesserter d h dem Anlagenzustand angemessenerer Verlauf der O F hrungsgr e m g lich w re bleibt als wesentliche systematische Unzul nglichkeit des SymBio Verfahrens das sehr h ufige sp te Auftreten des Maximums in der Tagesganglinie Diese Eigenschaft stellt eine grundlegende Schw che der O F hrungsgr envorgabe unter Ber cksichtigung der Be lebtschlammaktivit t dar weil beim Betrieb der KA in erster Linie die Nitrifikations und De nitrifikationsvorg nge von Interesse sind 116 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 6 1 5 Eine weitere systematische Unzul nglichkeit des SymBio Verfahrens Im Folgenden wird eine weitere systematische Besonderheit des SymBio Verfahrens erl u tert Sie resultiert aus der tempor ren Verlagerung von Belebtschlamm aus dem Belebungs becken in das Nachkl rbecken durch eine Erh hung des Zulaufvolumenstroms bzw eine hy draulis
74. 4 oO s wo sri u Jeyb yepleT Ipyp 6 8 Mu i 100 6 7 Lese ee Miet erg Me Me fen ia 0 4 8 12 16 20 h 24 0 4 8 12 16 20 h 24 Bild 7 10 pH Wert und Leitf higkeit im Zulauf der KA Netphen sowie deren zeitliche Ab leitung am 29 09 2001 162 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Ein blicher Ansatz bei der Analyse von Zeitverl ufen zur Bestimmung einer Besonderheit bzw eines Ereignisses besteht in der Betrachtung des Zeitverlaufes selbst und seiner Ablei tung nach der Zeit Die zeitliche Ableitung Bild 7 10 rechts der Messgr en Bild 7 10 links wurde durch Bil dung eines Differenzenquotienten 1 Ordnung ermittelt Der Verlauf des pH Wertes im Zulauf der Anlage legt das Auftreten eines Schmutzsto es um etwa 7 Uhr nahe Die Ganglinie der Leitf higkeit im Zulauf zeigt keine ausgepr gten Besonderheiten zumindest nicht im Zeit raum in dem blicherweise der Schmutzsto erwartet wird In den Ableitungen beider Gang linien ist das gesuchte Ereignis nur sehr schlecht zu erkennen Eigentlich gibt nur der Verlauf der zeitlichen Ableitung des pH Wertes im Zulauf einen vagen Hinweis auf das Ereignis Je doch ist die Spitze um etwa 7 Uhr verh ltnism ig schwach ausgepr gt und liegt in den Ma ximalwerten noch unterhalb der Werte die ihre Ursache in dem ausgepr gten Messrauschen zum Tagesanfang haben Prinzipiell ist zur Ereigniserkennung eine zeitliche Einschr nkun
75. 5 25 lag anfangs bei sehr hohen Werten etwa 4 g l Wegen der insbesondere bei Regenwetterzulauf hohen Gefahr eines Schlammabtriebes wurde er sukzes sive zur ckgenommen Im mittleren Bereich des Untersuchungszeitraumes ist das Messsignal sehr stark verrauscht und somit nur schwer interpretierbar Gegen Ende des Untersuchungs zeitraums lag der TS Gehalt im BB bei etwa 2 g l Es soll bereits hier darauf hingewiesen 5 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit intermittierender Nitrifikation und Denitrifikation 101 werden dass eine deutliche Senkung des TS Gehaltes bei einer nachhaltigen Unterschreitung der 12 C Grenze sehr sinnvoll ist weil dann Stickstoff berwachungswerte nicht mehr einge halten werden m ssen und somit eine Erh hung der Schlammbelastung gefahrlos durchge f hrt werden kann Weil die Senkung des TS Gehaltes vor allem die Gefahr eines Schlamm abtriebs reduziert sollte dies in einem solchen Fall unbedingt vorgenommen werden Die CSB Konzentration im Ablauf der Nachkl rung Bild 5 26 zeigte vergleichsweise gute Ergebnisse Dies ist erstaunlich weil im Untersuchungszeitraum meist Regenwetterzulauf herrschte und somit die Gefahr des Schlammabtriebs gro war Vermutlich besa der Belebt schlamm in diesem Zeitraum gute Absetzeigenschaften was die niedrigen CSB Ablaufkon zentrationen rechtfertigt Dennoch kam es gelegentlich zu berschreitungen des berwa chungswertes jedoch nicht in dem Ma e wie im ersten Feldversuch 199
76. 6 Ob die vergleichs wiese niedrigen CSB Ablaufkonzentrationen auf den Verzicht der Kreiselbel ftung zur ckzu f hren waren kann wegen des f r derartige Untersuchungen viel zu kurzen Untersuchungs zeitraumes nicht beurteilt werden Die Ganglinien der NH N NOx N und N s Ablaufkonzentration werden hier aus Gr nden der Anschaulichkeit nicht in einer gemeinsamen Grafik dargestellt Bild 5 28 Die NH N Konzentration im Ablauf der Nachkl rung blieb meist unterhalb des angestrebten Wertes von 4 mg l Im September und Oktober kam es zu einer vorr bergehenden berschreitung erst Ende November berschritt sie diesen Wert deutlich Als Ursache sind der zu niedrige TS Gehalt im BB und Temperaturen kleiner 12 C im BB zu nennen Auch die NOx N und N org Konzentration im Ablauf der Nachkl rung lag insgesamt bei sehr niedrigen Werten Im Untersuchungszeitraum war die Einhaltung des angestrebten N berwachungswertes jeder zeit gew hrleistet der geforderte NH N berwachungswert wurde auch bei Temperaturen ber 12 C gelegentlich berschritten Die Ursachen f r die recht guten Ergebnisse sind einerseits sicherlich die verbesserte Rege lungsstrategie insbesondere hinsichtlich der NH N Konzentration andererseits muss jedoch auch auf die starke Verd nnung der zulaufenden Schadstoffe durch Fremdwasser und den re sultierenden Frachtabschlag bei Regenwetterzulauf hingewiesen werden dessen Ursache und Auswirkung bereit
77. 6 eine Ganglinie in der die t glichen Extremwerte in einem Ker zendiagramm dargestellt sind 1000 900 800 700 600 500 400 300 Aktivit t in bpa 200 Ausfall der Datenaufzeichnung jooi Bea e E a a s E eaaa ia E Paiga peur D oa piapa fia Aug 11 Aug 18 Aug 25 Sep 2 Sep 9 Sep 16 Sep 23 Bild 6 6 Belebtschlammaktivit t im BB vom 07 08 27 09 1998 Darstellung der Tages maxima und minima Ordinate logarithmisch Wie in den Bildern 6 6 und 6 7 zu erkennen bewegt sich die Aktivit tsganglinie ber l ngere Zeitr ume in Trends Die Differenz zwischen Tagesmaximum und Tagesminimum bleibt da bei verglichen mit den Absolutwerten immer recht klein Im Bild 6 7 sind Vorschl ge f r eine O F hrungsgr engenerierung durch geeignete Vorgabe der Reglerentwurfsparameter Yarmin UNI Y rma eingetragen Die sich daraus ergebenden Fenster m ssten gelegentlich z B durch manuelle nderung der Entwurfsparameter dem Verlauf der Belebtschlammaktivit t nachgef hrt werden im Bild 6 7 angedeutet zudem m sste die Spanne zwischen yyn und Yarmax In Abh ngigkeit der ber einen Tag zu erwartenden Schwankungsbreite des Aktivit ts signals ver ndert werden Ans tze dieser Art entspr chen einer Adaption der Parameter des Aktivit tsreglers an sich ndernde Bedingungen Diese Anpassung m sste vom Betriebs personal der Kl ranlage manuell vorgenommen werden Dies sollte jedoch vermieden werden weil das Pe
78. 94 g l l 4 Die Kl ranlage Netphen 173 Bel ftungsstufe Kreisel 1 Kreisel 2 1 aus aus 2 Stufe 1 n 740 min P 18 kW aus 3 Stufe 1 n 740 mint P 18 kW Stufe 1 n 740 min P 18 kW 4 Stufe 2 n 989 mint P 25 kW Stufe 1 n 740 mint P 18 kW 5 Stufe 2 n 989 min P 25 kW Stufe 2 n 989 min P 25 kW Tab 4 1 Bel ftungsstufen der Oberfl chenbel ftung Der Verlauf der Regelgr e im Bild 4 4 zeigt das typische Verhalten einer mit einem Mehr punktregler geregelten Strecke H ufiges Schalten f hrt zum Oszillieren der Regelgr e um die F hrungsgr e Zur Tagesmitte erreicht die O Konzentration die F hrungsgr e nicht obwohl beide Kreisel mit Volllast betrieben werden Bel ftungsstufe 5 Dies gibt einen ers ten Hinweis auf eine Unterdimensionierung der Stellglieder Bei der sehr hohen O Konzen tration am Ende des Tages handelt es sich um einen Messfehler 4 3 Ausbauzustand bei intermittierendem Betrieb 1996 W hrend des intermittierenden Betriebes im Jahr 1996 siehe Kapitel 5 wurden im BB zu s tzlich Bel ftungsmatten f r die Begasung mit Reinsauerstoff installiert In der ersten Unter suchungsphase 1996 wurde lediglich zur Unterst tzung der Kreiselbel fter Reinsauerstoff zu dosiert siehe Kapitel 5 1 im zweiten Untersuchungszeitraum 1996 wurden die Kreisel still gelegt und ausschlie lich mit Rein O begast siehe Kapitel 5 2 H
79. Am 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 145 plituden des O Volumenstroms lassen sich Regenwetterphasen mit geringer O Zehrung ge ringere O Volumenstr me und Trockenwetterphasen erkennen 6 2 4 O F hrungsgr envorgabe mit dem SymBio Verfahren und einer Vorsteuerung Im Jahr 2000 wurde kurzzeitig ein sehr einfacher Ansatz zur Verbesserung des SymBio Verfahrens angewandt Wegen des nicht immer angemessenen O F hrungsgr enverlaufs bei Einsatz des SymBio Verfahrens und wegen der bereits angesprochenen Charakteristik der St rgr en ist es nahe liegend bei Auftreten gro er St rgr en d h w hrend des Schmutzsto es die O F hrungsgr e gesteuert auf einen h heren Wert zu setzen Weil so wohl der Zeitpunkt des Auftretens des Schmutzsto es als auch seine zeitliche Auspr gung mehr oder weniger gut bekannt sind und sich dieses Ereignis t glich wiederholt hat dieser Ansatz obwohl aus regelungstechnischer Sicht fast trivial zu nennen seine Berechtigung Bild 6 55 zeigt das eingesetzte Verfahren als Blockschaltbild Der Regelkreis des SymBio Verfahrens mit zus tzlicher O Begasung wurde um die gr n gezeichneten Elemente erwei tert Das zus tzlich eingef hrte Schaltkriterium sorgt in Abh ngigkeit eines Ereignisses daf r dass entweder die O F hrungsgr e des Aktivit tsreglers oder die konstante F hrungsgr Be wo auf den unterlagerten Regelkreis geschaltet wird Als zu
80. Ausfall des Ammoniumanalysa tors in einen Notbetriebmodus umschalten Hierbei handelte es sich um eine Zeitsteuerung der Intervalle Ty und Tpe gem der im Kapitel 5 1 beschriebenen Strategie Ferner musste sicher gestellt werden dass diese Notsteuerung immer mit einer Nitrifikationsphase begann Der f r die Regelung der O Konzentration eingesetzte handels bliche PID Regler erm glicht keine Programmierung logischer Verkn pfungen und Abfragen Deshalb wurde die Schaltlo gik mit einer externen Speicherprogrammierbaren Steuerung SPS realisiert Die Grenzwert kontakte des Ammoniumanalysators wurden abgefragt und mittels Timer die maximalen bzw 5 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit intermittierender Nitrifikation und Denitrifikation 95 minimalen Zeitintervalle realisiert Hieraus resultierte der im Bild 5 17 gezeigte Logikplan der das Blockschaltbild Bild 5 16 erg nzt Durch den Einsatz der beschriebenen ereignisabh ngigen Regelung der Nitrifikations und Denitrifikationsintervalle ergeben sich die folgenden charakteristischen Tagesg nge Bilder 5 18 bis 5 21 r nein Nitrifikation S NH N Konzentration Messwert nein geregelte O geregelte O Zufuhr aus ja Denitrifikation B oberer Schwellenwert f r die NH N Konz im BB B unterer Schwellenwert f r die NH N Konz im BB Timm minimale Nitrifikationsdauer Tom maximale Denitrifikationsdauer S NH4 N Konzentratio
81. B mammas Status NO3 N BB e NO3 N Konzentration in mg l Status 0 0 4 8 12 16 20 h 24 Bild 7 25 NO N Konzentration im BB und Statussignal vom 04 10 2001 7 Weiterf hrende Regelungskonzepte 175 O2 BB F hrungsgr e Fuzzy mmm erwendete F hrungsgr e O2 Konzentration in mg l 0 4 8 12 16 20 h 24 Bild 7 26 O F hrungsgr en und O Konzentration im BB vom 04 10 2001 Eine berpr fung der Betriebszust nde Kalibrierung und Sondensp lung wurde nur beim NH N Analysator vorgenommen Bei der Nitratstickstoffmessung wurde auf eine Abfrage verzichtet weil der Einfluss des NO N Messwertes auf die vorzugebende O F hrungsgr e sehr gering ist Beide Messsignale wurden aber auf offensichtliche Unplausibilit ten berpr ft Status Daten bertragung Diese Statusabfrage berpr ft ob das aus dem Bussystem ber tragene Wort kleiner als das AmA oder gr er als das 20mA quivalent ist Haben die Statusmeldungen in den Bildern 7 24 und 7 25 den Wert 1 liegt einwandfreier Betrieb vor Ist ihr Wert 0 wird der Messwert als unplausibel betrachtet und eine ent sprechende R ckfallebene bernimmt die Prozessf hrung Bild 7 24 zeigt die NH N Konzentration im BB und die beiden zugeh rigen Statusmeldungen am 04 10 2001 Die NH N Ganglinie zeigt den bereits angesprochenen h ufig auftretenden Messfehler mit
82. BB Die Istgr e lag ab etwa 19 Uhr noch deutlicher unterhalb der F hrungsgr e Bild 6 37 als im vorherigen Beispiel Dies weist auf eine noch st rkere Belastung der Anlage hin Wegen der stark ansteigenden NH N Konzen tration im BB wird ab etwa 20 Uhr zus tzlich mit Reinsauerstoff begast Bild 6 38 Bild 6 38 mach weiterhin deutlich dass die Kreisel bereits eine Weile mit Maximalfrequenz arbei teten bevor die Bel ftungsmatten zugeschaltet wurden W hrend dieses Zeitraums befand sich die NH N Konzentration im BB noch unterhalb der Schaltschwelle von 2 mg l erst nach deren berschreitung wurde Reinsauerstoff eingetragen Durch diese Ma nahme konnten die NH N Konzentrationen im Ablauf der Nachkl rung unterhalb des angestrebten Wertes von 4 mg gehalten werden Bild 6 39 6 2 1 Realisierung des verbesserten Regelungskonzeptes mit LabVIEW F r das hinsichtlich der Schaltlogik und Informationsverarbeitung deutlich anspruchsvollere SymBio Verfahren mit zus tzlicher Reinsauerstoffbegasung wurde die graphische Program mierumgebung LabVIEW 5 1 f r Windows eingesetzt Die Datenverarbeitung und speiche rung geschah auf einem handels blichen PC mit Windows NT 4 0 Die Anbindung der Feld ger te Messger te Stellglieder wurde mit einem Bussystem realisiert Als Master wurde eine Profibus PC Karte von Siemens als Slaves modular aufgebaute dezentrale Peripherie ger te mit analogen Ein Ausgangsmodulen 4 20 mA eingesetz
83. Belebungsanlagen bertrag 33 bar Zwingende Voraussetzungen f r die Anwendung dieser Methode sind e Online Messung der kritischen Parameter NH N NOx N oder NO N Konzentrati on einerseits oder als Ersatz f r die NOx N oder NO N Messung die direkte Mes sung der N Konzentration im Belebungsbecken e Ausreichende Bel ftungskapazit ten e Geeignete Stellglieder weil der O Eintrag z T fein dosiert vorgenommen werden muss Zudem sind sowohl sehr gro e als auch sehr kleine Stellgr en notwendig Insbesondere der Vorhalt ausreichender Bel ftungskapazit ten ist von Bedeutung Bei ber lasteten Anlagen m ssen meist zus tzliche Bel ftungsvorrichtungen installiert werden Auch sind bez glich der Dosierbarkeit geeignete Stellglieder nur selten zu finden weil die kon ventionelle Festwertregelung im Grunde keine ausgepr gte Feindosierung ben tigt Wegen der komplexen Zusammenh nge in der Abwasserreinigung insbesondere ihrer nichtli nearen und zeitvarianten Eigenschaften wird kein modellgest tzter Ansatz zur Prozessf h rung gew hlt sondern Fuzzy Logik zur O F hrungsgr engenerierung angewendet Modell gest tzte Ans tze sind sicherlich grunds tzlich leistungsf higer jedoch f r den Praxiseinsatz 3 Selbstverst ndlich sind immer anlagentypische Charakteristika zu ber cksichtigen 7 Weiterf hrende Regelungskonzepte 149 h ufig noch nicht zuverl ssig genug Zudem ben tigen sie zur B
84. Bild 5 4 anhand der N o Ganglinie zu erkennen Die Ursache f r die hohen NH N Ablaufwerte liegen vor allem im zu niedrigen TS Gehalt im BB Bild 5 4 und der daraus resultierenden f r eine ausreichende Nitrifikation nicht hinreichen den Bedingungen Aus der geringen Mikroorganismenkonzentration im BB resultiert auch die bereits angesprochene geringe Zehrung und somit letztlich auch die sehr hohen O Kon zentrationen im BB Aus diesen Gr nden wurden die Intervalle auf 7 1 5h und 7 0 67h T T Tpe 2 17 h ver ndert und ein Verh ltnis 7 7 9 1 2 25 realisiert Das Resultat dieser Ma nahme zeigen die folgenden Bilder 5 4 bis 5 6 ebenfalls anhand von Tagesg ngen 8 F r diesen Zeitraum liegen keine Messdaten des eingetragenen Reinsauerstoffvolumenstroms vor die diese Aussage belegen w rden 5 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit intermittierender Nitrifikation und Denitrifikation 83 12 10 O2 und NOX N Konzentration in mg l TS Gehalt in g l O 0 4 Bild 5 4 O NOx N Konzentration und TS Gehalt im BB am 25 05 1996 0o2Bl l 150 Volumenstrom in m3 h 16 Bild 5 5 Volumenstrom der O Begasung im BB am 25 05 1996 84 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 20 NH4 N Ablauf Nanorg Ablauf NOX N Ablauf E P F ETEA AEE ES TENE EN E E E EE Y A AEE EE EE EEN 15 Konzentrationen in m
85. ERSTEN SSR SE Jun 29 Jul 6 Jul 13 Jul 20 Jul 27 _ Aug 3 Aug 10 Aug 17 Aug 24 Aug 31 Sep 7 Sep 14 Sep 21 Bild 6 30 Belebtschlammaktivit t im BB vom 29 06 27 09 1998 50 a m Ba Ba EI EI EI AARI AAAA ASS B EEE EEE EEE ET BEER Kreiseifrequenz l il ia ze agan i e ET de le ee el I Fan i u a r Frequenz in Hz di lee d a Jun 29 Jul 6 Jul 13 Jul 20 Jul 27 Aug 3 Aug 10 Aug 17 Aug 24 Aug 31 Sep 7 Sep 14 Sep 21 Bild 6 31 Frequenz der Kreisel vom 29 06 27 09 1998 Mit Inbetriebnahme des SymBio Verfahrens im Juli 1998 wurde die Sauerstoffkonzentration im Belebungsbecken deutlich gesenkt Bild 6 29 In einer mehrw chigen Einfahrphase wurde die Kennlinie im berlagerten Regelkreis des SymBio Verfahrens so ver ndert dass eine zufrieden stellende Nitrifikation und Denitrifikation erreicht werden sollte Dieser Anpas sungsvorgang zeigt sich der Unstetigkeit in der Sauerstoffganglinie Pfeil im Bild 6 29 Nach Inbetriebnahme des SymBio Verfahrens stieg die Aktivit t nach der kurzen Regen wetterperiode im Juli 1998 stetig an Bild 6 30 hier herrschte Trockenwetterzulauf vor Ein lokales Minimum der Aktivit tsganglinie im September 1998 trat wiederum in einer Regen wetterperiode auf Eine Untersuchung der Frequenz der Bel ftermotore Bild 6 31 macht deutlich dass es fast w hre
86. Erling G Regelungstechnische Analyse einer Kl ranlage Fortschr Ber VDI Reihe 15 Nr 100 VDI Verlag D sseldorf 1992 Sengewein H Das Sauerstoff Belebungsverfahren Academia Verlag Richarz Sankt Augustin 1989 SIMBA02 SIMBA 4 0 SKPSOl SymB98 ThDa99 Tylm82 Simulation der biologischen Abwasserreinigung Benutzerhandbuch ifak system GmbH Magdeburg 2002 Sch nberger D K hne M Pla R Sekoulov I Schr der R Schieborr M Einsatz von Lamellenpaketen im Belebungsbecken zur Erh hung des Trockensubstanzgehaltes KA Wasserwirtschaft Abwasser Abfall 48 2001 S 54 61 Das SymBio Verfahren Pr sentation der BioBalance Technik Informationsmaterial der SHW H lter Wassertechnik GmbH Thiel H J Dammann W Ert chtigung von runden Nachkl rbecken durch Einbau von Lamellenkl relementen und rotierenden getauchten Abzugsrohren gwf Wasser Abwasser 140 1999 S 40 45 Tylmann J Schr gkl rer f r die Sedimentation wasser energie luft eau Energie air Heft 10 1982 S 263 266 WAHK95 Wolter C Adam K Hertrampf J Kiebert W Wehn89 Zoll97 Dritte Reinigungsstufe ohne Neubau Reinsauerstoffbegasung schafft Platz f r Denitrifikation awt 1995 Heft 3 S 32 33 Wehnert G Entwicklung einer kombinierten Fluoreszenz Streulichtsonde zur on line in situ Biomasseabsch tzung bei Fermentationsprozessen Fortschr Ber VDI Reihe 17 Nr 58 VDI Verlag D ss
87. Investitionen liegt der Hauptgrund f r die seit geraumer Zeit zu beobachtenden steigenden Abwassergeb hren Einen kosteng nstigeren Ansatz bietet die Leistungssteigerung einer bestehenden Kl ranlage durch eine verbesserte Prozessf hrung Neben der Online Messung der wichtigsten Prozess parameter erfordert dies jedoch die prozesssichere Implementierung h herer Regelungsalgo Einwohnerwert EW Summe aus Einwohnerzahl E und Einwohnergleichwert f r gewerbliche und industrielle Abw sser EGW DIN 4045 2 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen rithmen Weiterhin ist es sinnvoll neue oder bereits in der Vergangenheit angewandte Verfah ren auf ihr Potenzial zur Leistungssteigerung der biologischen Stufe zu berpr fen und gege benenfalls einzusetzen Diese experimentell orientierte Arbeit richtet sich in erster Linie an den Regelungstechniker oder den regelungstechnisch versierten Siedlungswasserwirtschaftler Sie soll belegen dass durch den Einsatz innovativer Verfahrenstechnik und durch die Anwendung einer h heren Regelungsstrategie die Reinigungsleistung einer kommunale Kl ranlage lterer Bauart so weit gesteigert werden kann dass ein Neubau oder eine bauliche Erweiterung unn tig wird Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von Regelungsstrategien zur Elimination der Stick stoffverbindungen des Abwassers durch Nitrifikation und Denitrifikation Wie einleitend ver merkt ist die Eli
88. K Wo2max Wo2min P 6 2 Y Akt max sX Y Aktmin Wo2max Wo2min ze Wo2min Y Akt max gt Wo2 max Y Aktmin O Wo2 min Aktmin 6 3 Aktmax Y Aktmin Y Akt max Y Aktmin Grunds tzlich sollte sich durch geeignete Wahl der Entwurfsparameter ein der Anlagenbelas tung angemessener Verlauf der O F hrungsgr e generieren lassen jedoch ist es m glich dass bei Wahl enger Spannen Yarmins Y rma die Aktivit tsmesswerte ber l ngere Zeitr ume Wochen Monate die gew hlten Bereiche verlassen In einem solchen Fall w rde die O F hrungsgr e ganzt gig und f r l ngere Zeitr ume im Bereich des durch die Begrenzung vorgegebenen Maximalwertes liegen Messwert y t verl sst die Spanne yurmins Y Armax nach oben oder dass sogar der Bereich der eigentlich f r den Notbetrieb vorgesehen ist umge kehrter Wirksinn der Kennlinie zum Einsatz kommt Messwert y t verl sst die Spanne Y rmin Y rma nach unten Beides widerspricht jedoch der Philosophie des SymBio 110 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Verfahrens und ist zu vermeiden Jedoch ist aufgrund der geringen Unterschiede zwischen den Tagesextremwerten die Vorgabe enger Spannen eigentlich notwendig Weil zur Generierung einer O F hrungsgr e mit ausreichend ausgepr gtem Tagesgang letztlich das Verh ltnis der Tagesmaxima und minima zur gew hlten y min Yarma Spanne ma gebend ist zeigt Bild 6
89. Kapitel 7 2 Die F4 Strategie sollte nur in Sonderf llen leicht h here oder niedrigere O F h rungsgr en generieren vor Allem um das Regelungskonzept besser an das zeitvariante sai sonale Streckenverhalten anzupassen Hier stand in erster Linie eine Verbesserung der Nitri fikationsbedingungen im Vordergrund 156 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Weil der Fuzzy Logik die wesentlichen Informationen ber die Regelstrecke bereits durch Messung der wichtigsten Zustandsgr en NH N und NO N Konzentration im BB mitge teilt werden ist es wenig verwunderlich dass der Einfluss weiterer Eingangsvariablen im Fuzzy Logik Konzept zur ckgenommen werden musste denn es gilt e Hoher TS Gehalt bewirkt ausreichende O Versorgung des BB vorausgesetzt eine niedrige NH N Konzentration e Niedriger TS Gehalt verschlechtert die Bedingungen f r die Nitrifikation und f hrt zu h heren NH N Konzentrationen e Hohe Temperatur verbessert die Bedingungen f r die Nitrifikation und f hrt zu niedrigeren NH N Konzentrationen e Niedrige Temperatur verschlechtert die Bedingungen f r die Nitrifikation und f hrt zu h heren NH N Konzentrationen Dies macht deutlich dass die Auswirkungen einer nderung der Eingangsgr en Temperatur oder TS Gehalt immer in der Eingangsvariablen NH N zudem auch immer in der NOx N Konzentration und somit in der Eingangsvariablen N enthalten sind
90. NH N Konzentration f r kurze Zeit auf Null Beide Statussignale melden einwand freien Betrieb Hierbei handelt es sich dennoch um einen Messfehler weil ein derartiges Verhalten der Regelstrecke verfahrenstechnisch nicht m glich ist Dieser Messfehler ist sehr gef hrlich weil er von den hier eingef hrten Statusabfragen nicht detektiert werden kann und zu niedrigen O F hrungsgr en f hrt Gl cklicherweise tritt er sehr selten und nur f r kurze Zeitspannen auf anderenfalls m sste das Konzept der Umschaltung in eine R ckfallebene ge ndert werden was in diesem speziellen Fall keine triviale Aufgabe w re Hier zeigt sich die enorme Bedeutung einer zuverl ssigen Messtechnik f r die Realisierung einer gleichzeitig komplexen und sicheren Prozessf hrungsstrategie Im Bild 7 24 ist weiterhin zu erkennen dass der NH N Analysator f r den gesamten Zeit raum des Sp lens oder Kalibrierens den letzten zuvor gemessenen Wert h lt so dass sich in diesem Zeitraum die tats chliche NH N Konzentration im BB deutlich vom angezeigten Wert unterscheiden kann Dies zeigt sich an der sprunghaften Ver nderung des Zeitverlaufs nach Ende der Kalibrierung zwischen 16 und 17 Uhr Der fehlerhafte Messwert in diesem Zeitraum k nnte zur Vorgabe unplausibler m glicherweise zu geringer O F hrungsgr en f hren Dies wird durch die Erkennung der Sp l und Kalibriervorg nge mit der Statusabfrage Kalibrierung Sp lung vermieden in dem i
91. Nitrifikation und Denitrifikation 91 So kann es zu Zeiten geringer Zulaufbelastung geringe NH N Konzentrationen geschehen dass O in das Belebungsbecken eingetragen wird obwohl keine Gefahr besteht die vorge schriebenen berwachungswerte zu berschreiten unwirtschaftlicher Betrieb Andererseits ist es m glich dass bei hoher Belastung hohe NH N Konzentration nicht bel ftet wird weil die Zeitsteuerung Denitrifikation vorgibt Das kann unter Umst nden zur berschreitung des NH N berwachungswertes f hren Insbesondere der Zeitpunkt des morgendlichen Schmutzsto es wurde bisher nicht im Prozess f hrungskonzept ber cksichtigt Die Vorgabe des Betriebszustandes Nitrifikation oder De nitrifikation in diesem kritischen Zeitraum geschah eher zuf llig weil die Wahl der Intervall dauer 2h 0 5 h bzw 1 5 h 0 67 h eine tageszeitliche Verschiebung der Nitrifikations und Denitrifikationsintervalle ber l ngere Zeitr ume mehrere Tage Wochen bewirkte Die Ur sache liegt in der Periodendauer von T Ty Tpe 2h 0 5h 2 5h bzw T T T 1 5h 0 67h 2 17h die jeweils kein ganzzahliger Bruchteil von 24 h sind Es ist jedoch u erst wichtig dass bei Auftreten des morgendlichen Schmutzsto es nitrifiziert wird siehe Kapitel 6 1 2 Abschlie end ist noch zu bemerken dass die Intervallzahl pro Tag mit n 24h 2 5h 9 6 bzw n 24h 2 17h 11 1 recht hoch ist wenn man sie mit bisher bekannten Erfahrungs werten von
92. Nitrifikationsintervalle sind grau gekennzeichnet Auff llig sind die teilweise sehr hohen O Konzentrationen in den n chtlichen Schwachlastphasen Der gesteuerte Betrieb der Kreiselbel fter f hrte zu diesen Sollwert berschreitungen Durch die geregelte Zusatzbega sung wurde zwar verhindert dass in solchen Phasen zus tzlich Reinsauerstoff ber die Bel f tungsmatten eingetragen wurde mit Ausnahme des ebenfalls gesteuerten Zeitraums Tsun jedoch w re eine zus tzliche Regelung der Kreisel in diesen Zeitr umen sinnvoll um Energie einzusparen Die damals eingesetzte Hardware bestehend aus einem PID Regler Sipart DR 20 zur Regelung der O Konzentration im BB und eine SPS Simatic S5 f r die Vorgabe der Zeitintervalle erlaubte dies jedoch nicht Weiterhin f llt auf dass sich in den Denitrifikationsphasen zwischen 0 und 7 Uhr die O Konzentration im BB wegen der geringen Zehrung nur sehr langsam in den anoxischen Be reich bewegten In diesem Zeitraum herrschten also selbst w hrend der Bel ftungspause meist aerobe Bedingungen was auch am Verlauf der NOx N Konzentration deutlich wird die selbst in der nicht bel fteten Phase stieg Dies ist unsinnig und zeigt dass Tp mit 0 5 h deutlich zu kurz ausgelegt wurde Trotz der langen Nitrifikationsintervalle berschreitet die NH N Ablaufkonzentration Bild 5 4 noch den geforderten berwachungswert von 4 mg l der N berwachungswert von 18 mg l wurde jedoch eingehalten im
93. P a t A E TF a LE Q Ablauf 0 TEEN ee Ber TEEN BER 0 0 1 2 3 4 5 6 d 7 Bild 6 14 Volumenstrom im Ablauf und TS Gehalt im BB bei Trockenwetterzulauf 30 08 05 09 1999 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 117 100 l l 480 Q Ablauf Aktivit t BB a A ME a Ausfall der Datenaufzeichnung J 470 o des Aktivit tssignals c a 460 8 z 40 450 3 B S 20 440 0 430 Bild 6 15 Volumenstrom im Ablauf und Aktivit t im BB bei Trockenwetterzulauf 30 08 05 09 1999 Bild 6 14 macht anhand einer Wochenganglinie deutlich dass bei Trockenwetter mit dem typischen morgendlichem Anstieg des Volumenstroms ein R ckgang des TS Gehaltes im BB einher geht In diesen Zeitr umen ist die Trockensubstanzfracht vom BB in die Nachkl rung gr er als die des R cklaufschlammes Der aus dem BB verdr ngte Belebtschlamm verl sst das System Belebungsbecken Nachkl rbecken bei regul ren Bedingungen nicht sondern wird in der Nachkl rung gespeichert 10 NHA N Ablauf NH4 N BB Em a a a u ui S S S 6 Messfehler une er sn le i l T D la 4 x A T 2 0 Bild 6 16 NH N Konzentration im BB und im Ablauf der Nachkl rung bei Trockenwetter zulauf 30 08 05 09 1999 118 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Bei nachfolge
94. Regelungstechnische und verfahrenstechnische Ma nahmen zur Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades DOKTOR INGENIEUR vorgelegt von Dipl Ing Dirk Sch nberger aus Dillenburg Niederscheld genehmigt vom Fachbereich Maschinentechnik der Universit t Siegen Referent Univ Prof Dr Ing M K hne Korreferent Univ Prof Dr Ing W D chting Tag der m ndlichen Pr fung 25 Juli 2003 urn nbn de hbz 467 540 Vorwort Diese Arbeit entstand w hrend meiner T tigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Zentrum f r Sensorsysteme ZESS und am Institut f r Mechanik und Regelungstechnik IMR der Universit t Siegen Meinem Doktorvater Herrn Prof Dr Ing Manfred K hne danke ich f r die gro z gige F r derung bei der Durchf hrung dieser Arbeit seine Diskussionsbereitschaft und viele Anre gungen Herrn Prof Dr Ing Werner D chting danke ich f r das Interesse an meiner Arbeit und die bereitwillige bernahme des Korreferats Mein Dank gilt zudem allen Mitarbeiten des Institutes und des Zentrums f r Sensorsysteme f r die freundliche Unterst tzung und die gute Zusammenarbeit Ebenfalls danke ich allen Studentinnen und Studenten die meine T tigkeit im Rahmen von Studien und Diplom arbeiten oder als studentische Hilfskr fte unterst tzt haben Der urspr ngliche Titel dieser Arbeit lautete Regelungstechnische und verfahrenstechnische Ma nahme
95. S 802 811 Sch nberger D K hne M Leistungssteigerung einer Kl ranlage durch verfahrens und regelungstechnische Ma nahmen Beitrag zum 45 Internationalem Wissenschaftlichem Kolloquium der TU Ilmenau Tagungsband Ilmenau 2000 S 268 278 Schuhen M K hne M Optimierung der Stickstoffelimination in Kl ranlagen mit Hilfe der pr diktiven Regelung Beitrag zur Fachtagung Moderne Methoden des Regelungs und Steuerungsentwurfes 1997 Magdeburg S 136 143 190 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen ScK 97b Schuhen M K hne M Pr diktive Ammonium Regelung in Kl ranlagen mit Speicherbecken Ein Modellvergleich Beitrag zum 42 Int Wiss Koll Informatik und Automatisierung im Zeitalter der Informationsgesellschaft IImenau 1997 Bd 3 S 290 295 ScK 97c Schuhen M K hne M Vorausschauende Ammonium Regelung in Kl ranlagen mit Speicherbecken Beitrag zum 5 Symposium Erfahrungen mit Analysen und Proze me ger ten in Abwasserreinigungsanlagen Techn Akademie Esslingen 1997 16 Seiten ScK698 Sch nberger D K hne M Einsatz eines Lamellenabscheiders in der Belebung zur Erh hung des TS Gehaltes Erste Ergebnisse eines Feldversuchs 9 Magdeburger Abwassertage 1998 Eigenverlag Dr B Lange GmbH D sseldorf 1998 S 123 135 ScKu89 Schade H Kunz E Str mungslehre 2 durchgesehene und verbesserte Auflage Walter de Gruyter Berlin New York 1989
96. Sc n00a Sch nberger D Leistungssteigerung der Kl ranlage Netphen durch den Einsatz von Lamellenabscheidern Beitrag zum Seminar Die Transparente Kl ranlage in Angewandte Prozess Messtechnik Nr 21 Eigenverlag Dr B Lange GmbH D sseldorf 2000 S 141 153 Sc n00b Sch nberger D Verfahrens und regelungstechnische Ma nahmen zur Steigerung der Reinigungsleistung kleiner und mittlerer Kl ranlagen am Beispiel der Kl ranlage Netphen Abschlussbericht zum gleichlautenden und vom Ministerium f r Umwelt Raumordnung und Landwirtschaft des Landes Nordrhein Westfalen bewilligten Untersuchungsvorhaben IV B6 042 123 IMR Bericht 02 00 Universit t Siegen 2000 86 Seiten und Anhang 80 Seiten Sc n99 Sch nberger D Leistungssteigerung von Kl ranlagen durch den Einsatz von Lamellenabscheidern in Angewandte Prozess Messtechnik Nr 20 Eigenverlag Dr B Lange GmbH D sseldorf 1999 S 141 153 ScSa84 Schade H Sapulak A Parallelplattenabscheider Tilted Plate Settler Korrespondenz Abwasser 31 1984 S 104 111 ScSc98 Sch nberger D Schuhen M MSR Konzepte zur Betriebsf hrung einer kommunalen Kl ranlage mit intermittierender Denitrifikation at Automatisierungstechnik 46 1998 S 485 491 Scuh98 Schuhen M Pr diktive Regelung der Ammonium Stickstoffkonzentration in Kl ranlagen mit Ausgleichsbecken at Automatisierungstechnik 46 1998 S 284 294 9 Literatur 191 Seib92 Seng89 Seibert
97. V Bild 3 25 meist bei akzeptablen Werten von unter 130 ml g Auch hier zeigte sich dass der Belebtschlamm im Winter grunds tzlich schlechtere Absetzeigenschaften besa als im Sommer 64 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 3 6 3 Ergebnisse aus dem Jahr 2000 120 a a herer Va a DT TI SIT a a a oaar i 1 0 0550 TE ii EEEEEEEEEZEEE mu ME pa ee Ausfall der TES T Ausfall der Datenaufzeichnung 100 80 eo t T Volumenstrom in l s 40 20 Jan 10 Feb 7 Mar 6 Apr 3 May 1 May 29 Jun 26 Julj24 Aug 21 Sep 18 Oct 16 Nov 13 Dec 11 Bild 3 26 Volumenstrom im Ablauf der Nachkl rung vom 03 01 31 12 2000 10 Ira Ar Aloe llieeleod se ale afrea lt ala ale fe ak oie are alr afs orlo a I An sie de MP lesae ce ol eo ale oe lea I ea r TSBB MESSE SEBELSIEEHBELR SERIE BE IS EL DE ZEIT ZITE Z ZIG TS BB Ablauf SEE TS Gehalt in g l ee ee ee Jan 10 Feb 7 Mar 6 Apr 3 May 1 May 29 Jun 26 Jul 24 Aug 21 Sep 18 Oct 16 Nov 13 Dec 11 Bild 3 27 TS Gehalt im BB und im Zulauf zur Nachkl rung vom 03 01 31 12 2000 100 aa Sa a Es a ea u az Fa a a ae a a Pa ba a ns U DU Abscheidegrad Ei EEE EI EEE EEE SE TEL 60 F 40 HiHi AM Abscheidegrad in 20 AH AH EAF He AA o HiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiidiiiiiiiMiiiiitiiiiiiii Jan 10 Feb 7 Mar 6 Apr 3 May 1 May 29 Jun 26 Jul 24 Aug 21 Sep 18 Oct 146 Nov 13
98. Wegen dieses Zu sammenhanges ist es sinnvoll den Einfluss der zus tzlichen jedoch teilweise in den anderen Eingangsgr en bereits enthaltenen Informationen aus der Temperatur und dem TS Gehalt ber eine Gewichtung eine geringere Bedeutung in der Fuzzy Logik zuzuweisen Die genannten Zusammenh nge rechtfertigen auch den etwas un blichen Entwurf der Fuzzy Regelung in zwei getrennten Bl cken Regeln 1 bis 10 und Regeln 11 bis 16 blicherweise werden beim Entwurf alle Eingangsgr en miteinander in Relation gesetzt was zu einer deutlich gr eren Anzahl von Regeln f hren w rde die sp ter teilweise wieder eliminiert werden m ssten Der hier gew hlte Ansatz l sst sich jedoch durch die besondere Kombinati on der gew hlten Eingangsgr en gut rechtfertigen und bietet vor Allem mehr Transparenz und bersichtlichkeit beim Entwurf bzw der Optimierung der Fuzzy Logik 37 Allerdings nur unter den bereits an verschiedenen Stellen gemachten Einschr nkungen 7 Weiterf hrende Regelungskonzepte 157 7 1 3 Strukturumschaltbare Fuzzy Regelung mit zwei Eingangsgr en F2S Strategie im Jahr 2000 Obwohl mittels Fuzzy Methoden blicherweise der gesamte Zustandsraum durch eine einzige Struktur beschrieben werden kann Zimm93 wurde eine strukturumschaltbare Fuzzy Rege lung realisiert weil nicht alle Zustandsgr en der zu regelnden Strecke in allen Betriebssitu ationen bekannt sind Folglich ist eine spezielle Anpassung an da
99. a Ablauf in mg l Trockensubstanz BB x ee Schalfin oil TS Gehalt ja Ablauf gemessen ber die Tr bung Temperatur in C T Ja BB pH Wert pH ja Zulauf BB Redoxpotenzial Zulauf in mV m i BB Leitf higkeit LF ja Zulauf in uS cm BB Die Einheit bpa biological potential PD ao Aktivit t ja BB activity hat keinen direkten Bezug aktivit t in bpa Re zu den SI Einheiten Tab 2 2 Messgr en und Messorte SAK Spektralabsorptionskoeffizient indirekt aus anderen Messgr en 8 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Weiterhin sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen dass die Analyse gemessener Gang linien h ufig schwierig ist Sonderf lle und voneinander abweichende Randbedingungen ma chen den Vergleich oder die Interpretation bestimmter Ereignisse in den Zeitverl ufen manch mal ganz unm glich Der Volumenstrom des zuflie enden Mischwassers oder des abflie enden gereinigten Abwas sers wird blicherweise mit magnetisch induktiven Durchflussmessern oder mit Messwehren ermittelt Abgesehen von einer vernachl ssigbaren Zeitverz gerung sind der Zulauf und Ab laufvolumenstrom von Kl ranlagen weitgehend identisch Lediglich im Fall des noch zu er l uternden Vorgangs des Schlammabzuges unterscheiden sie sich deutlicher Jedoch ist der Volumenstrom des abgezogenen Schlammes im Vergleich zum Zulaufvolumenstrom relativ klein so dass mit diesen geringf gigen Einschr nkungen
100. abscheider kl rbecken Bild 4 8 Prinzipskizze des Belebungsbeckens der Kl ranlage Netphen 2001 76 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen m s Bild 4 9 Im BB der Kl ranlage Netphen eingesetzter Tauchbel fter links ausgebaut rechts nach der Installation 4 7 Eine Besonderheit der Kl ranlage Netphen Bez glich des Schadstoffabbaus in einer kommunalen Kl ranlage ist blicherweise der Belas tungsfall Regenwetterzulauf deutlich kritischer als Trockenwetterzulauf Die Ursachen sind e Bei hohen Volumenstr men Regenwetterzulauf ist die Aufenthaltszeit der zulaufen den Schmutzfracht im System Kl ranlage k rzer als bei niedrigen Volumenstr men Trockenwetterzulauf e Der Wirkungsgrad der Nachkl rung bei der KA Netphen auch des Lamellenabschei ders ist durch die gr ere hydraulische Belastung bei Regenwetterzulauf niedriger als bei Trockenwetterzulauf Hier steigt die Gefahr des Schlammabtriebs Bez glich der zuerst genannten Ursache gilt f r die KA Netphen jedoch eine Besonderheit Das diese Anlage mit Mischwasser versorgende Kanalnetz ist sehr marode Der Fremdwasser anteil im Zulauf somit hoch Im Falle des Regenwetterzulaufes f hren diese hohen Fremd wasseranteile sehr schnell zu einer hydraulischen berlastung der KA Netphen Als Folge wird der bersch ssige Zulaufvolumenstrom in das Regen berlaufbecken geleitet was in solchen F llen h ufig berl
101. age Netphen mit intermittierender Nitrifikation und Denitrifikation 81 5 1 1 Ergebnisse des gesteuerten Betriebs Die Ergebnisse des durchgef hrten Feldversuches und aufgetretene Besonderheiten werden im Folgenden anhand gemessener Ganglinien vorgestellt Zun chst werden ausgew hlte Ta gesg nge gezeigt um die Wirkungsweise der intermittierenden Nitrifikation und Denitrifikati on zu erl utern Sp ter werden l ngere Zeitr ume betrachtet um die Wirksamkeit der zeitge steuerten Nitrifikation und Denitrifikation beurteilen zu k nnen 12 10 O2 und NOX N Konzentration in mg l TS Gehalt in g l 2 0 0 4 8 12 16 20 h 24 Bild 5 2 O NOx N Konzentration und TS Gehalt im BB am 18 5 1996 20 18 j NH4 N Ablauf NO3 N Ablauf 5 15 Pe oo Nanorg Ablauf G D Q S T D N C O X oL Bild 5 3 0 4 8 NH N NO N und N ie 18 5 1996 16 Konzentration im Ablauf der Nachkl rung am 12 82 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Zu Beginn der Messkampagne wurde basierend auf Erfahrungen mit vergleichbaren Anlagen eine Nitrifikationszeit 7 2h Bel ftungszeit und eine Denitrifikationszeit 7 0 5h Bel ftungspause gew hlt Bild 5 2 Daraus ergibt sich ein Verh ltnis 7 Toe 4 1 und eine Intervallzeit T Ty 7 2 5 h Bild 5 2 zeigt die O die NOx N Konzentration sowie den TS Gehalt im BB in einem Tages gang Die
102. alisiert was vergleichsweise gro e Beckenvolumina er fordert Bei dieser Verfahrensvariante ist der abgezogene berschussschlamm biologisch be reits weitgehend stabilisiert Die aufw ndige aerobe oder anaerobe Schlammstabilisierung in eigens daf r vorzusehende Becken oder Reaktoren entf llt Eine weitere Kenngr e zur Beurteilung der Nitrifikationsf higkeit einer Kl ranlage ist das Schlammalter trs Nach DIN 4045 ist dies der Quotient aus der Trockenmasse im BB und der Trockenmasse des t glich abgezogenen berschussschlammes einschlie lich der t glich im Abfluss der Nachkl rung enthaltenen abfiltrierbaren Stoffe Die Gleichung 2 8 beschreibt das Schlammalter ber die entsprechenden Trockensubstanzgehalte In m s abfilt d 2 8 Das Schlammalter entspricht einer mittleren Verweilzeit der Mikroorganismen im System Kl ranlage MuKu8 es wird in Tagen angegeben Hohe Schlammalter stehen f r einen gro en Anteil an Nitrifikanten in der Bioz nose Das Arbeitsblatt A131 der ATV fordert f r Trockensubstanz oder Trockenmasse Die nach einem Trocknungsverfahren erhaltene Masse DIN 4045 Mit Schlammstabilisierung werden alle Verfahren der Schlammbehandlung bezeichnet die der Verringerung der geruchsbildenden Inhaltsstoffe und der organischen Schlammfeststoffe dienen Erw nschte Nebenziele sind die Verbesserung der Entw sserbarkeit und die Verminderung der Krankheitserreger nach DIN 4045 10 Trocke
103. alle Belebungsverfahren sollen die wichtigsten Stell St r und Zustandsgr en dieses Prozesses beschrieben werden Als wichtigste Stellgr e dient die eingetragene Luft oder Reinsauerstoffmenge Die M glichkeit der Zugabe von externen C Quellen zur Verbesserung der Denitrifikation wurde bereits ange sprochen Eine spezielle Stellgr e der vorgeschalteten Denitrifikation ist die interne Rezirku lation der Volumenstrom des aus der Nitrifikationszone in die Denitrifikationszone zu trans portierenden Belebtschlamms Zustandsgr en sind die Ammonium Nitrat und Gel stsau erstoffkonzentration der TS Gehalt und die Konzentration der leicht abbaubaren organischen Kohlenstoffverbindungen im BB hier Substrat genannt Sie sind durch die Prozessf hrung Regelung Steuerung beeinflussbar Wie bereits angedeutet ist die Temperatur des Belebt schlamms eine wesentliche Gr e f r die Reinigungsleistung einer Kl ranlage jedoch ist sie durch eine Prozessregelung nicht beeinflussbar Die Streckenparameter Zeitkonstanten und Verst rkungsfaktoren sind jedoch temperaturabh ngig siehe Kapitel 2 3 3 St rgr en Zustandsgr en Stellgr en Ausgangsgr en CSB BSB NH NO O Luft Rein O berwachungswerte NH Pi Ps Substrat Externe C Quellen CSB BSB pH Wert TS Gehalt SCHIAINMSBZUG Na NHN P o interne Rezirkulation s 9 F ll Flockungsmittel N Bel f
104. ammindex ISV macht den gro en Ein fluss des Absetzverhaltens des Belebtschlamms auf den Abscheidegrad deutlich Dies ist be sonders im August und September 1998 zu erkennen wo die hohen mineralischen Anteile des 62 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Baugrubenschlamms einen niedrigen Schlammindex bedingten und dadurch der Abscheide grad trotz teilweise hoher Volumenstr me auf ber 60 stieg 3 6 2 Ergebnisse aus dem Jahr 1999 120 I Gr Tamak Fu te T ea ae a a a a a Da Ta Ta a Fa Ta a Eeoa Ausfall der EERE P Ee E eaa E D Poan E Datenaufzeichnung 80 60 J i Volumenstrom in l s 40 20 0 Jan 11 Feb 8 Mar 8 Apr 5 May 3 May 31 Jun 28 Jul 26 Aug 23 Sep 20 Oct 18 Nov 15 Dec 13 Bild 3 22 Volumenstrom im Ablauf der Nachkl rung vom 04 01 1999 02 01 2000 gg I 1 TSBB RE TsBBAblauff iii oo ESITE 10 TS Gehalt in g l 0 ii Li i kje i Jan 11 Feb 8 Mar 8 Apr 5 May 3 May 31 Jun 28 Jul 26 Aug 23 Sep 20 Oct 18 Nov 15 Dec 13 Bild 3 23 TS Gehalt im BB und im Zulauf zur Nachkl rung vom 04 01 1999 02 01 2000 100 80 60 40 Abscheidegrad in gt All mm T o Ian Jan 11 Feb 8 Mar 8 Apr 5 May 3 May 31 Jun 28 Jul 26 Aug 23 Sep 20 Oct 18 Nov 15 Dec 13 Bild 3 24 Abscheidegrad der Lamellenabscheider vom 04 01 1999 02 01 2000 3 Leistungssteigerung von Kl ranlagen durch den Ein
105. anlagen Diese Berechnungsvorschrift l sst sich jedoch nicht ohne weiteres auf Lamellenabscheider anwenden weil der Schlammindex ZSV f r eine Sedimentationsdauer von 30 Minuten ermit telt wird Diese liegt deutlich ber der Aufenthaltszeit der Belebtschlammpartikel im LA SKPS01 Wegen des stark nichtlinearen Charakters der Absetzkurve bei der Bestimmung des Schlammvolumens ist es fraglich ob die Einf hrung linearer Korrekturglieder Korrektur faktoren in Gleichung 3 21 zu einem brauchbaren Ergebnis f hren kann 3 4 Einsatz von Lamellenabscheidern im Belebungsbecken der Kl ranlage Netphen Bei einer nachtr glichen Installation von Lamellenabscheidern zur Leistungssteigerung einer KA ist der Einbau im BB meist einfacher zu realisieren als in der Nachkl rung weil hier b licherweise keine st renden Einbauten z B R umer zu finden sind Hier sind insbesondere Nachkl rbecken mit Saugr umern wie im Fall der KA Netphen problematisch Zudem ist die Str mungsgeschwindigkeit im BB gr er was meist eine R umung des abgeschiedenen Belebtschlamms im Bereich unterhalb der LA berfl ssig macht Von einem Einsatz von LA im BB wurde erstmals in Krog96 berichtet Auf einer d nischen Kl ranlage wurde eine vergleichsweise aufw ndige Konstruktion eingesetzt die ein fast voll st ndiges Abscheiden der Feststoffe bereits im BB erm glichte In Deutschland wurden La mellenabscheider im BB erstmals auf der Kl ranlage Netphen einges
106. asung nach ScKK01 Abfrage trag SnH4 n U1 u k 1 u2 k 1 nein amp ja B s Stellgr en Bild 6 33 Logikplan des Schaltkriteriums 130 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Das Grundprinzip des SymBio Verfahrens wurde beibehalten es wurde lediglich durch die im Bild 6 32 blau gekennzeichneten Komponenten erweitert Die Einf hrung eines zweiten PID Reglers wurde n tig weil das Stellglied Bel ftungsmatten f r den Eintrag des Rein sauerstoffes ber eine andere Dynamik verf gt als das Stellglied Kreisel f r die Abdeckung der Grundlast Zudem nutzen sie den gleichen Messwert als Istwert so dass wegen der An ordnung der Stellglieder an verschiedenen Orten des BB auch unterschiedliche Totzeiten auf treten Wegen der hohen Kosten f r den Reinsauerstoff sollte nicht in allen auftretenden F llen der berlastung der Kreisel zus tzlich begast werden Nur wenn tats chlich die Gefahr der ber schreitung des NH N berwachungswertes bestand wurde auf die Reinsauerstoffbegasung zur ckgegriffen Wegen der Kopplung beider Regelkreise geregelter O Eintrag ber die Kreisel und geregel ter O Eintrag ber die Bel ftungsmatten durch die Regelstrecke muss sicher gestellt werden dass bei Zuschalten der Zusatzbegasung die Regelung der Kreisel ausgeschaltet wird In die sem Fall werden die Kreisel immer mit Maximaldrehzahl betrieben Nur so ist sicher zu stel
107. ation of Purification Processes in Wastewater Treatment Plants Using the Modular Toolbox KSIM Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems 5 1999 S 285 297 KoSt86 Koppe P Stozek A Kommunales Abwasser Vulkan Verlag Essen 1986 KoSt93 Koppe P Stozek A Kommunales Abwasser Vulkan Verlag Essen 3 Aufl 1993 Kosu0l Kosub M Reduzierung von Bl hschlamm mittels F ll und Flockungsmittel auf der Kl ranlage H rth Stotzheim in Schwerpunktseminar Schlammbehandlung vom 21 September 2001 Eigenverlag Dr B Lange GmbH D sseldorf 2001 Krog96 Krogh Andersen K Secondary sedimentation of activated sludge by a lamella separator placed in an oxidation ditch European Water Pollution Control Journal 4 1996 S 37 44 Krei98 Kreisel H Das SBR Verfahren in der industriellen Abwasserreinigung am Beispiel einer Molkerei Beitrag zu den 9 Magdeburger Abwassertagen Tagungsband Eigenverlag Dr B Lange GmbH D sseldorf 1998 Kroll93 Kroll A Verfahren f r adaptive Regelungen mit Fuzzy Logik Forschungsbericht 10 93 Gerhard Mercator Universit t GH Duisburg 1993 9 Literatur 189 Kunz95 Lewi87 Marx00 MuKu88 Pla 98 POGS90 ScHK96 ScHK97 ScKK01 ScK 00 ScK697a Kunz P M Hrsg Eigen und Proze kontrolle in Kl ranlagen VCH Verlag Weinheim 1995 Lewinsky Kesslitz H P Fl chenbeschickung durch Schr gplatten verdoppelt Umwelt amp
108. atz von LA im Belebungsbecken einer Kl ranlage werden mittels der auf der KA Netphen erworbenen Praxiserfahrungen vor gestellt Detaillierte Hinweise auf die Auslegung von Lamellenabscheidern in Form von Be rechnungsvorschriften k nnen nicht gegeben werden Die Auslegung der auf der KA Netphen eingesetzten LA erfolgte auf Basis empirisch gewonnener Kenntnisse SKPSO1 durch die Fa SHW H lter Wassertechnik GmbH in Essen Kooperationspartner bei den F amp E Projekten der Jahre 1998 und 1999 3 3 1 Klassifizierung von Lamellenabscheidern Lamellenabscheider lassen sich nach ihrer Str mungsf hrung charakterisieren Man unter scheidet im Wesentlichen zwischen Gleichstrom Gegenstrom und Kreuzstrombetrieb Bild 3 3 Ma gebend ist dabei das Verh ltnis der Str mungsrichtung des Suspensionshauptstroms zum abw rts gleitenden Feststoffstrom BiWi83a 3 _ Leistungssteigerung von Kl ranlagen durch den Einsatz von Lamellenabscheidern 49 Gegenstrombetrieb Gleichstrombetrieb Kreuzstrombetrieb E 4 g Suspension fl ssige Phase Weste Phase Bild 3 3 M gliche Str mungsf hrungen bei Lamellenabscheidern Im Gegenstrombetrieb liegen die Str mungsrichtungen der Suspension und der abzuscheiden den festen Phase genau entgegengesetzt Im Gleichstrombetrieb sind sie gleichgerichtet im Kreuzstrombetrieb liegt die Str mungsrichtung der festen Phase orthogona
109. auerstoffregler f r mit Hysterese die Bel ftungsmatten NH N Messung Bild 5 16 Blockschaltbild zur Regelung der Ammonium und Sauerstoffkonzentration mit berlagerter Zeitsteuerung Aus den im Kapitel 5 1 genannten Gr nden wurde f r eine zweite Versuchskampagne im Herbst 1996 eine Regelung eingesetzt die den Sauerstoffeintrag in Abh ngigkeit von der ak tuellen Ammoniumkonzentration im BB erm glicht Bild 5 16 berschreitet die NH N Konzentration einen oberen Grenzwert Bo S ygan wird solange Sauerstoff eingetragen max bis ein unterer Grenzwert B S unterschritten wird Danach wird denitrifiziert d h NH 4 N min die Bel ftung wird solange ausgeschaltet bis der obere Grenzwert wieder erreicht ist Mit R cksicht auf die autotrophen Mikroorganismen im Belebungsbecken die aerobe Milieu bedingungen ben tigen muss dieser ereignisabh ngigen Regelung noch eine Steuerung der Nitrifikations und Denitrifikationszeiten berlagert werden Die Denitrifikationsdauer darf einen Maximalwert Tpemax nicht berschreiten Ist dieser Maximalwert erreicht muss unab 94 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen h ngig von der Ammoniumkonzentration im BB f r eine vorgeschriebene Mindestzeitspanne Timin nitrifiziert werden Zur Bestimmung der Parameter Bo Bu Tpemar UNd Tyimin f r die KA Netphen sind folgende Randbedingungen und Vorgaben ber cksichtigt worden ScCHK97 e Die einzuhaltende
110. auf dem Abbau organischer Kohlenstoffverbindungen Durch gro z gige Dimensionie rung des Volumens der biologischen Reinigungsstufe einer Kl ranlage wurde die Einhaltung gesetzlich vorgeschriebener Grenzwerte f r die summarischen Verschmutzungsparameter Biochemischer Sauerstoffbedarf BSB und Chemischer Sauerstoffbedarf CSB im Kl ranla genablauf gew hrleistet H ck98 Aus steuerungs bzw regelungstechnischer Sicht handelte es sich hier um einen verh ltnism ig einfachen Prozess der unter Ber cksichtigung nur we niger Prozessparameter gef hrt werden konnte Durch Inkrafttreten der Rahmen Abwasser Verwaltungsvorschrift RVwV am 1 1 1990 wur den die Mindestanforderungen an die Abwasserreinigung deutlich erh ht zum 1 1 1992 sogar nochmals versch rft F r Kl ranlagen ab 5 000 EW wurde zus tzlich eine Begrenzung der Konzentration der Stickstoffparameter f r Anlagen ab 20 000 EW dar ber hinaus eine Limi tierung der Gesamtphosphorkonzentration im Ablauf festgelegt Kl ranlagenbetreiber sind heute gezwungen die geltenden Grenzwerte zu jedem Zeitpunkt und bei jeder Belastung sicher einzuhalten ESST93 Durch diese harten Vorgaben mussten viele Betreiber die Leistung ihrer Kl ranlagen steigern Dies geschah meist durch Neubau oder durch Vergr erung bestehender Anlagen Aufgrund der hohen Investitionskosten war und ist dies jedoch vor allem f r viele kommunale Anla genbetreiber problematisch In der Refinanzierung dieser
111. aufenden Mischwasservolumenstroms und eine damit einher gehende Leis tungssteigerung kann jedoch durch Frachtbewirtschaftung realisiert werden Bei gro er Anla genbelastung wird ein Teil des zulaufenden Mischwassers in speziellen Becken gespeichert und bei niedriger Belastung wieder zudosiert Sie dient somit der Vergleichm igung der Zu laufcharakteristik vergleiche Kapitel 2 1 4 Eine besonders leistungsf hige Variante dieses Ansatzes nutzt eine pr diktive Regelungsstrategie siehe HSK95 HSK96a HSK96b ScK 97a ScK 97b ScK697c K SS98 Scuh98 ScSc98 K SS99 Jedoch selbst mit Hilfe der Frachtbewirtschaftung erlauben die ausgepr gten Konzentrations bzw Fracht schwankungen des zulaufenden Mischwassers es grunds tzlich nicht den Abwasserreini gungsprozess in einem festen Arbeitspunkt zu betreiben n heres im Kapitel 2 4 2 2 3 Bemessung kommunaler Belebungsanlagen Einstufige kommunale Belebungsanlagen werden blicherweise nach den anerkannten Regeln der Technik des Arbeitsblattes A131 der ATV nach einem statischen Berechnungsansatz aus gelegt Ma gebend ist die an 85 der Trockenwettertage unterschrittene BSB Fracht im Zu lauf zuz glich einer geplanten Kapazit tsreserve sowie andere statische Gr en Hiermit wird deutlich dass Kl ranlagen letztlich aus Kostengr nden nicht so ausgelegt werden dass alle im Laufe ihrer Lebensdauer auftretenden Belastungsf lle abgedeckt werden k nnen S
112. ault rmen ist bei gr eren Anlagen blich Dabei wird Bio gas gewonnen das zum Betrieb eines Blockheizkraftwerkes genutzt werden kann 2 2 1 Schadstoffabbau beim Belebungsverfahren Beim Belebungsverfahren mit Nitrifikation geschieht der biologische Abbau sch dlicher Ab wasserinhaltsstoffe durch heterotrophe und autotrophe Mikroorganismen im Belebtschlamm Heterotrophe Lebensformen verwerten organisches Material Kohlenstoffverbindungen und gewinnen bei der Oxidation oder der Veratmung Energie wobei das organische Material in Kohlendioxid CO und Wasser H O umgewandelt wird Hierbei wird ein wesentlicher An teil des aufgenommenen organischen Materials zum Aufbau von K rpersubstanz verwendet Autotrophe Lebensformen bauen organische Substanzen ber die Photosynthese unter Aus nutzung von Lichtenergie aus CO und H O auf HaHa80 Der Abbau organischer Kohlenstoffverbindungen geschieht mittels heterotropher Mikroorga nismen nach der Reaktionsgleichung C H 0 nO nCO nH O 2 1 2n n F r n 6 erh lt man z B die Reaktionsgleichung f r die Oxidation von Glucose Die Stickstoffverbindungen im Zulauf einer kommunalen Kl ranlage bestehen berwiegend aus Ammonium die geringen Konzentrationen an Nitrat und Nitrit sind vernachl ssigbar Der Stickstoffabbau erfolgt durch Nitrifikation und Denitrifikation W hrend der Nitrifikation 14 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen m
113. aus einer Orientierung an der Dynamik der NH N Konzentration im BB weil diese einerseits die hinsichtlich der ber wachungswerte problematischste Zustandsgr e ist Andererseits m ssen die zulaufenden Ammoniumfrachten zun chst nitrifiziert werden um anschlie end denitrifiziert werden zu k nnen Hieraus ergibt sich die Forderung dass bei Auftreten eines Schmutzsto es zun chst h here danach niedrigere O Konzentrationen im BB vorzugeben sind Charakteristisch f r den Tagesgang der Belebtschlammaktivit t ist dass sich das Tagesmaxi mum h ufig in den sp ten Nachmittagsstunden das Tagesminimum in den fr hen Morgen stunden einstellt Bild 6 4 Ersteres f hrt bei der beim SymBio Verfahren angewandten Art der O F hrungsgr engenerierung zu Tagesmaxima am sp ten Nachmittag was aus Sicht der oben formulierten Forderung hinsichtlich der Nitrifikation wenig sinnvoll ist siehe auch Bild 2 9 Weiterhin f llt der relativ flache Verlauf des Messwertes auf Das Tagesmaximum ist einer seits nicht deutlich ausgepr gt andererseits liegt es nur knapp oberhalb des Tagesminimums Diese Besonderheit ist jedoch zun chst unproblematisch f r die Vorgabe einer geeigneten zeitvariablen O F hrungsgr e mit dem SymBio Verfahren weil durch Entwurf einer ange messenen Steigung der Kennlinie des Aktivit tsreglers d h seines Verst rkungsfaktors die Nachteile der geringen Differenzen zwischen Minimum und Maximum
114. beit nur am Rande eingegangen weil die hier betrachtete Kl ranlage Netphen zum Zeitpunkt der Untersuchungen ber keine entsprechenden Einrichtungen verf gte 2 _Abwasserreinigung aus regelungstechnischer Sicht 13 Suspension den Belebtschlamm Weil die an der Abwasserreinigung beteiligten Mikroorga nismen f r ihren Stoffwechsel Sauerstoff ben tigen muss das BB bel ftet werden Dies ge schieht blicherweise durch eine Druckbel ftung mit Bel ftungsmatten oder kerzen am Bec kenboden oder durch eine Oberfl chenbel ftung mit rotierenden Kreiseln oder Walzen Au erdem bernimmt bei vielen Kl ranlagen das Bel ftungssystem die Aufgabe der Vermi schung des zuflie enden Abwassers mit dem Belebtschlamm Seib92 blich ist die Versor gung der Mikroorganismen mit Luftsauerstoff auch eine Bel ftung mit industriellem Rein sauerstoff ist m glich siehe z B Seng89 In der Nachkl rung NK werden die Belebtschlammflocken durch Sedimentation vom gerei nigten Abwasser getrennt Dieses verl sst die Anlage in den Vorfluter Gew sser der sedi mentierte Belebtschlamm wird dem BB erneut als R cklaufschlamm zugef hrt Um den Troc kensubstanzgehalt im BB nicht zu gro werden zu lassen und damit die Nachkl rung zu ber fordern wird regelm ig Belebtschlamm abgezogen berschussschlamm stabilisiert ent w ssert und einer landwirtschaftlichen Nutzung zugef hrt deponiert oder verbrannt Eine an aerobe Schlammbehandlung in F
115. ch fters auftretende Messfehler bei den Eingangsgr en der O F hrungsgr enberechnung wurden unplausible Sauerstoff konzentrationen vorgegeben Insbesondere der verwendete NH N Prozessanalysator lieferte 172 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen h ufig fehlerhafte zu hohe Werte siehe Bild 7 20 was die Schaffung einer oder mehrerer R ckfallebenen notwendig machte Au erdem sollte dem Anlagenbediener immer die M g lichkeit gegeben werden gezielt und durch einfache Ma nahmen in die Prozessf hrung ein greifen zu k nnen 7 4 1 Schaffung von R ckfallebenen H ufig auftretende und in ihrer Charakteristik hnliche Messfehler bei den ab 2001 eingesetz ten NH N und NO N Analysatoren machten die Verbesserung der bereits ab 2000 realisier ten R ckfallebenen n tig Im Untersuchungszeitraum 2000 lief das SymBio Verfahren in der R ckfallebene kam hier jedoch kaum zum Einsatz weil zur Bestimmung der Eingangsgr en der Fuzzy Logik verwendeten Prozessanalysatoren recht zuverl ssig arbeiteten Bild 7 23 zeigt die realisierte Struktur der Prozessf hrung mit allen in LabVIEW realisierten R ckfallebenen Diese Struktur ist in das Sicherheitskonzept der KA Netphen eingebettet wo bei Ausfall relevanter Ger te ein Signal an eine berwachungsfirma gesendet wird die dann das Notpersonal benachrichtigt Eine derartige Benachrichtigung erfolgt bei Betrieb einer der R ckfallebenen nicht Das
116. ch tats chlich eine ausreichend hohe O Konzentration im BB einstellt Ein geeignetes Prozessf hrungskonzept sollte dem Bediener die M glichkeit geben die Uhrzeit des erwarte ten Schmutzsto es vorzugeben und somit das Ereignis f r die Strukturumschaltung zu be stimmen 7 Weiterf hrende Regelungskonzepte 163 7 1 6 _ F2S Strategie im Jahr 2001 Im Untersuchungszeitraum 2001 wurden die Bel ftungsmatten f r die Zusatzbegasung mit Reinsauerstoff durch einen Tauchbel fter ersetzt siehe Kapitel 4 6 Weil dieser nicht mit ei nem Frequenzumrichter ausgestattet war sondern nur ein oder ausgeschaltet werden konnte entschied man sich mit dieser Bel ftungseinrichtung die Grundlast abzudecken und die Fein dosierung mit den Kreiseln durchzuf hren Wegen der nun ver nderten Charakteristik des Sauerstoffeintrags brauchte zur Messung der O Konzentration im BB nur eine Messsonde eingesetzt werden Anf ngliche berlegungen beide Kreisel unabh ngig voneinander anzusteuern wurden ver worfen weil die Wirkungen der Stelleingriffe wegen des verh ltnism ig kleinen Belebungs beckens stark miteinander verkoppelt sind Die Generierung zweier Stellgr en bietet jedoch einen Vorteil Unter Umst nden ist es sinnvoll den Sauerstoffeintrag durch Kreisel 1 direkt im Bereich des Zulaufs zum BB tempor r zu reduzieren um die Denitrifikation zu f rdern Diese Stelle im BB ist f r die Denitrifikation besonders geeignet weil hier viele leicht
117. che Sto belastung Dieser Vorgang ist typisch f r kommunale Kl ranlagen und kann gelegentlich zur berschreitung des NH N berwachungswertes f hren Als Ursache kom men sowohl erh hte NH N Zulaufkonzentrationen als auch die aus der Verdr ngung des Be lebtschlamms resultierende vorr bergehende geringere Reinigungskapazit t der Anlage in Frage Dieser Vorgang wird blicherweise in der Prozessf hrung mit konstantem O Soll wert nicht explizit ber cksichtigt Wie im Folgenden gezeigt werden soll tritt bei einer Pro zessregelung mit dem SymBio Verfahren aber ein zus tzlicher negativer Effekt auf der in der Charakteristik der Messgr e Belebtschlammaktivit t und der Art der O F hrungs gr engenerierung begr ndet ist Die Zusammenh nge sollen anhand von Ganglinien aus den folgenden Zeitr umen gezeigt werden e Trockenwetterzulauf vom 30 08 05 09 1999 e hydraulische Sto belastung bei Trockenwetterzulauf am 06 09 1999 e betriebsbedingter St rfall am 24 08 1999 e hydraulische Sto belastung und gleichzeitig auftretender betriebsbedingter St rfall am 14 08 15 08 1999 Die zun chst betrachteten Wocheng nge vom 30 08 bis 05 09 1999 stellen den blichen Fall von Trockenwetterzulauf dar Bilder 6 14 bis 6 16 100 5 TS BB San A 20 Eu Su HERE V f N N N i c 4 D 60 PERS E EEE EEEE ETE E E AE E E A EE E E S S 3 1 z 3 E40 ee A a 12 5 3 Q 2 20 WM
118. cheiders im Belebungsbecken einer d nischen Kl ranlage mit dem Ziel ihrer Leistungssteigerung durch Erh hung des Trockensubstanzgehaltes im Belebungsbecken Der Einsatz von Lamel lenabscheidern im Belebungsbecken von Kl ranlagen wurde von Pla Pla 98 in einer Dis sertation systematisch untersucht Das im Kapitel 6 vorgestellte SymBio Verfahren ist in der Abwassertechnik weitgehend un bekannt und durchaus als Exot zu betrachten Au er einer vom Autor dieser Dissertation mit verfassten Ver ffentlichung SKPS01 liegen keine unabh ngigen Literaturquellen vor Die Fuzzy Logik zur Prozessf hrung von Kl ranlagen Kapitel 7 ist in der Abwassertechnik bekannt und wird in der Praxis gelegentlich genutzt Insbesondere Hansen Hans97 hat den Einsatz dieser Methode in der Abwassertechnik systematisch untersucht und auf mehreren Kl ranlagen eingesetzt 2 _Abwasserreinigung aus regelungstechnischer Sicht 5 2 Abwasserreinigung aus regelungstechnischer Sicht Die Abwasserreinigung mit dem Belebungsverfahren siehe Kapitel 2 2 weist aus regelungs technischer Sicht einige Besonderheiten auf Sie werden im Kapitel 2 3 anhand von Beispie len aus der Kl ranlage Netphen er rtert Zum besseren Verst ndnis der Zusammenh nge sol len vorab einige Begriffe aus der Abwassertechnik erl utert werden Die Kenntnis dieser Grundlagen und die darauf basierenden Schlussfolgerungen sind elementar f r die Regelung des Abwasserreinigungsproze
119. chstwahrscheinlich lag der Schlammindex in einigen dieser Betriebssituationen deutlich ber diesem Wert Die Ganglinien der NH N NOx N und N Konzentrationen im Ablauf der KA Netphen Bild 5 14 belegen dass zu Beginn der Messungen bei recht niedrigen Temperaturen so gut wie keine Nitrifikation stattfand Die NH N Konzentrationen lag oberhalb des Messbereichs des Ammoniumanalysators 20 mg l Erst mit steigenden Temperaturen fanden Nitrifikation und Denitrifikation statt die NH N Konzentration sank die NO N Konzentration stieg Die N nors Konzentration stieg zun chst sank aber nach Beginn des intermittierenden Betriebes Durch die intermittierende Bel ftung gelang es zun chst die NH N Ablaufkonzentrationen unter den gew nschten Wert von 4 mg l zu senken Die Nog Konzentration lag ebenfalls zu n chst bei niedrigen Werten von 10 mg l oder darunter Man kann also davon ausgehen dass der N berwachungswert von 18 mg l und auch der angestrebte Wert von 15 mg l sicher eingehalten wurde Ende Juni 1996 trat der bereits angesprochene St rfall auf die Stickstoff messwerte im Ablauf stiegen deutlich Der St rfall wirkte sich zeitlich nur sehr begrenzt aus nach wenigen Tagen hatte sich die Bioz nose erholt und die Ablaufwerte sanken wieder Abgesehen von den Auswirkungen des St rfalles zeigte dieser Feldversuch sehr ermutigende Ergebnisse bez glich der N und NH N berwachungswerte Die h ufige berschreitung
120. d Insufficiencies of the applied concepts induced the development of control strategies using fuzzy logic for the determination of a time variable O setpoint The most powerful approach turned out to be a method featuring a fuzzy controller with a variable structure for O setpoint generation It explicitly recognises the most important state variables NH N and N concentration inside the aeration tank Save compliance with all threshold values has been achieved and the developed system was permanently implemented at the Municipal Wastewater Treatment Plant of Netphen in autumn of 2001 Thus reconstruction or rebuilding of the plant could be avoided VII 1 Einleitung und Problemstellung 1 1 Einleitung und Problemstellung Die Reinigung von Abwasser in Kl ranlagen stellt einen wesentlichen Beitrag zur L sung heutiger Umweltprobleme dar Sie reduziert die Auswirkungen der eutrophierenden und toxi schen Stoffe des Abwassers auf Oberfl chengew sser und Grundwasser und leistet somit indi rekt einen gro en Beitrag zur Sicherung der Trinkwasserversorgung Im weltweiten Vergleich wird die Abwasserreinigung in Deutschland inzwischen mit gro em Aufwand und auf einem qualitativ hohen Niveau betrieben Dies u ert sich in der immer besser werdenden Wasser qualit t unserer Gew sser jedoch auch in st ndig steigenden Abwassergeb hren Bis Ende der achtziger Jahre des letzten Jahrhunderts lag der Schwerpunkt der Abwasserreini gung
121. der gesamten Untersuchungen wurde nicht immer mit identischer Messausr stung gearbeitet Unter Ber cksichtigung der jeweiligen Problemstel lung wurden unterschiedliche Messgr en und Messstellenkombinationen gew hlt Die im Bild 4 2 skizzierten Bel ftungsmatten und Lamellenabscheider zeigen die Positionie rung dieser Einbauten in den Jahren 1998 bis 2000 4 Die Kl ranlage Netphen 71 Rechen Messstellen und Messgr en geb ude 1 pH Wert Zulauf BB Sand und Leitf higkeit Zulauf BB Fettfang Redoxpotenzial Zulauf BB CSB CSB UV Zulauf BB NH N Zulauf BB Belebungs becken 2 O BB 2 O BB 3 O BB Bel ftungs 4 NH NBB 1999 und 5 pH Wert BB 2000 in Leitf higkeit BB Betrieb Redoxpotenzial BB en Temperatur BB ab 1998 in O BB Betrieb 6 TS Gehalt BB NO N BB O BB 6 NO N BB NH N BB T O BB Nachkl r becken 8 O BB Schlamm r umer 9 Aktivit t BB 10 TS Gehalt BB Ablauf 11 CSB CSB UV Ablauf NH N Ablauf NO N Ablauf PO P Ablauf TS Gehalt Ablauf Leitf higkeit Ablauf Q Ablauf Die mit gekennzeichneten Mess stellen wurden f r den endg ltigen Umbau der KA Netphen gew hlt Bild 4 2 Die wichtigsten Messgr en mit ihren Messorten der von 1996 bis 2001 durchgef hrten Messkampagnen 72 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserrein
122. die KA Netphen wurde sie deshalb nicht durchgef hrt Die Hersteller von Kreiselbel ftern geben jedoch derartige Kenn linien f r den Sauerstoffeintrag in Reinwasser an Dies ist f r eine Kompensation im Regel kreis bei weitem nicht hinreichend Weiterhin beeinflusst die Kreiseldrehzahl zus tzlich die Transportvorg nge im BB Auftreten de Totzeiten siehe Kapitel 2 3 2 sind somit abh ngig von der Stellgr e in den o g Glei 13 Wie im Fall der Kl ranlage Netphen 14 Ein Reglerausgang von 4 mA entspricht einer Umrichterfrequenz von 15 Hz 20 mA entsprechen 50 Hz 24 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen chungen nicht ber cksichtigt Eine weitere Besonderheit ist die einseitige Wirkung des Stell vorgangs Sauerstoff kann nur eingetragen werden eine aktive Reduzierung der O Konzen tration durch Stellglieder ist nicht m glich Dies wird durch die Einschr nkung uogg Z 0 deutlich Das Activated Sludge Model ASM HGGM37 der International Water Association IWA ist ein umfangreiches und allgemein anerkanntes mathematisches Modell des Belebungsver fahrens Es basiert wie die oben gezeigten Differenzialgleichungen auf Massenbilanzen und modelliert zus tzlich die Nitrifikations und Denitrifikationsvorg nge sowie den Phosphor abbau Es dient als Basis f r Softwarepakete zur Simulation von Kl ranlagen z B SIMBA SIMBA02 oder KSIM ScHK96 2 3 2 Nichtlinearit ten Im Folgende
123. die entsprechenden Ganglinien aus den Messun gen im Belebungsbecken Sie zeigen ebenfalls die Auswirkungen des St rfalls der Optimie rung des Aktivit tsreglers und der teilweise noch zu geringer TS Gehalte im BB Sie bele gen regelm ige berschreitungen des zuk nftig geforderten NH N berwachungswertes 126 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Wie bereits angesprochen soll die Nmorg Konzentration die Summe aus NO N und NH N Konzentration als Ersatzgr e f r den Gesamtstickstoff N betrachtet werden Weil die N nors Konzentration die organischen Stickstoffanteile nicht beinhaltet muss dies bei Ver gleichen mit dem berwachungswert von 18 mg l ber cksichtigt werden Es zeigte sich aber dass nach Steigerung des TS Gehaltes die N Konzentration im Ablauf der Nachkl rung den Wert von 15 mg l so gut wie nie berschritt Bild 6 28 Addiert man einen konstanten organischen Stickstoffanteil von 2 mg l hinzu folgt daraus dass der berwachungswert f r Nas sicher eingehalten werden konnten Die insgesamt sehr niedrigen Naog Ablaufwerte belegen einerseits die unzureichende Nitri fikation andererseits legen sie nahe dass eine weitgehende Denitrifikation stattfand Letzteres ist plausibel weil durch den insgesamt geringen O Eintrag gro e Zonen anoxischer Be dingungen im BB entstanden Dies l sst sich anhand der gezeigten Ganglinien jedoch nicht eindeutig belegen wobei die
124. dnung der LA ab August 2001 hat den Abscheidegrad verbes sert Es konnte jedoch nicht nachgewiesen werden ob der angestrebte Wert von 50 bei Ma ximalvolumenstrom und regul ren Schlammindices von 100 bis 120 ml g erreicht werden kann weil derartige Randbedingungen nach dem Umbau noch nicht aufgetreten sind Hier m ssen weitere Ergebnisse abgewartet werden Trotz dieses nicht ganz zufrieden stellenden Ergebnisses ist die Bedeutung des LA f r die in den Kapiteln 6 und 7 belegte Leistungssteigerung der KA Netphen wesentlich Bedenkt man dass die KA Netphen vor Beginn der Untersuchungen im Jahr 1998 meist mit einem TS Gehalt von 2 bis 2 5 mg l betrieben wurde konnte durch den Einsatz des LA eine Erh hung des TS Gehaltes im BB auf 4 bis 5 mg l erreicht werden Dies entspricht einer potenziellen Verdoppelung der Reinigungskapazit t der KA Netphen Allerdings f hrt die erh hte Mikroorganismenkonzentration im BB zu einem h heren Sauerstoffbedarf der normalerweise mit den urspr nglich eingesetzten Bel ftungseinrichtungen nicht abgedeckt werden kann Nachdem die Bedingungen f r die Nitrifikation und Denitrifikation durch Erh hung des TS Gehaltes deutlich verbessert werden konnten soll in den folgenden Kapiteln erl utert werden mit welcher Regelungsstrategie dieses zus tzliche Potenzial am besten genutzt werden kann 68 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 4 Die Kl ranlage Netphen 69 4 D
125. durch Einsatz von Flockungshilfsmitteln Ans tze dieser Art finden sich bei Kosu0l und Marx00 Sie zielen jedoch nicht explizit auf eine Leistungssteigerung der Reinigungsleistung In erster Linie werden die Flockungshilfsmittel mit dem Ziel der Vermeidung von Schlammabtrieb eingesetzt e Verbesserung der Str mungsverh ltnisse in der Nachkl rung zur Steigerung der Ab scheideleistung Beispielsweise durch o Einsatz von Kreuzstromlamellenabscheidern siehe Kapitel 3 3 1 im Zulauf bereich der Nachkl rung BuB097 o Einsatz von Lamellenabscheidern im Ablauf der Nachkl rung G R094 ThDa99 e Vermeidung einer berlastung der Nachkl rung durch R ckhalt eines Teils der Be lebtschlammflocken bereits im Belebungsbecken durch den Einsatz von Lamellenab scheidern im Belebungsbecken Der zuletzt genannte Ansatz soll in dieser Arbeit ausf hrlich behandelt werden Er bietet die M glichkeit einer Leistungssteigerung der Kl ranlage ohne gr ere bauliche Ma nahmen oder den Einsatz von Chemikalien Zudem zeichnet er sich durch vergleichsweise geringe In vestitions und Betriebskosten sowie eine hohe Betriebssicherheit aus Er basiert auf einer teilweisen Feststoffabscheidung durch Sedimentation in den Lamellenabscheidern 3 2 Feststoffabscheidung durch Sedimentation Allgemein l sst sich Sedimentation als der Vorgang des Absetzens der festen Phase in einem Fluid aus Feststoffen und Fl ssigkeiten oder Gasen in einem Schwer
126. e Belebungsbecken Sprungantworten zu ver schiedenen Tageszeiten Messstelle 2 Die Sprungantworten 1 und 2 im Bild 2 10 zeigen eindeutig globales P Verhalten P T To Glied Wegen der sich unterscheidenden Eingangsspr nge bei identischen station ren Werten der Sauerstoffkonzentration liegen hier unterschiedliche Streckenverst rkungen Ks vor Die Ursache liegt in der Nichtlinearit t der Stellglieder fy die sich insbesondere bei niedrigen Frequenzen bzw Drehzahlen wie hier gew hlt sehr deutlich auswirkt Die nichtlineare Wirkung unterschiedlicher Substratkonzentrationen Ssss kann durch Ver gleich der Sprungantworten 1 und 2 nicht nachgewiesen werden was vermutlich daran liegt dass sich diese w hrend der beiden Tests nicht signifikant unterschieden Deshalb wurden in der folgenden Nacht die Sprungantworten 3 und 4 aufgenommen Hier lagen deutlich niedri gere Substratkonzentrationen im BB bzw im Zulauf zum BB vergleiche Bild 2 2 vor Diese Sprungantworten zeigen eine bemerkenswerte Eigenschaft der Kl ranlage Netphen die einiger Erl uterung bedarf Zun chst ist bei beiden Zeitverl ufen scheinbar I Verhalten zu erkennen Dennoch muss auch hier globales P Verhalten vorliegen weil die O Konzentration im Belebtschlamm einer S ttigung unterliegt Verglichen mit den Sprungantworten im Bild 2 9 ist jedoch eindeutig der nichtlineare Einfluss der Konzentration Ssss festzustellen Den noch handelt es sich hierbei nicht aussc
127. e oder Zentrifugalfeld definieren Im Folgenden soll mit diesem Begriff die durch Schwerkraft bedingte Abw rtsbe wegung eines ungel sten Stoffes in einem ruhenden oder flie enden fl ssigen Medium be zeichnet werden In vielen verfahrenstechnischen Prozessen wird Sedimentation gezielt zur Phasentrennung ge nutzt Absetzbecken Nachkl rbecken oder die noch vorzustellenden Lamellenabscheider Kombinationen der genannten Ans tze k nnen ebenfalls sinnvoll sein 3 Leistungssteigerung von Kl ranlagen durch den Einsatz von Lamellenabscheidern 41 LA werden so ausgelegt dass die Feststoffe einer Suspension durch Sedimentation in einem gew nschten Ma e abgetrennt werden k nnen Sedimentiert ein Partikel in einer Fl ssigkeit so bewegt er sich abw rts bis er den Boden des Sedimentationsbauwerkes erreicht hat Er gilt dann als abgeschieden In verfahrenstechni schen Prozessen sorgen geeignete Einrichtungen f r den Abtransport der abgeschiedenen Feststoffe 3 2 1 Kr fte am sedimentierenden Partikel und station re Sinkgeschwindigkeit F r Partikel in einem Fluid gilt allgemein die Impulsbilanz di _ dt i Bild 3 1 zeigt die an einem angestr mten sedimentierenden Partikel angreifenden u eren 3 2 Kr fte F und die Geschwindigkeiten f r den station ren Zustand d h bei Erreichen der kons tanten Sinkgeschwindigkeit N F T F A Cps Cpr Pr Fs F o Bild 3 1 Kr
128. e Instru mentierung vorkommen dass das zu bef llende Stabilisierungsbecken berl uft Der ber laufende Belebtschlamm der eine sehr hohe CSB Konzentration besitzt wird dem Zulauf der KA zugef hrt mit dem zulaufenden Abwasser vermischt und schlie lich mit dem CSB Ana lysator messtechnisch erfasst Die hieraus resultierenden extrem hohen Messwerte sind somit keine Messfehler sondern bilden lediglich die beschriebene Besonderheit bzw Unzul ng lichkeit der KA Netphen ab Diese Kreisf hrung des Belebtschlamms f hrt nicht zu einer zus tzlichen Belastung der KA Netphen weil der im Kreis gef hrte Belebtschlamm noch nicht stabilisiert ist Trotzdem sollte sie aus verfahrenstechnischen und insbesondere energeti schen Gr nden vermieden werden Abgesehen von dieser Besonderheit zeigte die CSB Konzentration im Zulauf eine ausgepr gte Charakteristik mit sehr niedrigen Werten nachts und sehr hohen Werten zum Zeitpunkt des t glichen Schmutzsto es Die KA Netphen ist mit einer pH und Leitf higkeitsmessung im Zulauf ausger stet ber eine ereignisabh n gige Steuerung werden die Zulaufschnecken abgeschaltet wenn definierte Schwellenwerte der Messgr en ber oder unterschritten werden Vermutlich war dieser Schutzmechanismus im Untersuchungszeitraum ausge schaltet was diese St rf lle erst erm glichte 5 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit intermittierender Nitrifikation und Denitrifikation 89 Die NH N Konzentration
129. e Nitrifikation sehr hohe NH N und so mit auch sehr hohe N Konzentrationen auftreten Dies f hrt zu niedrigen O F hrungs gr en die der Regeneration der Bioz nose nicht f rderlich ist In einem solchen Fall ist es empfehlenswert das BB ber einen l ngeren Zeitraum mit der maximalen Leistung zu bel ften 180 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 7 5 Bewertung der strukturumschaltbaren Fuzzy Regelung Durch die F2S Strategie konnte eine angemessene Nitrifikation und eine bemerkenswert gute Denitrifikation erreicht werden Der Anteil des N Messwertes auf die durch Fuzzy Logik ermittelte O F hrungsgr e ist durch die gute Denitrifikation allerdings sehr klein berlegungen die NO N Konzentration zur F hrungsgr envorgabe generell nicht mehr zu ber cksichtigen sind legitim Somit kann m glicherweise ganz auf den Einsatz von Fuzzy Logik verzichtet werden und stattdessen eine O F hrungsgr engenerierung allein unter Ber cksichtigung der NH N Konzentration mit einer scharfen Logik realisiert werden Je doch spricht generell nichts gegen die Verwendung der in der Regelungstechnik bereits etab lierten und ausreichend prozesssicheren Fuzzy Logik Insbesondere im Fall der KA Netphen sollte die nach langj hrigen und aufw ndigen Testphasen optimierte F2S Strategie nicht mehr wesentlich ver ndert werden Die Ursache des letztlich sehr erfolgreichen Tests mit der F2S Strategi
130. e O F hrungsgr e errechnet sich f r diesen Zeit raum nach Gleichung 7 1 Der Logikplan f r den gleitenden bergang zwischen der O F hrungsgr e aus beiden Reglern ist im Bild 7 7 dargestellt w gewichtete F hrungsgr e w t alt wj t 1 a t Wg t 7 1 wi Reglerausgang des unempfindlichen Fuzzy mit 0 lt saft sl Reglers ws Reglerausgang des empfindlichen Fuzzy Reglers a Wichtungsparameter f r tug 7 bis 10 Uhr 7 Weiterf hrende Regelungskonzepte 159 Eingangsgr en Abfrage tags Wa Wg _ trag 7h Ton 7h F hrungsgr e Bild 7 7 Logikplan des bergangs der strukturumschaltbaren Fuzzy Regelung 7 1 4 Vergleich der F2 und F2S Strategie Eine vergleichende Simulationsstudie soll die Vorteile der F2S Strategie gegen ber der kon ventionellen F2 Strategie deutlich machen Ein wirklich aussagekr ftiger Vergleich ist nur in der Simulation m glich weil hier beide Strategien unter exakt identischen Bedingungen ge testet werden k nnen Wegen der bereits angedeuteten Schwierigkeiten bei der Modellbildung der durch Lamellenabscheider im BB leistungsgesteigerten KA Netphen war keine Simulati on mit Daten aus den Jahren 1998 oder 1999 m glich Der Simulationsdatensatz stammt aus dem Jahr 1996 als die KA Netphen noch nicht mit Lamellenabscheidern ausger stet war Die Simulationen wurden mit der Software KSIM ScHK96 durchgef hrt 160 Sch nbe
131. e liegt jedoch weniger in der Anwendung der Fuzzy Logik Vor Allem die Einf hrung der Strukturumschaltung un ter Ber cksichtigung der Tageszeit und die damit nochmals verbesserte Anpassung der Sauer stofff hrungsgr e an den Anlagenzustand f hrte schliesslich zum Erfolg Dies bewegte den Anlagenbetreiber die F2S Strategie weiterhin zur Prozessf hrung einzuset zen Im Herbst 2001 wurde dieses Verfahren dauerhaft auf der Kl ranlage Netphen imple mentiert und l uft seitdem zuverl ssig 8 Zusammenfassung und Ausblick 181 8 Zusammenfassung und Ausblick Bei allen Bestrebungen die Qualit t unserer Gew sser auf einem hohen Niveau zu halten bzw dieses noch zu verbessern spielt die Abwasserreinigung in kommunalen Kl ranlagen eine zentrale Rolle St ndig steigende Anforderungen an die Reinigungsleistung der Kl ranlagen durch Senkung der berwachungswerte f hrten in der Vergangenheit jedoch zu stetig steigen den Abwassergeb hren Einhergehend mit hohen Steuern sowie generell hohen Abgaben und Geb hren wird diese zus tzliche finanzielle Belastung vom B rger schon heute nicht mehr ohne Widerspruch hingenommen Unter Ber cksichtigung der seit langem angespannten Fi nanzlage der Kommunen muss ein Ausweg aus dieser Misere gefunden werden ohne dass die Qualit t der Abwasserreinigung darunter leidet Die Anwendung geeigneter Verfahrenstechnik und die Entwicklung innovativer Prozessf h rungskonzepte zur Nutzung des auf jeder Kl
132. eamid adenin dinucleotidphosphat NADPH sind die Quelle dieser Zellfluoreszenz Wehn89 Beide Coenzyme werden im Fol genden mit NAD P H bezeichnet NAD P H wird durch UV Bestrahlung mit einer Wellenl nge von 340 nm zur Fluoreszenz angeregt Das Spektrum des abgestrahlten Lichtes hat ein Maximum bei 460 nm Wehn89 Die Menge des in den Mikroorganismen produzierten NAD P H ist abh ngig von ihrer Stoff wechselaktivit t SymB98 Die Aktivit t von Mikroorganismen in der Belebungsstufe kom munaler Kl ranlagen wird unter Anderem vom Nahrungsangebot beeinflusst Weitere Ein flussgr en sind die Sauerstoffkonzentration im BB die Temperatur sowie die Existenz toxi scher oder hemmender Stoffe Nach Angaben der Hersteller der BioBalance Sonde ist die Intensit t des fluoreszierenden Reflexionslichtes proportional der biologischen Aktivit t der Mikroorganismen SymB98 Diese Annahme rechtfertigt grunds tzlich den Einsatz eines P Reglers zur O F hrungsgr envorgabe Die Einheit der Belebtschlammaktivit t wird vom Hersteller mit bpa biological potential activity bezeichnet Ihre physikalische Interpretation ist schwierig wenn nicht unm glich Letzlich handelt es sich bei dem verwendeten Signal um die Intensit t des von den fluoreszie renden Mikroorganismen abgestrahlten Lichtes Leider ist es mit diesem Messverfahren nicht m glich die Stoffwechselaktivit t bestimmter individueller Mikroorganismen oder Mikroorganismengattungen
133. edoch durch insgesamt geringe Bau und Betriebskosten aus BiHe00 Von den einstufigen Verfahren wurden die simultane und die intermittierende Denitrifikation bereits weiter oben kurz angesprochen Detailliertere Erl uterungen zu beiden Varianten fin den sich in den Kapiteln 5 intermittierende Denitrifikation sowie 6 und 7 simultane Denitri fikation Bei der alternierenden Denitrifikation werden die Stickstoffverbindungen durch wechselweise Beschickung zweier Becken und einen alternierenden Betrieb mit und ohne Bel ftung abge baut Bei der Kaskadendenitrifikation wechseln sich Denitrifikations und Nitrifikations becken mehrmals ab Jede Beckenkombination ist mit einer internen Rezirkulation versehen der R cklaufschlamm wird in das erste Denitrifikationsbecken gef hrt Die Verfahrensvariante Nachgeschaltete Denitrifikation hat sich nicht durchgesetzt weil die f r die Denitrifikation ben tigten leicht abbaubaren organischen Kohlenstoffverbindungen bereits in der Nitrifikationsstufe weitestgehend abgebaut werden Hier w re die Zudosierung externer Kohlenstoffquellen zur Realisierung der Denitrifikation notwendig Dies ist wegen der hohen Kosten und auch aus regelungstechnischen Gr nden P GS90 nicht sinnvoll 2 _Abwasserreinigung aus regelungstechnischer Sicht 19 Das in Deutschland weit verbreitete Belebungsverfahren mit vorgeschalteter Denitrifikation wird im Bild 2 7 schematisch dargestellt Exemplarisch f r
134. egel 14 Durch Einf hrung dieser Regel sollen vor Allem jahres zeitliche Einfl sse automatisch im Regelungskonzept ber cksichtigt werden Ein hoher TS Gehalt bzw eine hohe Abwassertemperatur im BB beg nstigt die Nitrifikation In diesen F llen wird die O F hrungsgr e herabgesetzt Regel 13 bzw Regel 16 Diese Re duzierung der O F hrungsgr e soll die Bedingungen f r die Denitrifikation verbessern Die 7 Weiterf hrende Regelungskonzepte 155 Regeln 12 und 15 wurden definiert um alle Pr missenkombinationen abzudecken Die Infe renz Operatoren wurden wie bei den zuvor erstellten Fuzzy Reglern mit 2 Eingangsgr en entsprechend der MaxMin Inferenzmethode gew hlt Um die Charakteristika bzw die Brauchbarkeit eines Fuzzy Reglers beurteilen zu k nnen ist eine Simulation des Regelkreises mit einem mathematischen Modell der Strecke sinnvoll Weil die Modellierung der durch den Einsatz von Lamellenabscheidern leistungsgesteigerten KA Netphen problematisch ist wurde hier ein anderer Weg zur Beurteilung des entworfenen Fuzzy Reglers gew hlt Zur Bestimmung des Wertebereichs der Ausgangsvariablen O bei der f r die zur Defuzzyfizierung eingesetzten erweiterten Schwerpunktmethode und um den Zeitverlauf der Ausgangsgr e beurteilen zu k nnen wurden zun chst die Eingangsvariablen NEL N und N im Fall der F4 Strategie zus tzlich TS und Temperatur und die Ausgangs variable O im sog Variable Editor der verwende
135. eine noch nicht ausreichende Nitrifikation und eine sehr mangelhafte Denitrifikation zur Folge In diesem Zeitraum wurde der Aktivit tsregler des SymBio Verfahrens auf die Gegebenheiten der KA Netphen angepasst Erst nach Steigerung der Trockensubstanzkonzentration im BB und Optimierung des SymBio Verfahrens wurde Ammonium nitrifiziert und die Messwerte sanken zun chst deutlich unter 10 mg l Nach einer k rzeren Periode h herer NH N Konzentrationen stiegen die Messwerte auf bis zu 20 mg l Die Ursache lag im Eintrag von Baugrubenschlamm in das BB der KA Netphen und dem an schlie end erforderlichen Schlammabzug der ohne jeden Zweifel die Bedingungen f r die Nitrifikation verschlechterte siehe Kapitel 3 1 6 Allerdings stiegen die NOx N Konzentra tionen im BB Bild 6 25 w hrend des St rfalls nicht Dies legt nahe dass es sich bei den gemessenen hohen NH N Konzentrationen im August 1998 um Messfehler handelt Vermut lich beinflussten die eingetragenen mineralischen Schl mme die Messgenauigkeit des einge setzten Ammoniumanalysators Der f r die Messung der CSB Konzentration im Ablauf verwendete Prozessanalysator lief im Untersuchungszeitraum 1998 sehr unzuverl ssig und lieferte durchweg unbrauchbare Ergeb nisse Deshalb k nnen hier keine Ganglinien der CSB Ablaufkonzentration gezeigt werden Die NH N und NO N Konzentration im Ablauf der Nachkl rung Bilder 6 26 und 6 27 verf gen ber die gleiche Charakteristik wie
136. einigungsanlagen 9 Literatur 185 9 Literatur ATV95 ATV99 BaKS97 BaSW00 BiHe00 Bill79 Bind80 BIOX95 BiWi83a BiWi83b Bo amp s91 Abwassertechnische Vereinigung ATV Betriebstechnik Kosten und Rechnungsgrundlagen der Abwasserreinigung ATV Handbuch Ernst amp Sohn Verlag Berlin 1995 Abwassertechnische Vereinigung ATV Arbeitsblatt ATV A 131 Bemessung von einstufigen Belebungsanlagen Entwurf April 1999 GFA Verlag f r Abwasser Abfall und Gew sserschutz Hennef 1999 Baumann P Krauth K Schlegel S Stand der On Line Me technik auf Kl ranlagen in Deutschland Korrespondenz Abwasser 8 97 S 1414 1418 Baumann P Schmitz S Wedi D Konstruktive und betriebliche Ma nahmen zur Bek mpfung von Schwimmschlamm und Schaum in Belebungsanlagen in Angewandte Proze Messtechnik Nr 21 Eigenverlag Dr B Lange GmbH D sseldorf 2000 S 5 17 Bischofsberger W Hegemann W Lexikon der Abwassertechnik Vulkan Verlag Essen 6 Auflage 2000 Billmeier E Feststoffabscheider mit lamellen und kastenf rmigen Durchflu profilen Wasserwirtschaft 69 1979 S 73 78 Binder H J Sedimentation aus Ein und Mehrkornsuspensionen in schr gstehenden laminar durchstr mten Kreis und Rechteckrohren Dissertation Technische Universit t Berlin 1980 Das BIOX N Verfahren Informationsmaterial der Fa Messer Griesheim GmbH 1995 Binder H Wiesmann U Sedimenta
137. ekauft das nicht die NOx N sondern die NO N Konzentration misst 7 Weiterf hrende Regelungskonzepte 169 Im Untersuchungszeitraum 2001 wurde nur mit relativ geringer dem blichen Kl ranlagen betrieb entsprechender messtechnischer Ausstattung gearbeitet Mit Ausnahme der Online Messung des TS Gehaltes im BB und im Zulauf zur Nachkl rung sind alle gezeigten Gangli nien mit kl rwerkseigenen Messger ten ermittelt worden Deshalb fehlen einige in den vor herigen Kapiteln gezeigte Zeitverl ufe Dennoch ist eine detaillierte Beurteilung der Zusam menh nge und ein Vergleich mit den Ergebnissen der Vorjahre ohne Weiteres m glich Auf eine Darstellung der Belebtschlammaktivit t im BB wird in diesem Kapitel verzichtet Das SymBio Verfahren konnte optional betrieben werden kam aber wegen der guten Ergeb nisse der fuzzy logik basierten Verfahren w hrend des betrachteten Zeitraums nicht zum Einsatz 120 100 80 He ee a a d 60 He n Volumenstrom in l s 40 He u 20 pHi ee Q Ablauf f 0 PENALE DR e E EEE N ES a EEL ER E E EA IE TEE Jul 2 Jul 9 Jul 16 Jul 23 Jul 30 Aug 6 Aug 13 Aug 20 Aug 27 Sep 3 Sep 10 Sep 17 Sep 24 Bild 7 19 Volumenstrom im Ablauf der Nachkl rung vom 02 07 30 09 2001 20 EEE _ NH N BB a e M ee an D E Ss c 210 Heeeeebeneeebeneeheneeee benennen enden seen g c O x gt z i 4
138. eldorf 1989 Zoll St Entwicklung respirometrischer Me ger te f r die Abwasser und Bodenanalytik Dissertation UGH Siegen ZESS Forschungsberichte Band 7 Shaker Verlag Aachen 1997 192 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Zitierte Normen und Technische Regeln DIN 4045 Abwassertechnik Begriffe 1985 DIN 38404 C3 Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser Abwasser und Schlammuntersuchung Physikalische und physikalisch chemische Kenngr en Gruppe C Bestimmung der Absorption im Bereich der UV Strahlung C 3 1976 DIN 38408 23 Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser Abwasser und Schlammuntersuchung Gasf rmige Bestandteile Gruppe G Bestimmung des Sauerstoffs ttigungsindex G 23 1987 ATV A 131 Bemessung von einstufigen Belebungsanlagen 1991
139. emperatur auf die Reinigungsleistung ist zwar von Bedeutung in der Prozessf hrung jedoch prinzipiell eher unproblematisch Er wird meist ma nuell vom Bedienungspersonal durch Ver ndern des Sauerstoffsollwertes oder durch Zuschal ten von Nitrifikationsbecken bei schlechter Nitrifikationsleistung kompensiert 32 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 2 4 Regelungsaufgaben und ziele bei Kl ranlagen mit Umlaufgraben Die Ortsabh ngigkeit der Zustandsgr e O Konzentration stellt regelungstechnisch bei Kl ranlagen generell kein relevantes Problem dar Durch sinnvolle Wahl des Messortes muss darauf geachtet werden dass die dynamischen Eigenschaften der Regelstrecke ausreichend erfasst werden Zur gezielten Beeinflussung der Nitrifikation und Denitrifikation muss die O F hrungsgr e unter Ber cksichtigung des Messortes angemessen gew hlt werden Die nichtlinearen Streckeneigenschaften hingegen machen deutlich dass der klassische Reg lerentwurf f r lineare Systeme z B basierend auf einer Sprungantwort f r die Sauerstoff regelung nicht ohne Weiteres m glich ist Eine h ufige Systemidentifikation w re n tig um die ver nderlichen Streckenparameter zu erfassen und einen jederzeit angemessenen linearen Regler zu entwerfen Hinzu kommt dass sich die Streckeneigenschaften nicht nur kurzfristig ndern sondern auch einer jahreszeitlichen zeitvarianten Beeinflussung ber die Temperatur des
140. en siehe Tag 1 und 3 die zu einem signifikanten Sinken des TS Gehaltes im BB f hren Bild 6 15 zeigt den Einfluss des Volumenstroms auf die Belebtschlammaktivit t im BB Auch hier tritt im Grunde die oben beschriebene Charakteristik auf was wenig verwundert wenn man bedenkt dass der TS Gehalt wesentlichen Einfluss auf die biologische Aktivit t hat Wegen der Art der O F hrungsgr engenerierung des SymBio Verfahrens f hrt der h ufig beobachtete R ckgang der Aktivit t zum Zeitpunkt der gr ten Anlagenbelastung ung nsti gerweise zu geringeren O Konzentrationen im BB und somit schlechteren Bedingungen f r die Nitrifikation als zu Schwachlastzeiten Dies ist ein systematischer Mangel der seine Ur sache im Regelungskonzept bzw in der Charakteristik des Aktivit tssignals hat Bei Einsatz einer konventionellen Regelungsstrategie Vorgabe einer konstanten O F hrungsgr e tr te diese Problematik nicht auf Fairerweise muss angemerkt werden dass der oben beschriebene Zusammenhang bei regul rem Betrieb zu keinen berschreitungen der angestrebten NH N berwachungswerte f hrte Bild 6 16 Jedoch traten in besonderen Betriebssituationen teilweise berschreitungen die ses berwachungswertes auf die mit einem anderen Regelungskonzept m glicherweise h t ten verhindert werden k nnen Diese besonderen Betriebssituationen hatten alle betriebs 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 119
141. en Nachkl rung der Anlage befindliche sehr nitrathaltige Abwasser wird durch zulaufendes stark mit Fremdwasser verd nntes Mischwasser in den Vorfluter verdr ngt Als Folge sin ken die NOx N und N Konzentrationen sehr deutlich Die Erkenntnis dieses Zusammenhang war elementar f r die Entwicklung der im Kapitel 7 vorgestellten weiterf hrenden Regelungskonzepte und belegt die Untauglichkeit des Sym Bio Verfahrens zur Leistungssteigerung des Stickstoffabbaus f r die auf der KA Netphen ge gebenen Verh ltnisse bzw die dort verlangten Zielsetzungen Im Folgenden werden analog zu Kapitel 6 1 5 nun die Regel Stell und Istgr en des Sym Bio Verfahrens im Untersuchungszeitraum 1999 betrachtet Wegen der zus tzlichen Begasung mit Reinsauerstoff im Untersuchungszeitraum 1999 muss te die Sauerstoffmessstelle modifiziert werden Weil die Sonden durch die Zusatzbegasung direkt mit Sauerstoffbl schen angestr mt wurden trat sehr starkes Messrauschen auf was zu Problemen bei der Regelung f hrte Durch die sehr niedrigen Absolutwerte der Sauerstoff konzentration 0 2 0 6 mg l wurde dieses Problem zus tzlich versch rft denn das Rauschen 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 143 hat bei niedrigen Messwerten einen prozentual gr eren Einfluss auf die Regelg te als bei h heren Messwerten Zur L sung dieses Problems wurde nicht wie w hrend der Untersuchungen im Jahr 1998 und wie a
142. epr gten Tagesschwankungen Obwohl die KA Netphen f r einen Zulaufvolumenstrom von ca 100 l s ausgelegt ist berschreitet der Messwert w hrend der Regenwetterphase im Juli 1998 den Wert von 70 l s nur selten Nach Aussage des Kl rmeisters lag die Ursache in einer Ver stopfung bzw Verunreinigung im Bereich der Zulaufschneckenpumpen zu diesem Zeitpunkt Eindeutiger Trockenwetterzulauf liegt Anfang Juli und im August 1998 vor geringer Vo lumenstrom von ca 30 bis 50 V s 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 125 Von den Zulaufmessungen sind hier nur die CSB und die NH4 N Konzentration gezeigt wor den Der f r die CSB Messung verwendete Prozessanalysator arbeitete w hrend des Unter suchungszeitraumes allerdings recht unzuverl ssig somit sind die aufgenommenen Daten mit Vorsicht zu interpretieren Die CSB und NH N Ganglinien vom Zulauf zum BB Bilder 6 22 und 6 23 belegen den Regenwetterzulauf im Juli 1998 niedrige Konzentrationen Im September 1998 war der CSB Analysator h ufig defekt Eine Trockenwetterperiode mit hohen Konzentrationen ist in beiden Ganglinien eindeutig im August 1998 zu erkennen Die NH N Konzentration im BB Bild 6 24 lag anfangs bei recht hohen Werten dennoch fand Nitrifikation statt siehe Bild 6 25 Bild 6 30 belegt dass in diesem Zeitraum tendenziell hohe O Konzentrationen im BB herrschten Sie hatten wegen des noch niedrigen TS Ge haltes im BB vergleiche Bild 3 19
143. er mittels Kreiselpumpe in das Trennbauwerk zur ckgef rdert Bei sehr starkem Zufluss l uft ein Teil des Abwassers durch das Regen berlaufbecken direkt in den Vorfluter die Sieg Das Mischwasser wird durch zwei Schneckenpumpen 2 in die Anlage gef rdert Im mecha nischen Teil wird er durch einen Rechen 3 und einen kombinierten Sand und Fettfang 4 von groben Verunreinigungen befreit Anschlie end wird das Abwasser im biologischen Teil im Belebungsbecken 6 gereinigt Der Belebtschlamm wird in der Nachkl rung 9 durch Se dimentation vom Abwasser getrennt und als R cklaufschlamm ber eine Schneckenpumpe 7 dem Belebungsbecken zugef hrt Abh ngig von der Schieberstellung durchl uft das gerei nigte Abwasser nach der Nachkl rung zun chst ein Filterbett 8 oder flie t direkt in den Vor fluter 70 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Der als berschussschlamm aus dem Pumpensumpf der R cklaufschlammpumpe 7 abgezo gene Belebtschlamm wird zun chst in einem Stabilisierungsbecken 10 aerob stabilisiert dann in einem Schlammsilo 11 zwischengelagert und schlie lich mit einer Kammerfilter presse im Betriebsgeb ude 5 entw ssert Der stabilisierte und gepresste Schlamm wird ent weder deponiert oder verbrannt Neben den aus der Kanalisation zuflie enden Abw ssern werden auch Kl rschl mme und Grobf nge aus den Rechenanlagen umliegender kleinerer Kl ranlagen mit einer Kammerfil t
144. erh ltnisse sorgen die ein Absetzen der festen Phase erst erm glicht Lamellenabscheider werden schon seit langem in der Verfahrenstechnik genutzt In BiWi83a wird angemerkt dass das Prinzip der Sedimentation in Lamellenabscheidern bereits 1886 in England patentiert wurde Nach Tylm82 entstand die Grundidee der Schr gkl rtechnik An fang des 20 Jahrhunderts Neben der Aufgabe des Kl rens einer Suspension soll in vielen Lamellenabscheidern der ab geschiedene Feststoff zus tzlich eingedickt werden um einen effektiven Abzug der festen Phase zu erm glichen Wie noch erl utert wird ist das Eindicken der abgeschiedenen Belebt schlammflocken im Fall der auf der KA Netphen eingesetzten Lamellenabscheider nicht n tig In der industriellen Abwasserbehandlung werden Lamellenabscheider h ufig zur Leistungs steigerung von Sedimentationsanlagen z B Absetzbecken oder zum Abtrennen schwer sedi mentierbarer Partikel eingesetzt Die Erkenntnisse aus der industriellen Abwasserbehandlung k nnen nur zum Teil f r den Einsatz in der kommunalen Abwasserreinigung bernommen werden weil die Schl mme der industriellen Abwasserreinigungsanlagen durch die besonde ren chemischen oder biologischen Belastungen des Abwassers stark abweichende Stoffeigen schaften entwickeln BuB097 48 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen In der Literatur finden sich einige Hinweise auf den Einsatz von Lamellenabscheidern i
145. erpresse entw ssert was die Anlage zus tzlich belastet Das beim Pressvorgang entstehende Filtrat belastet die Anlage ebenfalls weil nur w hrend der normalen Arbeitszeit entw ssert wird Hauptbelastungszeit der KA und kein Ausgleichsbeh lter vorhanden ist der zur Ver gleichm igung der Belastung beitragen k nnte Ger tetechnisch wurde die KA Netphen aus schlie lich f r Kohlenstoffabbau und Nitrifikation ausgelegt Schlammalter und Schlammbe lastung erlauben zwar prinzipiell eine Denitrifikation Esmi85 jedoch waren die verwendeten Stellglieder und insbesondere die O Regelung f r einen zufriedenstellende Nitrifikation und Denitrifikation nicht geeignet n heres im Kapitel 4 2 Die ger tetechnische Ausstattung der KA Netphen wurde w hrend der in dieser Arbeit be schriebenen Untersuchungen mehrmals erg nzt bzw umgebaut Neben dem Einbau der La mellenabscheider in das Belebungsbecken wurden die Antriebsmotore der Kreiselbel fter mit Frequenzumrichtern ausgestattet und zwei Bel ftungssysteme zur Unterst tzung der Kreisel bel fter eingesetzt Gr ere bauliche Ma nahmen fanden nicht statt In den Kapiteln 4 2 bis 4 6 wird die KA Netphen in ihren verschiedenen Ausbauvarianten beschrieben 4 1 Messstellenplan Bild 4 2 zeigt den Messstellenplan f r die in den folgenden Kapitel 5 bis 7 vorgestellten Messkampagnen auf der KA Netphen Die wichtigsten Online Messgr en mit ihren Mess orten sind hier vermerkt W hrend
146. es Schmutzsto es zu ermitteln Bild 7 8 zeigt exempla risch Wochenganglinien des pH Wertes und der Leitf higkeit im Zulauf der KA Netphen 7 4 1200 pH Zulauf KA Leitf higkeit Zulauf KA 72 H t er EE ne er 1000 M M a 7 fA Ph a IT LAUR f wya 800 es Q S 68 EE o 600 8 2 EE 5 T 6 6 N EA Be N MAL m 400 2 l O 3 84 Lo ee ARE nd 200 6 2 pi i 0 Bild 7 9 pH Wert und Leitf higkeit im Zulauf der KA Netphen vom 24 09 30 09 2001 Die Ganglinien im Bild 7 9 sind recht verrauscht und zeigen viele Ausrei er die ihre Ursache haupts chlich in einer Verschmutzung der Sonde haben Gerade dies ist typisch f r Messun gen im Zulauf einer KA weil dort das zulaufende Mischwasser noch nicht mechanisch gerei nigt ist und sich deshalb h ufig Feststoffe an der Sonde sammeln Trotzdem ist an allen Tagen in den Morgenstunden ein signifikantes Ansteigen im Verlauf beider Messgr en festzustel len was den Schmutzsto indiziert Im Folgenden soll exemplarisch der sechste Tag der Ganglinie im Bild 7 9 29 09 2001 n her untersucht werden um auf einige Besonderheiten bzw m gliche Fehlerquellen hinzuweisen 7 3 1 pH Zulauf KA i Leitf higkeit Zulauf ka C a een 1200 0 1 100 d dt Leitf higkeit Zulauf KA d dt pH Zulauf KA 50 TA Eee he 7 pH Wert wasr u yeybiyente d dt pH Wert 6 9
147. eschwindigkeitsverteilung im Fluid Ist die Str mung ungeordnet mit nach Gr e und Richtung weitgehend zuf llig schwankender Geschwindigkeit spricht man von turbulenter Str mung Durch die Haftbedingung bzw die niedrige Str mungsgeschwindigkeit im Randbereich bietet laminare Str mung grunds tzlich die besseren Bedingungen f r eine Sedimentation Der Umschlag des Str mungszustandes von laminar zu turbulent kann durch u ere Einfl sse ausgel st werden z B Ersch tterungen Wandunebenheiten etc Solche Str mungsst run gen werden durch Tr gheitskr fte verst rkt und durch Z higkeitskr fte ged mpft 3 2 4 Reynoldszahl und Froudezahl Die Charakterisierung des Str mungszustandes ist mit Hilfe der Reynoldszahl Re m glich Diese dimensionslose Kennzahl verkn pft Z higkeits und Massenkr fte in der Str mung und berechnet sich aus einer mittleren Str mungsgeschwindigkeit c des Fluids dem hydraulischen Radius R und der kinematischen Z higkeit v des Fluids Re C 3 11 V Der hydraulische Radius R wird in Abh ngigkeit des tats chlich durchflossenen Querschnitts A und Umfangs U bestimmt R 3 12 U 3 12 Tabelle 3 1 zeigt die hydraulischen Radien f r verschiedene Querschnittsformen Querschnittsform Rechteck Quadrat Kreis Str mung zwischen Platten Str mung in Rohren b X d C ih o O hydraulischer inis R PS Be R 2 U 2 b 2 x 4 4 Tab 3 1 Hydraulischer Radius in
148. estet wurden Die Pr sentation der Ergebnisse orientiert sich an den Kapiteln 6 1 5 und 6 2 3 allerdings wurden im Untersu chungszeitraum 2000 keine Messungen im Zulauf zum BB und im Ablauf der Nachkl rung vorgenommen in En n EEE AS LEELA AAAI ALAI AA L LEALES AEII ALLAS F i l i i Temperatur s 20 Temperatur in C 0 Aug 7 Aug 14 Aug 21 Aug 28 Sep 4 Sep 11 Sep 18 Sep 25 Oct 2 Oct9 Oct 16 Oct 23 Oct 30 Nov 6 Bild 7 13 Temperatur im BB vom 07 08 12 11 2000 166 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 120 i i i i i Ablauf TA E ER ei ae me ee in el m a ee so ll MAHAR AA HL ma Mu HERE e A 60 Volumenstrom in l s 40 E iSS Ian IE S ANR aA I 11 11 ne 20 Aug 7 Aug 14 Aug 21 Aug 28 Sep 4 Sep 11 Sep 18 Sep 25 Oct 2 Oct 9 Oct 16 Oct 23 Oct 30 Nov 6 Bild 7 14 Volumenstrom im Ablauf der Nachkl rung vom 07 08 31 12 2000 10 AA ER ER AAA BA i l qoop TBB TS Gehalt in g l 0 Aug 7 Aug 14 Aug 21 Aug 28 Sep 4 Sep 11 Sep 18 Sep 25 Oct 2 Oct 9 Oct 16 Oct 23 Oct 30 Nov 6 Bild 7 15 TS Gehalt im BB vom 07 08 12 11 2000 20 en i l i m _ Nhan l NH4 N Konzentration in mg l j i i flu AA A E Mi ANAIA MN Aug 7 Aug 14 Aug 21 Aug 28 Sep 4 Sep 11 Sep 18 Sep 25 Oct2 Oct 9 Oct 16 Oct 23 Oct 30 Nov 6 Bild 7 16 NH N Konze
149. etphen ber einen Zeitraum von insgesamt neun Jahren 1993 bis 2001 wurden vom Zentrum f r Sensorsysteme ZESS der Universit t Siegen zum Teil sehr umfangreiche Messkampagnen durchgef hrt Neben der messtechnischen Analyse der Anlage und der Erfassung von Daten s tzen f r die Simulation sowie anderer Zwecke stand stets das Ziel der Leistungssteigerung der Kl ranlage Netphen im Vordergrund Eine dauerhafte und sichere Unterschreitung vorge 1 Einleitung und Problemstellung 3 gebener Ablaufgrenzwerte durch regelungstechnische Ma nahmen oder durch Kombinationen aus regelungstechnischen und verfahrenstechnischen Ans tzen wurde angestrebt Als verfah renstechnische Ma nahme zur Leistungssteigerung wurden Lamellenabscheider im Ablauf der biologischen Reinigungsstufe eingesetzt Im Einzelnen wurden die folgenden Verfahren bzw Verfahrenskombinationen getestet e Einsatz des BIOX N Verfahrens e Einsatz des SymBio Verfahrens in Kombination mit dem Einsatz von Lamellen abscheidern im Ablauf der biologischen Reinigungsstufe e Einsatz von Fuzzy Logik zur Prozessregelung ebenfalls in Kombination mit dem Ein satz von Lamellenabscheidern im Ablauf der biologischen Reinigungsstufe Diese Arbeit beschreibt im Wesentlichen chronologisch die durchgef hrten Messkampagnen mit ihren jeweiligen Aufgabenstellungen und Besonderheiten Die Ergebnisse werden anhand gemessener Zeitverl ufe der relevanten Prozessparameter pr sentiert und
150. etzt ScK698 Sc n99 Sc n00a Sc n00b ScK600 SKPS01 ScKK01 Ziel war hier nicht der fast vollst ndi ge R ckhalt der Belebtschlammflocken sondern das Erreichen eines Abscheidegrades von 50 bei hydraulischer Maximalbelastung mit einer verh ltnism ig einfachen Konstruktion In zwischen hat sich diese Technik in Deutschland aber auch im benachbarten Ausland weiter verbreitet So setzt beispielsweise der Wupperverband auf der KA Kohlfurt Lamellenabschei der im Belebungsbecken ein Koli00 Einige der von der SHW H lter Wassertechnik GmbH gebauten bzw betriebenen Kl ranlagen sind ebenfalls mit LA im BB ausgestattet z B KA Walkenried Harz KA K tschach Mauthen in sterreich oder KA Glubezyce in Polen 3 4 1 Lamellenabscheider im Belebungsbecken der KA Netphen Die Lamellenabscheider wurden im Juni 1998 im BB der KA Netphen installiert Die Anliefe rung geschah mit LKW die Vorinstallation konnte innerhalb eines Vormittags mit Hilfe eines Schwerlastkrans ohne wesentliche Beeintr chtigung des Anlagenbetriebes vorgenommen wer den Bilder 3 6 und 3 7 Zur Erleichterung des Einbaus mussten lediglich die Oberfl chenbe l fter zeitweise au er Betrieb genommen werden 3 Leistungssteigerung von Kl ranlagen durch den Einsatz von Lamellenabscheidern 53 Bild 3 7 Installation der Lamellenabscheider im Belebungsbecken der Kl ranlage Netphen Der auf der KA Netphen eingesetzte Lamellenabscheider besteht aus vie
151. f und ist eigentlich nur bei starker Sch digung der Biologie bei vollst ndigem Ausbleiben der Nitrifikation vorstellbar siehe hierzu auch Kapitel 7 4 5 7 Weiterf hrende Regelungskonzepte 153 normal o P T E zZ k Z D s_niedri Bild 7 3 Regelbasis farbig und linguistische Terme der Eingangsgr en N und NH N des Fuzzy Reglers der F2 Strategie 7 1 2 Fuzzy Regelung mit vier Eingangsgr en F4 Strategie Die Fuzzy Regelung mit 4 Eingangsgr en ber cksichtigt erg nzend zu den bisher verwen deten Eingangsgr en den TS Gehalt und die Temperatur im Belebungsbecken Der unter lagerte Regelkreis mit den beiden PID Reglern und dem Schaltkriterium f r die Zusatzbel f tung wurde unver ndert beibehalten Bis auf die Zugeh rigkeitsfunktion des bez glich der NH N Konzentration empfindlicheren Fuzzy Reglers wurden die brigen Zugeh rigkeits funktionen aus der Fuzzy Regelung mit 2 Eingangsgr en bernommen vergleiche Bild 7 3 Im Zuge der Erstellung der Zugeh rigkeitsfunktionen f r die zus tzlichen Eingangsgr en wurde die Empfindlichkeit des o g Fuzzy Reglers nochmals erh ht um im Falle des mor gendlichen Schmutzsto es eine noch h here O F hrungsgr e vorzugeben Bild 7 4 Die bereits bestehenden Fuzzy Regeln 1 bis 10 aus Tabelle 7 2 wurden durch weitere 6 Re geln Tabelle 7 3 erg nzt Eine Darstellung in disjunkten Zellen gem Bild 7 3 ist bei mehr als zwei Ein
152. fmenge wird im System angereichert bzw aufintegriert Im Extremfall geht diese Aufsummierung bis zum Er reichen der O S ttigungskonzentration N hert sich die O Konzentration im BB ihrer S tti gung werden die sprunghaften nderungen im Bild 2 11 mit zunehmendem Umlaufweg bzw mit der Zeit relativ zum vorhergehenden Sprung immer kleiner Die Ursache dieses Ph nomens ist die R ckkopplung des Stoffstroms durch die Kreislauf f hrung im Umlaufgraben Die Ermittlung der Streckenparameter aus den Sprungantworten 3 und 4 war nicht m glich weil der hier zu erwartende station re Wert bzw die O S ttigungs konzentration deutlich oberhalb des Messbereiches des Messger tes lag Eine Bestimmung ist wegen der nichtlinearen Charakteristik der Strecke jedoch ohnehin wenig sinnvoll Es bleibt aber festzuhalten dass unter bestimmten Umst nden bei Schwachlast sehr gro e Strec kenverst rkungen auftreten k nnen Diese Eigenschaft der Regelstrecke hat ihre Ursachen nur zum Teil in der rtlichen Verteilung der Stellglieder bzw im Ausma ihrer rtlich verteilten Wirkung Sie soll hier als Nicht linearit t bezeichnet werden weil sowohl die Gr e des Stellsignals als auch die Konzen tration der zulaufenden leicht abbaubaren Kohlenstoffverbindungen ma gebend sind 1 Der station re Wert sollte sich in allen F llen deutlich unterhalb der S ttigungskonzentration einstellen 8 Die nichtlineare Ursache dieses Ph nomens wi
153. g gewisserma en die Definition eines Erwartungszeitraumes sinnvoll So lie en sich m gli che Fehlinterpretationen durch den deutlichen Anstieg in der Leitf higkeitsganglinie etwa um 12 Uhr oder durch das bereits angesprochene Messrauschen vermeiden Obwohl eine Ereigniserkennung durch geschickt gew hlte Algorithmen und unter Ber cksichtigung aller vier Ganglinien des Bildes 7 10 u U m glich w re k me ein solcher Ansatz nie ohne die Schaffung einer wie auch immer zu gestaltenden R ckfallebene aus Aufgrund der notwen digen Komplexit t und der trotzdem verbleibenden Unsicherheit verbietet eine objektive Be urteilung den Einsatz eines solchen Algorithmus zur Ereigniserkennung Hierbei ist au er dem zu beachten dass selbst bei exakter Ereignisbestimmung eine damit einher gehende Er h hung der O F hrungsgr e aufgrund der Tr gheit der Regelung nicht ohne Weiteres zu einem ausreichend hohen O Istwert im BB f hrt Eine Messung im Kanalnetz w rde zwar tats chlich zu einer Fr herkennung des Schmutzsto es f hren einen ausreichenden Ab stand von der Messstelle zur KA vorausgesetzt ben tigte jedoch den Einsatz weiterer Mess ger te Zudem w rden auch hier die oben beschriebenen Probleme bei der Ereigniserkennung auftreten Wegen der genannten Ursachen ist eine rein tageszeitabh ngige Strukturumschaltung zu bevorzugen Die Umschaltung sollte etwa 15 min vor dem erwarteten Schmutzsto erfolgen damit si
154. g 9 Aug 16 Aug 23 Aug 30 Sep 6 Sep 13 Sep 20 Bild 6 43 CSB UV Konzentration im Zulauf zum BB vom 28 06 26 09 1999 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 139 100 NH4 N Zulauf BB 80 gt E 5 8 E N E g 40 zZz I zZ 0 Jun 28 Jul 5 Jul 12 Jul 19 Jul 26 Aug 2 Aug 9 Aug 16 Aug 23 Aug 30 Sep 6 Sep 13 Sep 20 Bild 6 44 NH N Konzentration im Zulauf zum BB vom 28 06 26 09 1999 20 NH4 N BB 15 D E amp c 2 g T O N E O x x ZI zZ a Il Il Jun 28 Jul 5 Jul 12 Jul 19 AINIML Li Jul 26 Aug 2 NIMM ll Aug 9 I Ih Sep 13 Sep 20 vi AN LIU Aug 16 Aug 23 Aug 30 Sep 6 Bild 6 45 NH N Konzentration im BB vom 28 06 26 09 1999 NOX N Konzentration in mg l Jun 28 Jul 5 Jul 12 Jul 19 Jul 26 Aug 2 Aug 9 Aug 16 Aug 23 Aug 30 Sep 6 Sep 13 Sep 20 Bild 6 46 NOx N Konzentration im BB vom 28 06 26 09 1999 140 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 10 r CSB UV Ablauf 80 gt E S 60 2 5 T 2 40 cd N O 20 Jun 28 Jul 5 Jul 12 Jul 19 Jul 26 Aug 2 Aug 9 Aug 16 Aug 23 Aug 30 Sep 6 Sep 13 Sep 20 Bild 6 47 CSB UV Konzentration im Ablauf der Nachkl rung vom 28 06 26 09 1999 20 T
155. g l 0 4 8 12 16 20 h 24 Bild 5 6 NH N NOx N und N Konzentration im Ablauf der Nachkl rung am 18 5 1996 Auch in den Bildern 5 4 und 5 5 sind die Bel ftungsphasen grau gekennzeichnet Die O Zeh rung war wegen des h heren TS Gehaltes im BB deutlich gr er als im zuvor betrachteten Tagesgang Die O Konzentration in den Nitrifikationsphasen lag deshalb zeitweise unterhalb der vorgegebenen F hrungsgr e von 2 mg l Durch die st rkere Zehrung herrschten bereits zu Beginn des Denitrifikationsintervalls anoxische Bedingungen Die Denitrifikation verbes serte sich zudem durch die Verl ngerung der Bel ftungspause deshalb lag die NO N Kon zentration im BB niedriger Bild 5 6 Durch die geringe Zehrung in den Schwachlastphasen wurde in diesen Zeitr umen nur wenig Reinsauerstoff eingetragen Bild 5 5 Erst zu Zeiten hoher Belastung zur Tagesmitte wurde mit dem gr tm glichen O Volumenstrom begast trotzdem erreichte die O Konzentration im BB den Sollwert von 2 mg l nicht Das Stellglied arbeitete somit an seiner Begrenzung und war f r diesen Belastungsfall unterdimensioniert Die Ablaufwerte Bild 5 6 lagen niedriger jedoch wurde der angestrebte berwachungswert von A mg l f r die NH N Ablaufkonzentration zeitweise noch berschritten Eine m gliche Ursache ist die genannte berlastung der Stellglieder zum Zeitpunkt kritischer Bedingungen 5 1 2 Messergebnisse ber den gesamten Untersuchungszeitraum
156. gangsvariablen nicht m glich 154 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Eingangsvariable NH N HE normal hoch s_hoch wrrr NH4 N in 7 3 Eingangsvariable i we S TS Gehalt M X x Z N N 0 N N w niedrig mittel hoch Fi Y Eingangsvariable a 7 N Temperatur y AX pi 02 x x A Temperatur 30 26 sb 75 ido 125 180 175 240 25 A0 275 ado in C Bild 7 4 Zugeh rigkeitsfunktionen der Eingangsvariablen NH N TS Gehalt und Temperatur der F4 Strategie Regel 11 WENN TS Gehalt niedrig DANN O hoch Regel 12 WENN TS Gehalt mittel DANN O mittel Regel 13 WENN TS Gehalt hoch DANN O niedrig Regel 14 WENN Temperatur niedrig DANN O hoch Regel 15 WENN Temperatur mittel DANN O mittel Regel 16 WENN Temperatur hoch DANN O niedrig Tab 7 3 Zus tzliche WENN DANN Regeln der F4 Strategie Um eine ausreichende Nitrifikation bei niedrigem TS Gehalt im BB d h hoher Schlammbe lastung zu erreichen wird in diesem Fall die O F hrungsgr e erh ht Regel 11 Diese Regel wurde haupts chlich eingef hrt um den Auswirkungen der Verlagerung des Belebt schlamms in die Nachkl rung entgegen zu wirken Bei einer niedrigen Abwassertemperatur im BB werden die Bedingungen f r die Nitrifikation ebenfalls grunds tzlich schlechter Auch in diesem Fall muss die O F hrungsgr e angehoben werden um eine ausreichende Nitrifi kation zu gew hrleisten R
157. gr envorgabe 6 1 3 M gliche Verbesserungen des SymBio Verfahrens durch eine automatische adaptive F hrungsgr engenerierung Weil der Tagesverlauf der O F hrungsgr e von gro er Bedeutung f r die Nitrifikations und Denitrifikationsvorg nge ist und er bei Anwendung des SymBio Verfahrens nur durch Variation der im Kapitel 6 1 2 vorgestellten Entwurfsparameter beeinflussbar ist soll im Fol genden eine automatische Adaption dieser Parameter unter Ber cksichtigung eines gleitenden Durchschnitts und der Standardabweichung des Aktivit tssignals vorgeschlagen werden Die pr sentierte Methode basiert auf der Idee der Bollingerb nder die in der technischen Analyse der Kursverl ufe Charts von Wertpapieren W hrungen oder deren Derivaten 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 113 Futures Optionen etc angewandt wird siehe z B CQG02 FAZ02 Sie beruht auf dem statistischen Ph nomen der H ufung in der Mitte das besagt dass in normalverteilten Wer tegruppen eine bestimmte Menge an Werten mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit nur um einen bestimmten Betrag von einem Mittelwert abweicht FAZ02 Durch Bildung eines glei tenden Durchschnitts wird dieser Mittelwert bestimmt Die erwartete Abweichung wird durch die Standardabweichung des Zeitverlaufs ber cksichtigt Der gleitende Durchschnitt und die Standardabweichung k nnen grunds tzlich ber einen beliebigen Zeitraum er
158. hafte Messungen ss Io NOX N Ablauf X und Ausfall von Messger ten j I _ Auswirkungen eines P woh IE S ee nn St rfalls S o S a5 De S T N G 10 pae 5 PEPS 0 Bild 5 14 Stickstoffparameter im Ablauf der Nachkl rung vom 22 04 bis 23 06 1996 Die Ganglinie des Volumenstroms im Ablauf Bild 5 7 belegt dass im Untersuchungszeit raum meist Trockenwetterzulauf herrschte Volumenstr me zwischen 20 und 40 V s Einzelne Regenereignisse lassen sich an den vor bergehend hohen Volumenstr men erkennen Mitte Mai 1996 berschritt die Temperatur im BB erstmals 12 C markiert durch die rote Linie im Bild 5 7 ab diesem Zeitpunkt mussten die berwachungswerte f r die NH N und N Kon zentration eingehalten werden Der pH Wert im Zulauf lag fast ausschlie lich im basischen Bereich Bild 5 8 dies ist typisch f r kommunales Abwasser Mitte Juni 1996 kam es jedoch zu einem St rfall St rfall 1 der pH Wert im Zulauf zum BB fiel f r mehrere Stunden auf sehr niedrige Werte lt 4 Dies hatte Auswirkungen auf den pH Wert im BB der ebenfalls leicht sank Durch diesen Vorfall kam es zu einer Sch digung der Bioz nose im BB und zu einer Beeintr chtigung der Reinigungsleistung der Kl ranlage was im Bild 5 14 in der Ganglinie der NH N Ablauf konzentration deutlich wird Vermutlich war der R ckgang des pH Wertes im BB nicht allein 88 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen die
159. hlaufen Weil es durchaus vorkommen kann dass die Kreiselfrequenz auf den Maximalwert steigt was das Einschalten der Zusatzbel ftung bewirken w rde aber dennoch recht geringe NH N Konzentrationen im BB gemessen werden wurde dieser Parameter ebenfalls im Schaltkri terium ber cksichtigt Weiterhin wurde die Tageszeit in das Schaltkriterium mit einbezogen weil die relevanten Messgr en wie bereits im Kapitel 2 ausf hrlich besprochen einen aus gepr gten Tagesgang besitzen wobei sich meist alle Tagesg nge zumindest in der Charakte ristik ihres Verlaufs sehr hneln Durch Ber cksichtigung dieser Gr en sollte ein hinsicht lich der Einhaltung des NH N berwachungswertes unn tiges Einschalten der Zusatzbega sung vermieden und somit die Kosten f r den Reinsauerstoff gesenkt werden Die NH N Konzentration im BB und die Tageszeit wurden zus tzlich zu den oben genannten Kriterien folgenderma en im Schaltkriterium Bild 6 34 ber cksichtigt e Wenn es zwischen 5 und 18 Uhr ist wird bei berlastung der Kreisel immer zus tzlich begast e Wenn es fr her als 5 oder sp ter als 18 Uhr ist wird bei berlastung der Kreisel nur dann zus tzlich begast wenn die NH N Konzentration im BB gr er 2 mg l ist Falls es vor 5 Uhr oder nach 18 Uhr zur berlastung der Kreisel kommt und gleichzeitig die NH N Konzentration im BB unter 2 mg l liegt werden die Kreisel mit Maximaldrehzahl betrieben ohne dass Reinsauers
160. hlie lich um den in der Gleichung 2 13 beschrie benen Einfluss niedriger Substratkonzentrationen Es zeigt sich vielmehr eine sehr spezielle Eigenschaft der Kl ranlage Netphen die mit Hilfe von Bild 2 11 erl utert werden soll 2 _Abwasserreinigung aus regelungstechnischer Sicht 27 Zulauf BB Messstelle 2 R cklaufschlamm Kreisel 1 Ablauf BB Kreisel 2 O Konzentration Verhalten bei Schwachlast a N Verhalten bei Starklast 2 3l 4 Umlaufweg Bild 2 11 M glicher Verlauf der O Konzentration im BB ber dem Umlaufweg bei starker und bei schwacher Belastung Bild 2 11 zeigt die Skizze des als Umlaufgraben ausgebauten Belebungsbeckens der KA Netphen Der Luftsauerstoffeintrag wird ber zwei Kreisel an den Stirnseiten des Beckens vorgenommen Der Zulauf befindet sich im Bereich eines der beiden Kreisel Die R cklauf schlammzufuhr und der Ablauf sind seitlich angeordnet Der Belebtschlamm wird innerhalb dieses Beckens im Kreis gef hrt Der Abstand zwischen den Kreiseln wird mit bezeichnet Die Konzentrationsverl ufe im Bild 2 11 zeigen m gliche rtliche Verteilungen der Sauer stoffkonzentration l ngs des Umlaufweges der hier vereinfacht mit 2 angenommen wird f r den folgenden Fall e Die Drehzahl beider Kreisel wird zum Zeitpunkt 0 sprungartig auf einen Wert gr er Null ver ndert und konstant gehalten Sprung Die O Konzentration im BB zum Zeitpunkt 0 betr gt 0 mg l Letztere
161. ie sind bautechnisch so dimensioniert dass sie mit einem maximalen Volumenstrom O Be messungszufluss bei Regenwetter beschickt werden k nnen Deshalb werden meist Regen berlaufbecken R B vorgeschaltet in denen bei berschreiten von QO der bersch ssige Volumenstrom gespeichert und bei sp terem Unterschreiten dieser Marke der Kl ranlage wieder zugegeben wird Sind die R B vollst ndig mit Abwasser gef llt wird das ber sch ssige Abwasser direkt in den Vorfluter geleitet Regen berlaufbecken sind mit Einrich tungen zur mechanischen Abwasserreinigung ausgestattet so dass in einem solchen Fall zu Dass dies nicht immer gelingt wird in einem der folgenden Kapitel belegt 2 _Abwasserreinigung aus regelungstechnischer Sicht 21 mindest die Grobstoffe entfernt werden k nnen Bei der Bemessung von Kl ranlagen mit Ni trifikation sind die im Kapitel 2 2 1 erl uterten Kenngr en Schlammalter bzw Schlammbe lastung von besonderer Bedeutung 2 3 Besondere Eigenschaften der Regelstrecke Belebungsbecken Die Regelstrecke Belebungsbecken hat einige bemerkenswerte systemtechnische Eigenschaf ten die im Folgenden n her erl utert werden sollen F r den Entwurf einer Regelung bzw die Wahl einer Regelkreisstruktur ist die Ber cksichtigung dieser Systemeigenschaften ebenso von Bedeutung wie f r die Interpretation bestimmter Vorg nge und Zusammenh nge in ge messenen Ganglinien Aus systemtechnischer Sicht ist da
162. ie Kl ranlage Netphen Die Kl ranlage Netphen hat eine nominale Ausbaugr e von 12 000 Einwohnerwerten und geh rt somit zu den kleinen bis mittelgro en Kl ranlagen Sie besitzt keine Vorkl rung Die biologische Reinigungsstufe arbeitet nach dem Belebungsverfahren und ist als Oxidationsgra ben ausgef hrt Umlaufgraben vom Typ Carrousel In der Ausbaustufe von 1988 Esmi85 wird das BB mit zwei Oberfl chenbel ftern bel ftet Die Nachkl rung ist als L ngsbecken ausgebaut die F rderung des R cklaufschlammes wird ber Saugr umer und Schneckenpum pe realisiert Die Schlammstabilisierung geschieht getrennt aerob Trennbau Rechen Sand und Belebungs R cklauf Nachkl rung 9 werk 1 geb ude 3 Fettfang 4 becken 6 schlamm pumpe 7 Zulauf Kiesfilter 8 pumpen 2 x BE RIZA LAII EEIE 28 ESERE TS IISREALI 2 A Ablauf Schlammsilo 11 _Betriebsgeb ude und Schlammentw sserung 5 Regen berlauf Schlamm becken 12 stabilisierungsbecken 10 Bild 4 1 Lageplan der Kl ranlage Netphen Der Lageplan im Bild 4 1 gibt einen ma stabsgerechten berblick ber die baulichen Gege benheiten auf der KA Netphen Zun chst passiert das Abwasser aus der Mischkanalisation das Trennbauwerk 1 Hier wird je nach Zulaufmenge ein Teil des Volumenstroms in das Re gen berlaufbecken 12 abgeschlagen Bei sp terem geringerem Zulaufvolumen wird das dort gespeicherte Abwass
163. ie im Weiteren vorgestellten Regelungs konzepte ausschlie lich auf eine Verbesserung der Nitrifikations und Denitrifikationsvorg n ge der Kohlenstoffabbau wird nicht explizit ber cksichtigt Geeignete Steuerungs und Regelungsstrategien m ssen daf r sorgen dass die NH N und der N berwachungswerte in allen Betriebszust nden eingehalten werden und gleichzeitig die Betriebskosten z B f r die Bel ftung des BB minimiert werden K hn96 K hn98 Dies ist eine keineswegs einfache regelungstechnische Aufgabe weil kein direkter Stell eingriff auf die Stickstoffkomponenten m glich ist sondern nur indirekt ber die Sauer stoffzufuhr auf die aeroben und anoxischen Milieubedingungen der an der Nitrifikation und Denitrifikation beteiligten Mikroorganismen eingewirkt werden kann Hoen97 Eine hohe Sauerstoffkonzentration im BB f hrt zwar zu weitgehender Nitrifikation und somit zu ge ringen NH N Konzentrationen es besteht jedoch prinzipiell die Gefahr der berschreitung des N berwachungswertes weil unter Umst nden nicht ausreichend denitrifiziert werden kann Umgekehrt besteht die Gefahr einer berschreitung des NH N berwachungswertes bei zu geringen Sauerstoffgehalten F r die Einhaltung der berwachungswerte ist entschei dend dass eine angemessene O Konzentration im BB vorgegeben und durch die Prozessre gelung auch eingehalten wird Zur Verdeutlichung der regelungstechnischen Aufgabenstel lung zeigt Bild 2 16 die
164. ierzu wurde das gesamte BB mit Ausnahme der Bereiche um die Kreiselbel fter mit Bel ftungsmatten versehen wie im Bild 4 5 skizziert Ansonsten entsprach der Ausbauzustand des Belebungsbeckens dem im Kapitel 4 1 beschriebenem R cklauf Zulauf Bel ftungs Propeller MEE sa matten e 5 LE zum eea kl rbecken Kreisel 1 Kreisel 2 Bild 4 5 Prinzipskizze des Belebungsbeckens der Kl ranlage Netphen 1996 Die Bel ftungsmatten wurden ber Schl uche und durch einen Druckbeh lter mit Verdampfer mit industriellem Reinsauerstoff versorgt Die relativ komplizierte Kombination aus Steue rung und Regelung der O Konzentration im BB wird im Kapitel 5 erl utert 74 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 4 4 Ausbauzustand nach Einbau der Lamellenabscheider 1998 Nach Entfernen eines Teils der Bel ftungsmatten wurden 1998 die Lamellenabscheider im BB installiert Bild 4 6 Bel ftet wurde ausschlie lich mit den Kreiseln Aus Platzgr nden musste ein Propeller stillgelegt werden was aber keine negativen Auswirkungen auf die Um w lzung des Belebtschlamms im BB hatte Die Anlage wurde mit dem SymBio Verfahren betrieben siehe Kapitel 6 1 F r die O Regelung kam ein konventioneller PID Industrie regler zum Einsatz Die Messstelle f r die Sauerstoffkonzentration wurde w hrend der Unter suchungen mehrmals ge ndert R cklauf Zulauf Propeller schlamm
165. ieser Zugeh rigkeitsfunktion erreicht So wurde der Term 158 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen normal schmaler gew hlt und der Term hoch in Richtung niedrigerer NH N Konzentrati onen ausgedehnt siehe Bilder 7 6 und 7 4 Verglichen mit dem Fuzzy Regler A z hlt der modifizierte Fuzzy Regler B bereits geringere NH4 N Konzentrationen zum Term hoch und erh ht somit die O F hrungsgr e normal hoch s_hoch Eingangsvariable NH N IA TI TTd NH4 N in 00 10 20 30 40 50 60 70 80 30 100 11 0 120 mg l D Bild 7 6 Zugeh rigkeitsfunktion der Eingangsvariablen NH N des bez glich der Ammoni umstickstoffkonzentration im BB empfindlicheren Reglers B der F2S Strategie Die Umschaltung zwischen den Reglerstrukturen erfolgt auch hier bei Eintreten von Ereig nissen die ber die Tageszeit 7 und 10 Uhr definiert sind Die tats chlich generierte O F hrungsgr e ist zwischen 7 und 10 Uhr immer eine gleitend gewichtete Summe der Reglerausg nge der Fuzzy Regler A und B Die strukturumschaltbare Fuzzy Regelung schaltet um 7 Uhr vom Fuzzy Regler A auf den empfindlicheren Regler B um In der folgenden Zeit bis 10 Uhr wird die Wirkung des em pfindlicheren Reglers stufenlos zur ckgenommen und im gleichen Ma e die des Reglers A angehoben Ab 10 Uhr ist der Regler A wieder vollst ndig f r die F hrungsgr e des inne ren Sauerstoffregelkreises zust ndig Di
166. ieweg amp Sohn Verlagsgesellschaft mbH Braunschweig Wiesbaden 1995 Kaskas A A Schwarmgeschwindigkeiten in Mehrkornsuspensionen am Beispiel der Sedimentation Dissertation Technische Universit t Berlin 1970 K hne M H ck M Sch nberger D Zoll S Lassen sich nitrifizierende Belebungsanlagen durch Sauerstoffbegasung ohne Erweiterung der Beckenvolumina auf intermittierende Denitrifikation umstellen Ersch in Angewandte Proze Me technik Nr 16 Hrsg G Nowack Eigenverlag Dr B Lange GmbH D sseldorf 1996 S 1 17 188 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen K hn96 K hne M Regelungs und Steuerungskonzepte zur Stickstoff und Phosphorelimination auf der Basis von On line Messungen Ersch in Angewandte Proze Me technik Nr 14 Hrsg G Nowack Eigenverlag Dr B Lange GmbH D sseldorf 1996 S 1 21 K hn98 K hne M Analyse und Regelung biologischer Abwasserreinigungsprozesse in Kl ranlagen at Automatisierungstechnik 46 1998 S 215 234 oli00 Kolisch G Modified lamella technologies for the economic upgrading of sewage treatment plants Water 21 2000 S 49 52 K SS98 K hne M Schuhen M Sch nberger D Modellierung und Simulation dynamischer Abwasserreinigungsprozesse in Kl ranlagen mit der modularen Modellbibliothek KSIM Wasser und Boden 50 1998 Nr 2 S 45 51 K SS99 K hne M Schuhen M Sch nberger D Modelling and Simul
167. igerung des Trockensubstanzgehaltes TS Gehaltes im Belebungsbecken die verlangte deutliche Leistungssteigerung der Anlage nicht m glich ist Jedoch musste diese Steigerung so realisiert werden dass durch die Erh hung des TS Gehaltes kein vermehrter Schlammabtrieb auftreten kann 182 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen e Der in den Versuchen ab 1998 im BB der KA Netphen eingesetzte Lamellenabschei der entsch rfte diese Problematik Obwohl der angestrebte Abscheidegrad von 50 bei Quy nicht erreicht werden konnte ist sein Beitrag zur letztlich erfolgreichen Leis tungssteigerung der KA Netphen betr chtlich Das eingesetzte SymBio Verfahren stellte sich f r die auf der KA Netphen vorliegende Problematik als unzureichend he raus Eine gezielte Beeinflussung der Nitrifikation und Denitrifikation durch Variation der O F hrungsgr e gelang nicht Eine F hrungsgr envorgabe unter Ber cksichti gung der Ersatzgr e Belebtschlammaktivit t ist hierf r nicht hinreichend Jedoch diente die Regelkreisstruktur des SymBio Verfahrens als Anregung zur Entwicklung der auf Fuzzy Logik basierenden Strategien e Von allen getesteten fuzzy logik basierten Strategien stellte sich die strukturumschalt bare Regelung F2S Strategie als die Leistungsf higste heraus Durch einen sinnvoll gew hlten Zeitpunkt der Strukturumschaltung auf einen bez glich der NH N Konzentration im BB sehr empfindlich ausge
168. igungsanlagen 4 2 Ausbauzustand vor Beginn der Untersuchungen Vor Beginn eines F amp E Projektes im Jahre 1996 wurden zur Bel ftung ausschlie lich zwei an den Stirnseiten des Belebungsbeckens installierte Oberfl chenbel fter Kreisel 1 und 2 ein gesetzt die jeweils durch zweifach polumschaltbare Motore angetrieben wurden Bild 4 3 Zur Erh hung der Str mungsgeschwindigkeit im BB bei reduzierter Drehzahl der Kreisel oder bei Abschaltung eines Kreisels waren zwei Propeller installiert R cklauf Zulauf Propeller schlamm Kreisel 1 Kreisel 2 zum Nach kl rbecken Bild 4 3 Prinzipskizze des Belebungsbeckens der Kl ranlage Netphen vor 1996 F r die O Konzentration im BB wurde eine konstante F hrungsgr e Sollwert von 1 5 2 mg l vorgegeben Festwertregelung mit Standardregelkreis Die Sauerstoffkonzentration wurde an der Messstelle 7 gemessen Verwendet wurde ein schaltender Regler Mehrpunkt regler mit Hysterese Bild 4 4 zeigt das Verhalten der Sauerstoffregelung anhand der Istgr e O Konzentration im BB und der Stellgr e Bel ftungsstufe Die Bel ftungsstufen erga ben sich durch die polumschaltbar betriebenen Kreiselbel fter gem Tabelle 4 1 6 T T T T O2 BB4 Messfehler L fterstufe f O2 Konzentration in mg l L fterstufe 09 F O2 Sollwert 1 sm 0 fi fe I pe 0 4 8 12 16 20 h 24 Bild 4 4 Sauerstoffkonzentration im BB und Bel ftungsstufen am 12 07 19
169. ikroorganismen bezogen auf den Substratabbau In Gleichung 2 11 wird deutlich dass leicht abbaubare Kohlenstoff verbindungen im BB nicht produziert sondern nur abgebaut werden 12 Strenggenommen stimmt dies nicht Die K rpersubstanz abgestorbener Mikroorganismen wird ber Zwi schenschritte schlie lich zu Substrat Dieser Prozess wird in 2 11 nicht explizit ber cksichtigt und ist ohnehin von untergeordneter Bedeutung weil organischer Kohlenstoff haupts chlich ber den Zulauf zugef hrt wird 2 _Abwasserreinigung aus regelungstechnischer Sicht 23 Das dynamische Verhalten der Sauerstoffkonzentration im BB wird durch Gleichung 2 12 modelliert Der Sauerstoffeintrag uoss ber Stellglieder wird durch eine temperatur und druckabh ngige S ttigungskonzentration von Sauerstoff in Belebtschlamm limitiert Nach DIN 38408 23 gelten bei Temperaturen zwischen 10 und 20 C f r luftges ttigtes Wasser im Gleichgewicht mit wasserdampfges ttigter Luft bei Normdruck 1013 hPa O S ttigungskon zentrationen zwischen ca 11 und 9 mg l Diese Eigenschaft wird durch die Multiplikation der Stellgr e mit einem Begrenzungsterm ber cksichtigt Die Sauerstoffeintragsrate Uogg Z 0 ist eine nichtlineare Funktion die bei mit Frequenzumrichtern ausgestatteten Oberfl chenbel f tern von der Kreiseldrehzahl bzw der Umrichterfrequenz fy abh ngt u BB t F fo Diese Funktion bedarf einiger Erl uterungen um die im Kapite
170. ilanzierung der relevanten Zustandsgr en Online Messungen im Zulauf und im Ablauf des Belebungsbeckens die ge w hlten und im Folgenden vorgestellten Ans tze der der Fuzzy Logik dagegen lediglich die Online Messung der NH N und NO N Konzentration im BB F r die Verwendung der in zwischen in vielen Bereichen der Regelungstechnik etablierten Fuzzy Logik spricht zudem das in vielen Jahren gesammelte umfangreiche Wissen ber die Besonderheiten der KA Net phen Dieses Expertenwissen findet sich blicherweise bei den Kl rmeistern einer KA und kann leicht in ein Fuzzy Logik basiertes Prozessf hrungskonzept umgesetzt werden Umfang reiche Arbeiten zu diesem Thema finden sich z B in Hans97 Bei den im Folgenden vorgestellten Ans tzen wurden m glichst wenige Prozessanalysatoren oder Messsonden verwendet Zwar bringt die Messung vieler Prozessparameter einen Zuge winn an Information die sich u U sinnvoll in einem Prozessf hrungskonzept nutzen l sst je doch steigt mit der Anzahl der eingesetzten Prozessanalysatoren durchaus auch der Messson den die Gefahr des Auftretens fehlerhafter Messsignale Die vorgestellten Ans tze kommen ohne Messungen im Anlagenzulauf aus und ber cksichtigen nur die wichtigsten Zustandsgr en Wegen des Verzichts der Messung im Anlagenzulauf ist eine St rgr enaufschaltung z B unter Ber cksichtigung der NH N Konzentration im Zulauf nicht realisierbar Folgende Fuzzy Logik basierte Grundstruktu
171. im Fr hjahr eingeschaltet wenn die Temperatur im BB ann hernd 12 C erreicht hat und sollte bei Unterschreiten dieser Marke im Herbst wieder ausgeschaltet werden 7 2 Ergebnisse des Untersuchungszeitraumes 2000 Weil im Jahr 2000 auf der KA Netphen unterschiedliche Regelungskonzepte getestet wurden soll zun chst eine zeitliche bersicht vorangestellt werden Bild 7 12 Vom 04 08 bis 13 11 00 wurden fuzzy logik basierte Ans tze eingesetzt vorher und nachher kam das Sym Bio Verfahren mit zus tzlicher O Begasung zum Einsatz Zwischenzeitlich wurde eine Kombination aus Vorsteuerung und der F2 Strategie angewen det Bei sprungf rmiger Vorsteuerung vom 23 08 bis 31 08 00 wurde die O F hrungsgr e zum Zeitpunkt des erwarteten Schmutzsto es sprungf rmig auf einen Sollwert von 1 1 5 mg l erh ht Nach einem einstellbaren Zeitraum 2 3 Stunden wurde die O F hrungsgr Benvorgabe wieder von der F2 Strategie bernommen Auch diese Umschaltung geschah sprungf rmig Bei der rampenf rmigen Vorsteuerung vom 31 08 bis 13 09 00 wurde hn lich vorgegangen Die Umschaltung der O F hrungsgr envorgabe mit Fuzzy Logik auf die Vorsteuerung und die R ckschaltung auf die F2 Strategie geschah zu definierten Tageszeiten Im Zeitraum der O F hrungsgr envorgabe mit rampenf rmiger Vorsteuerung wurde die F hrungsgr e von einem Startwert 1 5 mg l mit zunehmender Zeit rampenf rmig auf einen Wert von 0 5 mg l zu
172. im Tagesverlauf pro blemlos kompensiert werden k nnen Au erdem bewegt sich die Belebtschlammaktivit t im BB ber l ngere Zeitr ume in Trends was weitere Probleme verursacht siehe weiter unten 108 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 500 Aktivit t BB f 450 en ae RER ce 400 350 300 250 Aktivit t in bpa T E E u me ee en L Ir ENO N E O E E A 0 4 8 12 16 20 h 24 Bild 6 4 Typischer Tagesgang der Belebtschlammaktivit t vom 24 09 1998 Im Bild 6 5 ist die Kennlinie des Aktivit tsreglers nochmals detailliert dargestellt Im Fol genden wird nur der mittlere linear ansteigende Bereich betrachtet Dieser Abschnitt der Kennlinie des F hrungsgr engenerators im berlagerten Regelkreis des SymBio Verfah rens folgt der linearen Beziehung 6 1 Woz t O F hrungsgr e K t 6 1 Yanlt Belebtschlammaktivit t Messwert Worli Kr Yml o GE Kp Verst rkungsfaktor 0 Offset Wozmin O F hrungsgr e in mg l 800 1000 Aktivit t in bpa y Aktmin y Aktmax Bild 6 5 Kennlinie des Aktivit tsreglers 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 109 Die bertragungsfunktion des P Gliedes im berlagerten Regelkreis bietet somit zwei Ent wurfsparameter Die Reglerverst rkung Kp und einen Offset o Aus naheliegenden Gr nden im Folgenden erl utert wird diese Kennl
173. inie jedoch nicht ber den direkten Entwurf der Pa rameter Kp und o festgelegt sondern indirekt durch Vorgabe der im Bild 6 5 eingezeichneten Grenzen V Armins Y Aktmaxs WoO2mins Wozmax Zun chst ist ein sinnvoller Bereich f r die Ausgangsgr e O F hrungsgr e zu bestimmen Wozmin UNd Wormax Wie bereits angesprochen geschieht dies empirisch basierend auf Erfah rungswerten und unter Kenntnis von Besonderheiten der jeweiligen KA sowie unter Ber ck sichtigung des Messorts der Sauerstoffmessung Um einerseits eine angemessene Dynamik im Tagesverlauf und andererseits geeignete Absolutwerte f r die O F hrungsgr e zu erhalten m ssen die Steigung und die Lage der Kennlinie festgelegt werden Hierbei ist es sinnvoll den gesamten Messbereich der Aktivit t 0 bis 1000 bpa einzuschr nken Die Kennlinie wird durch Wahl der Parameter Yan UNd Y rma um einen Erwartungswert im Beispiel im Bild 6 5 etwa 400 bpa begrenzt Diese Parameter sollten so gew hlt werden dass der tats chlich ge messene Aktivit tsmesswert innerhalb der Spanne y mins Yarmar einstellt Es muss auch darauf geachtet werden dass diese Spanne nicht zu gro gew hlt wird weil sonst ein nur schwach ausgepr gter Tagesgang des Aktivit tssignals nicht ausreichend verst rkt werden kann Unter Ber cksichtigung dieser Spanne und des zuvor festgelegten Konzentrationsbereichs f r die O F hrungsgr e ergeben sich X und o nach den Gleichungen 6 2 und 6 3
174. insatz von Lamellenabscheidern 39 3 Leistungssteigerung von Kl ranlagen durch den Einsatz von Lamellenabscheidern Die Masse mzs der Mikroorganismen im Belebungsbecken einer Kl ranlage l sst sich durch das Produkt aus Trockensubstanzgehalt im BB 7S und dem Volumen des Belebungsbeckens Vzg beschreiben Wegen mineralischer Anteile im TS Gehalt entspricht dieser zwar nicht exakt der Mikroorganismenkonzentration jedoch k nnen im Rahmen der auf Kl ranlagen blichen Trockensubstanzgehalte beide Gr en als proportional angenommen werden Mrs TS sg Veg 3 1 Die Leistungssteigerung einer Kl ranlage ist durch die Vergr erung der an den Reinigungs vorg ngen beteiligten Mikroorganismenmasse m glich Nach Gleichung 3 1 ist sie durch Erh hung des TS Gehaltes im BB oder durch Volumenvergr erung des Belebungsbeckens erreichbar Letztere ist nur durch rein bautechnische Ma nahmen realisierbar und soll in die ser Arbeit nicht behandelt werden Sie verursacht vergleichsweise hohe Kosten ist zeitauf w ndig und beeintr chtigt den Anlagenbetrieb unter Umst nden stark Eine Vergr erung des Beckenvolumens kann auch aus Platzgr nden problematisch sein 3 1 Leistungssteigerung durch Erh hung des Trockensubstanzgehaltes im Belebungsbecken Zur Abtrennung der Belebtschlammflocken vom gereinigten Abwasser werden die Nachkl r becken von Kl ranlagen so ausgelegt dass sie bei einem maximal m glichen Durchfluss und einem maximal
175. isabh ngige Regelung der Intervalldauer Kapitel 5 2 5 1 Intermittierende Nitrifikation und Denitrifikation mit Zeitsteuerung Bild 5 1 zeigt die realisierte zeitgesteuerte intermittierende Nitrifikation und Denitrifikation als Blockschaltbild Die Zeitsteuerung schaltet beide Oberfl chenbel fter ein oder aus Sie wurden im Nitrifikationsintervall immer mit Maximaldrehzahl betrieben eine Regelung der O Konzentration im BB ber diese Stellglieder fand nicht statt Diese wurde in der Nitrifika tionsphase ausschlie lich durch Regelung des ber die Bel ftungsmatten eingetragenen Reinsauerstoffvolumenstroms realisiert Zu Beginn der Nitrifikationsphase musste f r eine vorgegebene Zeitspanne Tsun mit dem gr tm glichen Volumenstrom begast werden damit die O Konzentration im BB m glichst schnell in den Bereich der gew nschten F hrungs gr e erh ht werden konnte Diese gesteuerte Begasung wurde f r Tsun 5 min betrieben Anschlie end wurde die O Konzentration mit einem PID Regler geregelt Nach Beendigung der Nitrifikationsphase wurden alle Bel ftungseinrichtungen ausgeschaltet Zeit einlaus Kreisel Regel steuerung bel fter strecke x Belebungs Mailen becken Sauerstoffregler f r die Bel ftungsmatten Bild 5 1 Blockschaltbild zur Regelung der Sauerstoffkonzentration mit berlagerter Zeitsteuerung f r die intermittierende Nitrifikation und Denitrifikation 5 Betrieb der Kl ranl
176. ische Reinigung e biologische bzw chemische Schadstoffeliminierung e Trennung des gereinigten Abwassers vom Belebtschlamms in der Nachkl rung Die Prozesse der biologischen Schadstoffeliminierung sind der aerobe Abbau organischer Kohlenstoffverbindungen die Oxidation von Ammonium NH zu Nitrat NO und die Re duktion von Nitrat zu molekularem Stickstoff N2 Die verwertbaren organischen Kohlen stoffverbindungen im Abwasser werden dabei von Mikroorganismen f r Wachstum und Stoffwechsel genutzt und auf diese Art aus dem Abwasser entfernt HaHa80 Der Abbau von Phosphorverbindungen geschieht entweder chemisch durch F llung oder biologisch durch Verfahrensvarianten Das Abwasser erreicht eine Kl ranlage ber den Kanal Eine mechanische Reinigung Re chen Vorkl rung bel fteter Sand und Fettfang oder Kombinationen aus diesen Verfahrens stufen entfernt die mitgef hrten Grobstoffe und Fette Nach dieser mechanischen Vorbe handlung flie t das Abwasser in das Belebungsbecken BB wo der biologische Abbau von Schadstoffen durch Mikroorganismen stattfindet Diese siedeln in Flocken und bilden eine In der Terminologie der Siedlungswasserwirtschaftler erste Reinigungsstufe genannt In der Terminologie der Siedlungswasserwirtschaftler zweite Reinigungsstufe Kohlenstoffabbau und dritte Reinigungsstufe Stickstoff und Phosphoreliminierung genannt Auf die Phosphoreliminierung wird in dieser Ar
177. kgeschwindigkeit und Absetzfl che In der praktischen Anwendung hat sich gezeigt dass insbesondere gro e Sedimentationsfl chen und turbulenzarme Str mungsverh ltnisse siehe Kapitel 3 2 3 die Absetzwirkung be g nstigen Bill79 Der Absetzvorgang k rniger Teilchen ist nach der vereinfachenden Theo rie von Hazen allein von der Sedimentationsfl che Ase abh ngig Bill79 Bei bekannter station rer Sinkgeschwindigkeit und bekanntem Sinkweg kann die f r den Ab scheidevorgang ben tigte Zeit angen hert berechnet werden Damit ein Partikel abgeschieden werden kann muss seine Aufenthaltsdauer in der Sedimentationsanlage gr er oder gleich der f r den Abscheidevorgang ben tigten Zeit sein Unter Ber cksichtigung des Volumenstroms ergibt sich f r kontinuierlich durchstr mte Sedi mentationsanlagen ein einfacher Ansatz zur Ermittlung der ben tigten effektiven Absetz fl che Sed 2 3 10 Cor el 3 Leistungssteigerung von Kl ranlagen durch den Einsatz von Lamellenabscheidern 43 Die effektive Sedimentationsfl che Ase entspricht der horizontalen Projektion der berstr m ten Fl che eines Abscheideelementes abz glich von Einlaufzonen 3 2 3 _ Laminare und turbulente Str mung Eine geordnete Str mung in gedanklich unendlich d nnen aufeinander abgleitenden Schich ten wird als laminar bezeichnet Die Z higkeit des Fluids und die Haftbedingung an der Wand haben einen dominierenden Einfluss auf die G
178. konzentration Verst rkungsfaktor Wachstumskonstante des Substrats Streckenverst rkung L nge Masse der Nitrifikanten allgemeine Anzahl Drehzahl Intervallzahl der intermittierenden Bel ftung pro Tag Offset in der Kennlinie des Aktivt treglers Leistung Fl chenbeschickung Fl chenbeschickung des Lamellenabscheiders Mischwasserzufluss Schlammvolumenbeschickung zul ssige Schlammvolumenbeschickung Zulaufvolumenstrom hydraulischer Radius Reynoldszahl kritische Reynoldszahl Ammoniumstickstoffkonzentration im Belebungsbecken maximale Ammoniumstickstoffkonzentration im Belebungsbecken minimale Ammoniumstickstoffkonzentration im Belebungsbecken Sauerstoffkonzentration im Belebungsbecken Sauerstoffs ttigungskonzentration im Belebungsbecken VI Sozu Sseg Sszu To To To T T Tne T pemax T Ty Thi T Wimin TS 55 TSyks Tsart Tag trs Ty U U U UoBB W o2max Wo2mix X Ars Ayzu YAk y Aktmax Y Aktmin Yu Yi y a P Uu Au vV PF Pr 07 mg l g m mg l g m mg l g m DSpea rr pan g l kg m g l kg m mg l mg l mg l mg l mg l m mm mg l mg l bpa bpa bpa g g d d m s kg m kg m Sauerstoffkonzentration im Zulauf Substratkonzentration im Belebungsbecken Substratkonzentration im Zulauf Totzeiten Verzugszeiten Denitrifikationsdauer der intermittierenden Bel ftung maximale Denitrifikationsdauer der intermittie
179. konzept einzusetzen In den folgenden Kapiteln 6 und 7 wird von Feldversuchen mit dieser leistungssteigernden Ma nah me berichtet 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 103 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren In den Jahren 1998 bis 1999 wurde auf der KA Netphen ein umfangreiches F amp E Projekt durchgef hrt Projektbeteiligte waren Die Stadt Netphen als Betreiber der Anlage die Fa SHW H lter Wassertechnik GmbH Essen verantwortlich f r s mtliche Ingenieurleistungen und das Zentrum f r Sensorsysteme ZESS der Universit t Siegen verantwortlich f r die wis senschaftliche Begleitung Das Projekt wurde vom Ministerium f r Umwelt Landwirtschaft und Raumplanung MURL des Landes Nordrhein Westfalen gef rdert Als verfahrenstechnische Ma nahme kamen Lamellenabscheider im BB zum Einsatz die wie im Kapitel 3 erl utert f r eine Vorabscheidung der Feststoffe des der Nachkl rung zu flie enden Belebtschlammes sorgten Hiermit sollte der TS Gehalt im BB und somit die dorti ge Mikroorganismenpopulation gesteigert werden ohne dass gleichzeitig die Nachkl rung berlastet wird In diesem Kapitel soll nun ein weiterer Ansatz zur Prozessf hrung der nun durch den Einsatz der LA im BB leistungsgesteigerten KA Netphen vorgestellt werden Zur Regelung der Ni trifikations und Denitrifikationsvorg nge wurde das SymBio Verfahren der Fa SHW H lter Wassertechnik eingesetzt was im F
180. l 2 3 2 gezeigten Sprungantworten interpretieren zu k nnen Im Fall der KA Netphen ist die Stellgr e am Reglerausgang ein analoges Stromsignal 4 20 mA das ber Frequenzumrichter die Kreiseldrehzahl kontinu ierlich ver ndert Die Frequenzumrichter sind mit Hochlaufgebern ausgestattet die zwar nichtlineare Eigenschaften besitzen welche jedoch von untergeordneter Bedeutung sind Um richterfrequenz und Kreiseldrehzahl werden als proportional angenommen Der wesentliche nichtlineare Zusammenhang liegt zwischen der Umrichterfrequenz fy bzw der Kreiseldreh zahl und der Sauerstoffeintragsrate uoss Bei niedrigen Drehzahlen wirkt sich eine nderung der Drehzahl deutlich geringer aus als bei h heren Der Kreisel ben tigt grunds tzlich eine recht hohe Drehzahl um gr ere Luftmengen ber die Oberfl che in den Belebtschlamm einzutragen Bei den Kreiseln der KA Netphen findet ein deutlicher Eintrag erfahrungsgem erst ab einer Umrichterfrequenz von etwa 37 bis 39 Hz statt Dies ist allerdings auch abh ngig von der jeweiligen Sauerstoffzehrung der Mikroorganismen Durch die sich st ndig ndernde O Zehrung modelliert durch den dritten Term der rechten Seite von 2 12 und durch zeit variante Einfl sse siehe Kapitel 2 3 4 ist die experimentelle Ermittlung dieser Nichtlinearit t in Form einer Kennlinie oder eines Kennfelds letztlich mit dem Ziel ihrer Kompensation im Regelkreis grunds tzlich sehr aufw ndig und problematisch F r
181. l zur Str mungs richtung der Suspension In der Literatur z B Pla 98 werden zudem Diagonalstrom Lamellenabscheider erw hnt die zur Abscheidung der Feststoffe eine Kombination der Verfahrensvarianten Gegenstrom und Kreuzstrombetrieb nutzen 3 3 2 Der Gegenstrom Lamellenabscheider Bild 3 4 zeigt die Prinzipskizze eines Gegenstrom Lamellenabscheiders wie er seit 1998 im Belebungsbecken der Kl ranlage Netphen eingesetzt wird Die Suspension Belebtschlamm str mt den LA von unten an Durch richtige Auslegung der Lamellengeometrie wird erreicht dass sich in den Lamellen Str mungsverh ltnisse einstellen die ein Absetzen der Partikel auf den schr g gestellten Lamellen erm glichen Diese Partikel rutschen nach unten und werden von der Str mung im BB wegtransportiert somit entf llt die oben angesprochene Aufgabe der Eindickung des abzuscheidenden Feststoffs Die teilweise von den Feststoffen getrennte fl ssige Phase verl sst das System ber die berfallkante und flie t ber Gerinne ab Die Partikel sedimentieren auf einer bogenf rmigen Bahn Somit gilt diese Aussage streng genommen nur f r eine station re Betrachtung 50 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Gerinne Lamelle berfallkante a lt t lt v Ablauf Bild 3 4 Prinzipskizze des im Belebungsbecken der KA Netphen eingesetzten Gegenstrom Lamellenabscheiders Seitenansicht und Draufsicht x
182. latt A131 der ATV finden sich anerkannte Regeln der Technik zur Auslegung von Nachkl rbecken Weil die Vorg nge der Sedimentation in Becken und in den Lamellen der LA dem gleichen physikalischen Prinzip unterliegen sollen diese Regeln hier auszugsweise vorgestellt werden Das tats chliche Absetzverhalten des belebten Schlamms ist abh ngig von vielen Einfluss gr en und wird keineswegs ausschlie lich durch die Str mungsbedingungen bestimmt Es kann durch den Schlammindex ZSV beschrieben werden DIN4045 definiert ihn als den Quo tienten aus Schlammvolumen V und Trockensubstanzgehalt im BB TS p Vs ISV 3 16 BB Hohe Schlammindices stehen f r schlechtes und niedrige f r gutes Absetzverhalten Zur Beschreibung der Belastung einer Nachkl rung dient die Fl chenbeschickung q1 Sie ist das Wasser bzw Schlammvolumen das ihr auf Zeit und Oberfl che bezogen zugef hrt wird DIN 4045 Die Schlammvolumenbeschickung gsr ist das Produkt aus Fl chenbeschickung und Schlammvolumen DIN 4045 Zur Ermittlung der Beckengr e einer Nachkl rung ver wendet das Arbeitblatt A131 der ATV den folgenden Zusammenhang d Svzul 2 347 UT ID eni Die zul ssige Schlammvolumenbeschickung qsv des Nachkl rbeckens richtet sich u a nach seiner Bauform und ist ebenfalls dem Arbeitsblatt A131 der ATV zu entnehmen Mit Hilfe dieser Kennzahlen und des Mischwasserzuflusses O wird nach ATV A131 die be n tigte Fl che der Nachkl r
183. lauf zur Nachkl rung vom 01 01 30 12 2001 3 _ Leistungssteigerung von Kl ranlagen durch den Einsatz von Lamellenabscheidern 67 Auch die Ganglinie des Volumenstroms im Ablauf der Nachkl rung aus dem Jahr 2001 Bild 3 30 hnelt denen aus den Vorjahren Der Trockenwetterzulauf im Hochsommer war etwas ausgepr gter als im Vorjahr jedoch nicht so extrem wie 1999 Im Mai und Juni 2001 wurden die Lamellenabscheider umgebaut in diesem Zeitraum unter blieb die Messung des TS Gehaltes im Zulauf zur Nachkl rung Auch im Jahr 2001 wurde ein TS Gehalt 4 5 g l im BB angestrebt Dieser Wert konnte im Wesentlichen eingehalten wer den Der TS Gehalt im Zulauf zur Nachkl rung Bild 3 31 lag von wenigen Ausnahmen ab gesehen im Bereich des Auslegepunktes der Nachkl rung Nach abgeschlossenem Umbau der Lamellenabscheider wurde der TS Gehalt im BB erh ht Der Abscheidegrad der Lamellenabscheider lag vor dem Umbau auf dem Niveau der Vorjah re danach stieg er zun chst deutlich Bild 3 32 Ab Oktober 2001 verschlechterten sich die Absetzeigenschaften des Belebtschlamms deutlich Der Schlammindex ZSV stieg auf Werte ber 150 ml g was zu einer Verschlechterung des Abscheidegrades beitrug 3 7 Gesamtbeurteilung der Lamellenabscheider Im vorhergehenden Kapitel wurde deutlich dass der angestrebte Abscheidegrad von 50 bei Mischwasserzulauf nicht erreicht werden konnte Die Ursachen wurden bereits im Kapitel 3 5 genannt Die ver nderte Anor
184. legten Fuzzy Regler und einen geeigneten bergang auf einen diesbez glich weniger empfindlich parametrierten Fuzzy Regler konnte ein dem jeweiligen Anlagenzustand weitestgehend angepasster O F hrungsgr enverlauf generiert werden Zu Zeiten starker Belastung wurde der Verfahrensschritt der Nitrifikation bevorzugt zu Zeiten schw cherer Belastung hin gegen die Denitrifikation jedoch ohne die Nitrifikation vollst ndig zu unterdr cken Durch die O F hrungsgr envorgabe mit strukturumschaltbarer Fuzzy Logik konnte die Anreicherung eines Schadstoffes bei ung nstigen Randbedingungen vermieden werden was bei Einsatz des SymBio Verfahrens nicht gelang und zur berschreitung des N berwachungswertes f hrte Es konnte eindeutig belegt werden dass die direkte Messung der wichtigsten Zustandsgr en deutliche Vorteile gegen ber der Verwendung einer Ersatzgr e zur O F hrungsgr enberechnung hat Im wichtigsten Zeitraum der Entwicklungsphase stand mit der Programmierumgebung LabVIEW ein flexibles und leistungsf higes Werkzeug zur Verf gung dessen Einsatz die st ndige Verbesserung des Prozessf hrungskonzepts und die unproblematische Integration neuer Ideen erst m glich machte Eine wesentliche Erkenntnis dieser Arbeit ist dass sich die Vorg nge der Nitrifikation und Denitrifikation durch Variation der O F hrungsgr e gezielt beeinflussen lassen was gele gentlich von Praktikern bezweifelt wurde Dies gilt zun chst f
185. lkanten im Sommer teilweise t glich mit einem Wasserstrahl ges ubert werden Auch stellte sich heraus dass die ber die Wasser oberfl che ragenden Lamellen die Verstopfung mit Belebtschlamm beg nstigt und zudem die Reinigung erschwert Die Fa SHW H lter Wassertechnik GmbH hat als Konsequenz aus diesen Erkenntnissen auf anderen Kl ranlagen LA mit getauchten Lamellen siehe Prinzip skizze im Bild 3 14 eingesetzt Bild 3 13 Druckluftrohr an einem Lamellenabscheider aus Sc n00b berfallkante getauchte Lamelle Bild 3 14 Prinzipskizze eines Lamellenabscheiders mit getauchten Lamellen 3 _ Leistungssteigerung von Kl ranlagen durch den Einsatz von Lamellenabscheidern 57 Bild 3 15 belegt einen relativ geringen Abstand zwischen den Komponenten des Lamellenab scheiders und dem Kreiselbel fter Bez glich der Position der Br cken im BB der KA Net phen war die entsprechende Bauausf hrungszeichnung fehlerhaft der Abstand zwischen Br cke und Oberfl chenbel fter war dort wesentlich gr er vermerkt Dennoch wurden die Lamellenabscheider beidseitig der Br cke installiert Der daraus resultierende zu geringe Ab stand zum Kreisel hatte zur Folge dass eine Komponente des LA teilweise bersp lt wurde siehe Pfeil im Bild 3 15 was den Abscheidegrad negativ beeinflusste Bild 3 15 Zu geringer Abstand zwischen Lamellenabscheider und Kreisel 2 aus Sc n00a ge Ze en 7 u u nr en Bild 3 16 Einstaue
186. llgemein blich mit nur einer O Sonde im BB gearbeitet sondern es kamen zwei Sonden zum Einsatz aus deren Messwerten der arithmetische Mittelwert gebildet wurde Die ser Wert wurde als Messgr e im Regelungskonzept verwendet Eine Messsonde wurde dabei nahe am Stellort den Bel ftungsmatten installiert die andere leicht abseits Mit dieser Ma nahme konnte einerseits die Dynamik des Stellvorgangs ohne gro e Zeitverz gerung erfasst werden andererseits der Rauschanteil verringert werden 2 02 BB Regelung a e vertan see erento re REN E NN SEl En ereeme en ea en a gt E Q 1 N S N O 0 5 Jun 28 Jul 5 Jul 12 Jul 19 Jul 26 Aug 2 Aug 9 Aug 16 Aug 23 Aug 30 Sep 6 Sep 13 Sep 20 Bild 6 51 O Konzentration im BB vom 28 06 26 09 1999 1000 Aktivit t BB 800 600 400 Belebtschlammaktivit t in bpa 200 0 Jun 28 Jul 5 Jul 12 Jul 19 Jul 26 Aug 2 Aug 9 Aug 16 Aug 23 Aug 30 Sep 6 Sep 13 Sep 20 Bild 6 52 Belebtschlammaktivit t im BB vom 28 06 26 09 1999 144 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen U 40 35 Frequenz in Hz Sr aie ak oea n E GEE ERE ER e EEE SA m ze u _ _____ n p0 aa BD pane pap Jun 28 Jul 5 Jul 12 Jul 19 Jul 26 Aug 2 Aug 9 Aug 16 Aug 23 Aug 30 Sep 6 Sep 13 Sep 20 Bild 6 53 Frequenz der Kreisel vom 28 06 26 09 1999 250 Q 02 Begasung
187. m O2 F hrungsgr e aus Aktivit t Se a a a ne o7 Kb Te IE i 06 AIH os II E a Ia O2 Konzentration in mg l all m ee IE E h Tea I m o3 AME A EE LA A C zes n Bild 6 11 Aus den Bollingerb ndern im Bild 6 10 resultierende O F hrungsgr en mit Begrenzung auf den Bereich 0 3 0 8 mg l Die Bilder 6 12 und 6 13 zeigen Details aus den Bildern 6 10 und 6 11 Auch nach Anwen dung der Bollingerb nder zur F hrungsgr envorgabe treten bei hohen Aktivit tswerten hohe O F hrungsgr en auf Eine wesentliche Charakteristik des konventionellen SymBio Verfahrens bleibt somit erhalten Deutlich zu erkennen ist die ausgepr gte Dynamik in den Tagesverl ufen der O F hrungsgr en Bild 6 13 F r den Stickstoffabbau ist ein kurzzeiti 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 115 ges berschreiten des Bollingerbandes unkritsch siehe Tag 66 in den Bildern 6 12 und 6 13 Problematischer ist der deutliche R ckgang in der Aktivit tsganglinie im Bild 6 12 Tag 63 Er f hrt zum Schnitt des unteren Bollingerbandes und die O F hrungsgr e Bild 6 13 l uft in die Begrenzung von 0 3 mg l M gliche Ursachen und die Auswirkungen pl tzlich sinken der Aktivit tsmesswerte auf die Stickstoffelimination werden im Kapitel 6 1 5 untersucht BI n Aktivit t obere Grenze Bollingerband untere Grenze Bollingerband 300 Aktivit t in bpa
188. m problemlos arbeitet Obwohl sie noch eine gewisse Robustheit gegen ber Fehlbedienungen besitzt ist eine solche Anlage in ihrem Verhalten deutlich empfindlicher und verlangt mehr Fingerspit zengef hl bei der Bedienung als sonst blich 7 4 4 Hinweise zum Sommer und Winterbetrieb Wenn wegen niedriger Abwassertemperaturen keine Nitrifikation und somit auch keine De nitrifikation stattfinden kann ist der Einsatz der F2S Strategie sinnlos F r einen solchen Fall wurde dem Anlagenbetreiber empfohlen auf das SymBio Verfahren umzuschalten was im Winter 2001 2002 auch geschah Jedoch wurden dann u erst hohe NH N Ablaufwerte ge messen die die Betreiber dazu bewegten zur F2S Strategie zur ckzukehren Es stellte sich he raus dass die KA Netphen trotz sehr niedriger Abwassertemperaturen noch ein wenig nitrifi zierte und die F2S Strategie blieb w hrend des gesamten Winters im Einsatz Falls Bedenken wegen potenziellen Schlammabtriebs hoher Schlammindex bestehen ist wie bereits angesprochen auch die Reduzierung des TS Gehaltes im BB sinnvoll Wichtig ist jedoch dass im Fr hjahr bereits vor Erreichen der 12 C Marke durch Erh hung des TS Gehaltes im BB eine ausreichend niedrige Schlammbelastung vorliegt 7 4 5 Hinweise zum Betrieb bei stark gesch digter Bioz nose Bei z B durch einen St rfall stark gesch digter Bioz nose muss die F2S Strategie au er Be trieb genommen werden weil dann durch mangelnd
189. mes zu erkennen ist Die schwach durchstr mten Lamellen rechts im Bild 3 11 scheiden die Belebtschlamm flocken fast vollst ndig ab Eine solche ungleichm ige Beschickung von Lamellenabschei dern f hrt zu einer Senkung des Gesamtwirkungsgrades ScK 98 und ist zu vermeiden A ZA NO GS NA Bild 3 12 Schaumbildung auf den Lamellen aus Sc n00b Weil Lamellenabscheider ohne bewegliche Teile auskommen sind sie im Betrieb unproble matisch und wenig st ranf llig Es zeigte sich jedoch dass sich Schwimmschlamm und Schaum zwischen den Lamellen sammelte was die berfallkanten teilweise verstopfte Bild 56 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 3 12 Weil der Verschluss einzelner Lamellen die Str mungsgeschwindigkeit in den noch durchstr mten Lamellen erh ht f hrt dies zu einer Verschlechterung des Abscheidegrades Um ein Verstopfen der Lamellen durch Schwimmschlamm und Schaum zu vermeiden sind unter den LA Vorrichtungen zur Sp lung der Lamellen mit Druckluft angebracht Bild 3 13 Es handelt sich um ein mit Bohrungen versehenes mittig angebrachtes Rohr was ber Druck leitungen an einen Kompressor angeschlossen wird Diese Vorrichtung hat sich prinzipiell be w hrt eine Anordnung zweier Bel ftungsrohre an den Seiten des LA d h direkt unterhalb der berfallkanten sollte jedoch eine wirkungsvollere Reinigung gew hrleisten Bei sehr starker Schaumbildung auf den LA mussten die berfal
190. mination dieser Schadstoffe deutlich aufw ndiger als der Abbau der organi schen Kohlenstoffverbindungen der unter regul ren Bedingungen bei nitrifizierenden Kl r anlagen meist kein Problem darstellt Unter Ber cksichtigung der oben genannten Zielgruppe sollen die Grundlagen der angewand ten Regelungsalgorithmen nicht im Detail vorgestellt werden Jedoch ist die Erl uterung der Besonderheiten der Regelstrecke und ihre systemtechnische Einordnung sehr wichtig um die zu Grunde liegende Problematik zu verstehen und die Wahl der L sungsans tze besser nach vollziehen zu k nnen Alle Untersuchungen wurden auf der Kl ranlage Netphen vorgenommen deren Betreiber an strebte durch Leistungssteigerung der Anlage ab dem 01 07 2001 verbindliche gesenkte Ab laufgrenzwerte berwachungswerte sicher einzuhalten Oberste Priorit t hatte die Vermei dung eines Neubaus oder einer umfangreichen baulichen Erweiterung der Anlage Tabelle 1 1 zeigt die zum Zeitpunkt der Untersuchungen g ltigen und die gesenkten berwachungswerte Erl uterungen zu den genannten Parametern finden sich im Kapitel 2 N N CSE BSB 15 i 15 18 8a 3 15 bis30 06 01 4 60 DEE ab 01 07 01 w nschenswert freiwillige Senkung zur Reduzierung der Abwasserabgabe angestrebt FE kann durch die in dieser Arbeit beschriebenen Ma nahmen nicht beeinflusst werden Tab 1 1 Bisherige und zuk nftige berwachungswerte f r die Kl ranlage N
191. mittelt werden Vom aktuellen Wert des gleitenden Durchschnitts wird die aktuelle Standardabweichung oder ein Vielfaches davon hinzu addiert bzw abgezogen Man erh lt hierdurch zwei B nder die den zugrunde liegenden Zeitverlauf meist einh llen Die Gleichungen 6 4 bis 6 7 ver deutlichen diese Methode Ju y t diskreter Messwert y t gt y t 6 4 y t diskreter gemittelter Wert n Anzahl der zu mittelnden Werte ae E00 ee e Ei anderen n l iz oberes Band Yaumalt diskreter oberer Grenzwert Y Akt max t y t a olt 6 6 a Faktor unteres Band ds t y t j d o t 6 7 Y Aktmin t a diskreter unterer Grenzwert t min i i s Um einen angemessenen Verlauf der Bollingerb nder und somit letztlich einen sinnvollen Verlauf der O F hrungsgr e zu erhalten m ssen die Fensterweiten zur Berechnung des gleitenden Durchschnitts und der Standardabweichung richtig gew hlt werden Hierbei ist es wichtig dass die B nder in ausreichendem Ma e der Dynamik des Aktivit tssignals folgen die B nder nicht zu schmal oder zu breit werden und keine zu gro e Phasenverschiebung zwi schen Originalsignal und den Bollingerb ndern auftritt Diese experimentelle Herangehensweise entspricht grunds tzlich dem Vorgehen bei Einsatz dieser Methode zur Chartanalyse wobei dort jedoch andere Zielsetzungen verfolgt werden Bild 6 10 zeigt die Aktivit tsganglinie mit den einh llenden Bollingerb ndern
192. mmaktivit t die O F hrungsgr en Allerdings wurden w hrend der gesamten Einsatzdauer des SymBio Verfahrens weder die Begrenzung noch der untere Bereich der Kennlinie erreicht Somit kann man den F hrungs gr engenerator im berlagerten Regelkreis ohne Weiteres als P Glied mit geeignet gew hl tem Verst rkungsfaktor bezeichnen 3 Die explizite Vorgabe einer F hrungsgr e f r die Belebtschlammaktivit t ist somit unsinnig 106 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Das SymBio Verfahren wurde zun chst mit einem Industrie Regler Sipart DR 22 und einer konventionellen Daten bertragung 4 20 mA realisiert Diese Art der Umsetzung ist Stand der Technik ausreichend erprobt und sehr prozesssicher Jedoch ist bei F amp E Projekten h ufig ein Eingriff in die Prozessf hrungsstrategie n tig um erkannte Probleme zu beheben oder neue Ideen zu realisieren Deshalb wurde die Prozessregelung sp ter mit einem PC und einer geeigneten Software betrieben 6 1 1 Messung der Belebtschlammaktivit t Die Bestimmung der Belebtschlammaktivit t basiert auf einer Fluoreszenzmessung sie wird mit einer Sonde der sog BioBalance Sonde direkt im Prozess vorgenommen Lebende Zellen fluoreszieren wenn sie mit UV Licht einer bestimmten Wellenl nge bestrahlt werden Die an einer Vielzahl biochemischer Reaktionen beteiligten Coenzyme Nicotins ure amid adenin dinuclestid NADH und Nicotins ur
193. n 1985 ESST93 Engelhardt D Sender G Spillecke H Treunert E Abwasserrecht Abwassertechnik VDI Verlag D sseldorf 1993 FAZ02 FAZ NET FAZ NET Investor Bollinger B nder http boersenlexikon faz net bollinger htm 2002 Fisc55 Fischerstr m C N H Sedimentation in rectangular basins Proceedings American Society of Civil Engineers 81 1955 S 687 1 687 29 G R094 G nther W Rosebrock A Einbau von Rohrb ndelkl rern zur Stabilisierung des Betriebs im Nachkl rbecken awt abwassertechnik Nr 2 1994 S 54 55 H ck98 H ck M Sensorsysteme zur kontinuierlichen Messung von Proze gr en der biologischen Abwasserreinigung Dissertation UGH Siegen ZESS Forschungsberichte Band 12 Shaker Verlag Aachen 1998 HaHa80 Habeck Tropfke L Habeck Tropfke H H Abwasserbiologie Werner Verlag D sseldorf 1992 Hans97 Hansen J Der Einsatz von Fuzzy Control f r Regelungsaufgaben im Bereich der N hrstoffelimination in kommunalen Kl ranlagen Schriftenreihe des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft der Universit t Dissertation Kaiserslautern 1997 9 Literatur 187 Heis95 HeK074 Heiss M Kennfelder in der Regelungstechnik at Automatisierungstechnik 43 1995 S 363 367 Heckel R Korn M Rationalisierung von Absetzbecken mittels R hrensedimentation Wasserwirtschaft Wassertechnik 24 1974 S 341 346 HGGM87 Henze M Grady C P L Gujer W Marais G V R Ma
194. n der kommunalen Abwasserreinigung Sie wurden in der Vergangenheit im Ablauf der Nachkl rung oder der Vorkl rung eingesetzt G R094 HeK074 jedoch wurde diese Methode auf kommunalen Kl ranlagen zumindest in der j ngeren Vergangenheit nie im gro en Stil ange wandt Die Ursache lag vermutlich in Problemen beim praktischen Einsatz Dies wurde in Ge spr chen mit Praktikern angedeutet die von starken Verschmutzungen sogar vom Zuwachsen der Lamellen mit Algen berichteten die teilweise einen Ausbau des Lamellenabscheiders und eine anschlie ende Komplettreinigung n tig machten In ScSa84 findet sich ebenfalls ein Hinweis dass Lamellenabscheider in Misskredit geraten sind Die Autoren f hren dies auf eine Nichtbeachtung technischer Regeln durch die Anlagenbauer zur ck In den letzten Jahren scheint der Einsatz von Lamellenabscheidern im Bereich der Abwasser reinigung jedoch eine Renaissance zu erleben Dies k nnte einerseits in den allgemein be kannten Problemen mit hohen Schlammindices begr ndet sein die einen Einsatz von LA im Ablauf der Nachkl rung interessant machen siehe z B BaSW00 Andererseits wurde er kannt dass sich durch den Einsatz von Lamellenabscheidern zur Verbesserung der Sedimen tationsvorg nge in Kl ranlagen enorme Investitionskosten einsparen lassen Im Folgenden wird der Aufbau und die Wirkungsweise von Lamellenabscheidern beschrie ben Vorteile und noch existierende Probleme beim Eins
195. n des Ablaufgerinnes eines Lamellenabscheiders bei hohem Durchfluss Ein weiteres Problem trat bei sehr gro en Volumenstr men auf Bild 3 16 zeigt dass ein Teil des Ablaufgerinnes und somit ein Teil der Lamellen unter diesen Bedingungen eingestaut wurde siehe Pfeil im Bild 3 16 Dieser Einstauvorgang betraf je nach Volumenstrom ein Viertel bis ein Drittel der Lamellen der beiden gr eren Komponenten des LA Weil der Ge 58 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen samtvolumenstrom das BB nun mit h herer Geschwindigkeit durch die verbleibenden Lamel len verl sst bewirkte diese mangelhafte hydraulische Entkopplung zwischen berfallkante und Gerinne der LA eine deutliche Senkung des Abscheidegrades Dass diese Unzul nglich keit bei hohen Volumenstr men d h unter den ohnehin schwierigsten Randbedingungen auftrat war besonders nachteilig Die Ursache der mangelnden hydraulischen Entkopplung bei hohen Volumenstr men war nicht eine fehlerhafte Auslegung der Gerinne sondern in ei nem hydraulischen Engpass zwischen Sammler siehe Bild 3 17 und Zulauf zur Nachkl rung Der Durchmesser der Kernlochbohrung war irrt mlich zu gering gew hlt worden so dass sich bei hohen Volumenstr men ein R ck stau bildete der letztlich das Einstauen der Lamellen bewirkte Bild 3 17 zeigt dieses Kernloch bei geringerem Durchfluss die Bohrung verschwand bei gro en Volumen str men vollst ndig unter der Wasseroberfl
196. n die erste R ckfallebene geschaltet wird Der NO N Analysator h lt bei der Kalibrierung Sp lung ebenfalls den letzten zuvor gemes senen Wert was im Verlauf der NO N Ganglinie Bild 7 25 um etwa 8 und 16 Uhr deut lich zu erkennen ist Die sprunghafte Ver nderung des Zeitverlaufs nach Beendigung der Ka librierung oder des Sp lens belegt dass sich die NO N Konzentrationen w hrend dieser Vor 4 Im Sommer 2002 wurden vom Hersteller neue Ger te geliefert die bisher ohne die genannten Probleme betrieben werden konnten 7 Weiterf hrende Regelungskonzepte 177 g nge zum Teil deutlich ver ndern Bez glich der Verwendbarkeit des gelieferten Wertes in diesen Zeitr umen gilt auch hier das zuvor Gesagte Bild 7 26 zeigt die Auswirkungen einer Strategie mit R ckfallebenen anhand der O F h rungsgr e Die z T sehr hohen O Konzentrationen im BB zwischen 0 und etwa 7 Uhr so wie ab etwa 20 Uhr haben ihre Ursache in einer im Prozessf hrungskonzept vorgenomme nen Begrenzung des Stellbereiches der Kreiselbel fter auf den Minimalwert 28 Hz Zu nied rige Kreiseldrehzahlen ber einen l ngeren Zeitraum w rden zu mangelhafter Umw lzung des Belebtschlamms im BB f hren Die Gefahr des Absetzens von Belebtschlamm best nde Niedrigere Kreiselfrequenzen wurden au erdem aus Gr nden der Selbstk hlung der Antriebs motore unterbunden Ab etwa 7 Uhr bis etwa 20 Uhr folgt die gemessene O Konzentration im BB der
197. n f r die Bel ftung des Belebungsbeckens reduzieren Andererseits ist der Betreiber einer Kl ranlage stets bem ht den Prozess so zu f hren dass ausreichende Sicherheiten vorhanden sind falls eine unerwartete Belastungs spitze im Zulauf der Anlage auftritt F r den Regelungsentwurf ist ein Kompromiss zwischen diesen sich widersprechenden Zielen zu finden Weil kein fester Arbeitspunkt eingehalten werden muss und aus Gr nden der St rgr en charakteristik sowie der grunds tzlich begrenzten Reinigungskapazit t einer Kl ranlage siehe Kapitel 2 2 2 nicht eingehalten werden kann ist eine Kaskadenregelung mit Vorgabe eines 36 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen festen Sollwertes f r die NH N und oder N Konzentration nicht sinnvoll Die zweischleifi ge Struktur der Kaskadenregelung bietet jedoch Vorteile und wurde deshalb f r die in den Ka piteln 6 und 7 vorgestellten Feldversuche grunds tzlich beibehalten 2 4 3 Auswirkungen der besonderen Streckeneigenschaften im geregelten System Die Auswirkungen der im Kapitel 2 3 2 ausf hrlich erl uterten Besonderheiten der Regel strecke bei Schwachlast und einer Regelung der O Konzentration im BB mit PID Regler mit konstanten Parametern soll im Folgenden deutlich gemacht werden 50 Frequenz Kr 1 m ee Fr E E E SNT R Regelkreis wird 35 L W Ei 1 Iren eo SEEN Abklingen durch Frequen
198. n in mg l 7 6 ein 5 T 4 o 3 Wa 2 1 aus 0 NH4 N BB Steuersignal 0 4 8 12 16 20 h 24 Bild 5 18 NH N Konzentration im BB und Steuersignal am 24 10 1996 96 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen O2 Konzentration in mg l 0 4 8 12 16 20 h 24 Bild 5 19 O Konzentration im BB am 24 10 1996 350 BO en ee ee ea erh 250 200 150 100 O2 Volumenstrom in m3 h 50 0 oO 4 8 12 16 24 Bild 5 20 O Volumenstrom im BB Stellgr e am 24 10 1996 5 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit intermittierender Nitrifikation und Denitrifikation 97 20 NH4 N Ablauf Nanorg Ablauf 15 ee a _ Konzentrationen in mg l 0 4 8 12 16 20 h 24 Bild 5 21 Stickstoffparameter im Ablauf der Nachkl rung am 24 10 1996 Durch die ereignisabh ngige Regelung ergaben sich in Abh ngigkeit der im BB gemessenen NH N Konzentration variierende Intervalll ngen f r die Bel ftung und die Bel ftungspause in den Bildern 5 18 und 5 19 grau hinterlegt Nachts stellten sich sehr kurze Nitrifikations intervalle und lange Bel ftungspausen ein Zum Zeitpunkt der st rksten Anlagenbelastung am betrachteten Tag von ca 8 bis ca 13 Uhr wurde ber einen l ngeren Zeitraum nitrifi ziert Nachmittags und abends ergaben sich etwas l ngere Nitrifikations und etwas k rze De nitrifikationsintervalle als nachts
199. n soll der nichtlineare Einfluss des Substratangebots des nichtlinearen Stell gliedes und seiner einseitigen Wirkung auf die O Konzentration im BB anhand von Sprung antworten von der KA Netphen berpr ft werden Beide Kreisel siehe Bild 2 11 wurden gleichzeitig und mit identischen Eingangsgr en variiert elektrisch gekoppelt Gem der im Bild 2 8 abgebildeten Sprungantworten hnelt die Regelstrecke Belebungs becken einem Verz gerungsglied erster Ordnung mit Totzeit P T T Glied Die Totzeit 7 beruht auf den Transportvorg ngen zwischen Stellort und Messort Im Bild 2 8 u ert sich die einseitige Wirkung der Stellglieder in unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten bei sprunghafter Vergr erung oder Verkleinerung der Stellgr e Zeitkonstanten T und T T ist gr er als T weil das Stellglied gegen die Sauerstoffzehrung arbeiten muss 0 3 80 Frequenz Kr 1 _ 0 25 70 2 0 2 60 7 5 5 0 15 50 3 c N S o 40 N 0 05 30 0 20 Bild 2 8 Nichtlinearit t durch die einseitige Wirkung des Stellvorgangs Sprungantworten Messstelle 7 2 _Abwasserreinigung aus regelungstechnischer Sicht 25 Eine weitere und f r die Prozessregelung deutlich wichtigere Nichtlinearit t ergibt sich aus dem Einfluss der Substratkonzentration Ssss auf das Systemverhalten Durch die multiplikati ve Verkn pfung der Sauerstoffkonzentration Soss und der Substratkonzentration Ssss mit der Sauers
200. n zur Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen am Beispiel der Kl ranlage Netphen weil alle Versuche auf der Kl ranlage Netphen durchgef hrt wurden Auf Wunsch des Promotionsausschusses wurde er auf die jetzige Form gek rzt Abu Dhabi im Januar 2004 Dirk Sch nberger I Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Problemstellung ee l 2 Abwasserreinigung aus regelungstechnischer Sicht 5 2 1 Abwasser und Abwasserreinigung seseessesesesssssseessrresssersserees 5 2 2 Das Belebungsverfahren asaneueeanenee sa 12 2 3 Besondere Eigenschaften der Regelstrecke Belebungsbecken 21 2 4 Regelungsaufgaben und ziele bei Kl ranlagen mit Umlaufgraben ee 32 2 5 Eine Besonderheit des biologischen Schadstoffabbaus 37 3 Leistungssteigerung von Kl ranlagen durch den Einsatz von Lamellenabscheidern 39 3 1 Leistungssteigerung durch Erh hung des Trockensubstanzgehaltes im Belebungsbecken 39 3 2 Feststoffabscheidung durch Sedimentation ueeee 40 3 3 Lamellenabscheider us nase uneien 47 3 4 Einsatz von Lamellenabscheidern im Belebungsbecken der Kl ranlage Netphen nassen 52 3 5 Betriebserfahrungen mit den Lamellenabscheidern der Kl ranlage Netphen ssssessoeeseeseessessssseessrsssssresseresssresssreesse 54 3 6 Messtechnische Analyse des Abscheidegrades 58 3 7 Gesamtbeurteil
201. nd der gesamten ersten Messphase zu berlastungen der Stellglieder kommt weil ber mehrere Wochen die Maximalfrequenz von 50 Hz f r mehrere Stunden pro Tag erreicht wird 128 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 6 1 7 Zusammenfassung der Ergebnisse des Untersuchungszeitraums 1998 und Vorgaben f r den Untersuchungszeitraum 1999 W hrend der Untersuchungen im Jahr 1998 konnte durch den Einsatz von Lamellenabschei dern eine Steigerung des TS Gehaltes im Belebungsbecken ohne berlastung der Nachkl rung realisiert werden Jedoch kam es wegen der Vergr erung der Mikroorganismenpopula tion und der damit einher gehenden erh hten Sauerstoffzehrung zu berlastungen der Stell glieder die nicht bei allen Betriebsbedingungen einen ausreichenden Sauerstoffeintrag ge w hrleisten konnten Deshalb war der zuk nftig geforderte berwachungswert f r die NH N Konzentration insbesondere im Hochsommer nicht einzuhalten Durch den Eintrag von Baugrubenschlamm im September 1998 kam es zu dem beschriebenen St rfall auf der Kl ranlage der jedoch ohne gr ere Folgen blieb Aufgrund des dadurch not wendig gewordenen Schlammabzugs konnten in den folgenden Wochen keine repr sentativen Daten gemessen werden Die Vorgaben f r die zweite Messphase waren somit e Erh hung der Bel ftungskapazit t durch zus tzliche Stellglieder e Entwurf einer diesen neuen Gegebenheiten angepassten Regelungsstrategie
202. nd geringen Volumenstr men ist der Belebtschlammmassenstrom aus dem Nachkl rbecken in das BB gr er als derjenige vom BB in die Nachkl rung Der dort gepuf ferter Belebtschlamm wird wieder in das BB transportiert Bemerkenswerterweise sind durch diesen Zusammenhang die Bedingungen f r den Schadstoffabbau tags ber bei hohem Ab wasseranfall grunds tzlich schlechter als nachts Diese systematische Problematik lie e sich durch eine verbesserte Regelung des R cklaufvolumenstroms beheben oder in ihren Auswir kungen zumindest abmildern Wie allgemein blich wird im Fall der KA Netphen der R ck laufvolumenstrom oder nach DIN4045 R cklaufschlammfluss proportional zum Zulauf volumenstrom geregelt so dass sich ein R cklaufverh ltnis RV Verh ltnis des R cklauf schlammflusses zum Abwasserzufluss in das BB DIN4045 von 1 2 einstellt Wegen des ein gesetzten Zwei Punkt Reglers und der Besonderheiten des Stellgliedes Schneckenpumpe ist fraglich ob das vorgegebene R cklaufverh ltnis tats chlich in jedem Betriebszustand d h bei beliebigem Zulaufvolumenstrom eingehalten werden kann Verbesserungen der R ck laufvolumenstromregelung konnten auf der KA Netphen nicht durchgef hrt werden weil die Ger tetechnik hier insbesondere der f r die Schlammr umung eingesetzte Saugr umer keine M glichkeiten zur Verbesserung des Istzustandes erlaubte Im Bild 6 14 ist weiterhin der Einfluss kurzzeitiger Volumenstromspitzen zu erkenn
203. nend und Wochenbetrieb unterschieden Auf eine Erkennung von Feiertagen wurde verzichtet obwohl sie unter Verwendung eines ewigen Kalenders ebenfalls m glich w re Zur Festlegung des Zeitpunkts der Strukturumschaltung kann der Bediener Uhrzeiten f r bei de Betriebsweisen vorgeben und sie gem seiner Erfahrung variieren Bei diesem Anpas sungsvorgang ist durchaus auch die jeweilige Wetterlage zu ber cksichtigen denn bei Regen wetterzulauf tr tt der Schmutzsto blicherweise fr her auf als bei Trockenwetterzulauf Die Korrektur der O F hrungsgr e wird durch Einf hren eines Verst rkungsfaktors am Ausgang des F hrungsgr engenerators realisiert Als Voreinstellung wurde ein Faktor von 1 7 Weiterf hrende Regelungskonzepte 179 gew hlt Eine manuelle Erh hung der O F hrungsgr e sollte insbesondere bei niedrigen Abwassertemperaturen stattfinden Bei sehr guten Bedingungen f r die Nitrifikation und De nitrifikation kann ein Faktor kleiner 1 gew hlt werden Grunds tzlich ist es sehr wichtig dass sich der Bediener st ndig mit seiner Anlage besch f tigt die aufgenommenen Ganglinien sichtet richtig interpretiert und entsprechende Ma nah men t tigt Prinzipiell kann dies ohne Weiteres von einem Kl rmeister verlangt werden Bei einer leistungsgesteigerten Kl ranlage darf die Aufmerksamkeit des Bedienungspersonals je doch auch dann nicht nachlassen wenn die Anlage f r einen l ngeren Zeitrau
204. nend bei Kreisel 1 dem Umlaufweg des Belebtschlammes im BB folgend siehe Bild 2 11 Diese Graphik wurde aus f nf Online Messungen verschiedener Messstellen siehe Bild 4 2 erstellt Zwischen den Messpunkten wurde linear interpoliert Die O Konzentrationen an den Messstellen 2 und 6 jeweils direkt hinter den Kreiseln errei chen nach dem Sprung unterschiedliche station re Werte 0 4 mg l an Messstelle 1 und 0 2 mg l an Messstelle 6 etwa zum Zeitpunkt 0 6 h Dies weist auf den Einfluss des R ck laufvolumenstroms hin der im Bereich des Kreisels 2 f r h here TS Konzentrationen sorgt als an anderen Stellen im BB Die durch die h here Mikroorganismenkonzentration an dieser Stelle bedingte gr ere Sauerstoffzehrung wirkt sich somit im Messwert aus Der rtlich et 2 _Abwasserreinigung aus regelungstechnischer Sicht 31 was h here TS Gehalt ist f r die Reinigungsleistung einer Kl ranlage blicherweise von ge ringer Bedeutung und wird im Regelungskonzept nicht ber cksichtigt Ein Einfluss des zulaufenden Mischwassers l sst sich anhand der Sprungantworten im Bild 2 12 nicht eindeutig belegen Es ist jedoch einleuchtend dass an dieser Stelle grunds tzlich die gr ten Konzentrationen an leicht abbaubaren Kohlenstoffverbindungen im BB zu finden sind Auch diese Eigenschaft ist meist nicht von prozessrelevanter Bedeutung Jedoch ist zu beachten dass sich durch das gro e Angebot an leicht abbaubaren Kohlenstoffverbindung im
205. ng und Detektion eines Ereignisses f r die tempor re Vorgabe eines erh hten O F hrungsgr e bei Auftreten des t glichen Schmutzsto es finden sich im Kapitel 7 6 2 5 Zusammenfassung der Ergebnisse des Untersuchungszeitraums 1999 und Vorgaben f r den Untersuchungszeitraum 2000 Im Untersuchungszeitraum 1999 konnten mit der Erh hung der Bel ftungskapazit t durch den Einsatz der zus tzlichen Reinsauerstoffbegasung deutliche Verbesserungen gegen ber dem Untersuchungszeitraum 1998 erzielt werden Die NH N Konzentration im Ablauf der Nachkl rung lag bis auf wenige Ausnahmen dauerhaft unterhalb des angestrebten Wertes Jedoch traten insgesamt hohe N Ablaufwerte auf wobei zeitweise der N s berwachungs wert von 18 mg l berschritten wurde Die Ursachen f r das nicht ganz zufrieden stellende Ergebnis lagen in der nicht immer ange messenen O F hrungsgr e die grunds tzlich zu hoch war Sie erm glichten zwar eine aus reichende Nitrifikation f hrten jedoch zu einer Behinderung der Denitrifikationsvorg nge Eine Verbesserung der Reinigungsleistung durch eine manuelle oder automatische Adaption des F hrungsgr engenerators w re m glich Hier stellt sich jedoch die grunds tzliche Frage ob die Belebtschlammaktivit t tats chlich ein brauchbarer Parameter zur O F hrungsgr en generierung ist wenn die Nitrifikation und Denitrifikation und nicht der Kohlenstoffabbau die kritischen Vorg nge im Prozess sind F
206. ngeschafften Messger te und trat Mitte August erstmals auf n heres im Kapitel 7 4 2 Weil im Jahr 2001 erstmals der NH N berwachungswert von 4 mg l tats chlich eingehalten werden musste wurde die Fuzzy Regelung so eingestellt dass sich im BB ein Tagesma ximum von 3 5 4 mg NH N l einstellte was gut gelang 7 Weiterf hrende Regelungskonzepte 171 Die Bilder 7 21 und 7 22 zeigen die NO N und N Konzentrationen im BB Wie bereits erw hnt konnte die NOx N Konzentration im BB im Jahr 2001 nicht gemessen werden NOx N und NO N Konzentration unterscheiden sich lediglich durch den nahezu vernachl ssigba ren Anteil des Nitritstickstoffs NO N Zahlreiche Messungen mit K vettentests auf der KA Netphen haben gezeigt dass die NO N Konzentration im BB u erst gering ist lt 0 2 mg l Diese Konzentration liegt im Bereich der Messungenauigkeiten der verwendeten Analysato ren und es ist somit strenggenommen unerheblich ob das Prozessf hrungskonzept mit Mes sung der NOx N oder NO N Konzentration im BB betrieben wird Um trotzdem sauber un terscheiden zu k nnen ergibt sich die nur in dieser Arbeit so genannte N Konzentration als Summe der NH N und der NO N Messwerte Obwohl im Jahr 2001 die NH N Konzentrationen im BB gegen ber den Ergebnissen aus dem Jahr 2000 nochmals gesenkt werden konnten lagen die NO N bzw die N nors Kon zentrationen im BB deutlich unter den Vergleichswerten NOx N und N
207. ngsanlagen sermengen angewandt z B Kl ranlage des N rburgrings JuAl00 oder einer Gro molkerei Krei98 Hier wird der Reaktor diskontinuierlich in Chargen mit dem zuvor zwischenge speicherten Rohabwasser beschickt die Prozesse der Abwasserreinigung geschehen innerhalb eines Zyklus zeitlich aufeinander folgend Dieses Verfahren ben tigt keine Nachkl rung die Trennung des Belebtschlamms wird durch Dekantieren Abzug des gereinigten Abwassers aus dem Reaktor am Ende des Zyklus erreicht In der kommunalen Abwasserreinigung werden jedoch meist Verfahren mit einem kontinuier lichen Durchfluss des Abwasserstroms angewandt blicherweise wird keine gezielte Spei cherung des Rohabwassers vorgenommen Bei zweistufigen Verfahren wird der Reaktorraum in zwei Reaktoren z B Tropfk rper Bele bungsbecken unterteilt die hintereinander durchflossen werden und denen jeweils ein Ab setzbecken nachgeschaltet ist BiHe00 Weit verbreitet ist das sog A B Verfahren Adsorp tions Belebungsverfahren bei dem beide Reaktoren h ufig als Belebungsbecken ausgef hrt sind Es nutzt die erste hochbelastete Reinigungsstufe f r den Abbau der organischen Koh lenstoffverbindungen in der zweiten schwachbelasteten Stufe werden die Stickstoffkompo nenten eliminiert Im Bild 2 6 ist die zweite Stufe als vorgeschaltete Denitrifikation s u skizziert Das A B Verfahren produziert vergleichsweise viel berschussschlamm zeichnet sich j
208. niert Wegen der bereits erl uterten Zusammenh nge zwischen der NH N Konzentration im BB und im Ablauf der Nachkl rung kann davon ausgegangen werden dass bei einer Am moniumstickstoffkonzentration von 5 mg l im BB der angestrebte berwachungswert von 168 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 4 mg l im Ablauf der Nachkl rung nicht berschritten wird Im Bild 7 16 zeigen sich zwei signifikante berschreitungen der 5 mg l Grenze Ende August 2000 lag die NH N Konzen tration im BB bei etwa 6 5 mg l was auf Experimente mit einem noch nicht ausreichend opti mierten Regler zur ckzuf hren war Anfang Oktober 2000 kam es kurzfristig zu sehr hohen NH N Konzentrationen im BB etwa 8 mg l Hier mussten die Bel ftungskreisel f r War tungsarbeiten vor bergehend ausgeschaltet werden was die Nitrifikation verschlechterte Beide Ereignisse sind somit nicht repr sentativ f r die Untersuchungen im Jahr 2000 Die sehr niedrigen NH N Konzentrationen im BB Anfang August 2000 resultieren noch aus dem Betrieb mit dem SymBio Verfahren Die ebenfalls niedrigen Werte Anfang November sind das Ergebnis eines Tests der F4 Strategie Die NOx N und N rs Konzentration im BB blieb Bilder 7 17 und 7 18 deutlich unterhalb des berwachungswertes Lediglich zu Beginn und am Ende des Untersuchungszeitraums la gen sie etwas h her jedoch bez glich des berwachungswertes immer noch sehr niedrig Die Ursachen w
209. nnt meist fest vorgegeben Im Fall der KA Netphen war eine konstante F hrungsgr e Sollwert von 2 0 mg l blich Somit re duziert sich die im Bild 2 15 abgebildete Kaskadenregelung auf den unterlagerten Regelkreis Standardregelkreis 2 42 Ziel der Sauerstoffregelung Das vorrangige Ziel der Sauerstoffregelung bei nitrifizierenden und denitrifizierenden Kl r anlagen mit Umlaufgraben ist die Schaffung von Bedingungen im BB welche die Stickstoff eliminierung durch Nitrifikation und Denitrifikation erm glichen Bautechnisch wird dies durch eine ausreichend gro e Umlaufl nge realisiert so dass aerobe und anoxische Zonen 34 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen entstehen die eine simultane Denitrifikation erm glichen Im Fall einer Bel ftung mit Krei seln ist zu beachten dass sich die in Abh ngigkeit der Stellgr e Kreiselfrequenz ver n derliche Umlaufgeschwindigkeit auf die Gr e der Nitrifikations und Denitrifikationsberei che auswirken kann n heres im Kapitel 6 1 Der Abbau organischer Kohlenstoffverbindungen ist regelungstechnisch von geringer Bedeu tung weil alle nitrifizierenden Kl ranlagen wegen des ben tigten hohen Schlammalters ber eine ausreichend gro e Population an heterotrophen Mikroorganismen verf gen Unter regu l ren Bedingungen kann davon ausgegangen werden dass der Kohlenstoffabbau jederzeit ausreichend ist Aus diesem Grund beziehen sich d
210. ns hori zontal durchstr mtes Rechteckbecken gesteigert werden kann Ziel war eine Verbesserung des Str mungszustandes in der Nachkl rung durch Einsatz eines Kreuzstromlamellenabschei ders im Beckenzulauf 3 3 4 Lamellenabscheider im Ablauf der Nachkl rung In der j ngeren Literatur finden sich inzwischen wieder Berichte ber den Einsatz von Lamel lenabscheidern im Ablauf der Nachkl rung Zur Ert chtigung bestehender Nachkl rungen bieten sie sicherlich einen kosteng nstigen Ansatz zur Vermeidung von Schlammabtrieb siehe z B G R094 Eine Anwendung zur Ert chtigung eines hydraulisch berlasteten Rundbeckens findet sich in ThDa99 3 3 5 Der Abscheidegrad Im Gegensatz zum Nachkl rbecken wird ein im Belebungsbecken eingesetzter Lamellenab scheider meist nicht auf einen fast vollst ndigen R ckhalt der Belebtschlammflocken aus gelegt sondern auf einen angestrebten Abscheidegrad Dieser berechnet sich aus den TS Gehalten im Belebungsbecken und im Zulauf zur Nachkl rung TS B 1 100 3 20 TS 55 Aus den oben genannten Gr nden ist ein Berechnungsansatz f r Lamellenabscheider in An lehnung an die Auslegung von Nachkl rungen nach Arbeitsblatt A 131 der ATV zumindest denkbar Die Ber cksichtigung des Abscheidegrades f hrt zu einer Fl chenbeschickung des Lamel lenabscheiders q nach Gleichung 3 21 qaa dsr 3 3 21 TS 100 52 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungs
211. nsubstanzgehalt Trockenmasse pro Volumeneinheit blicherweise in g l 2 _ Abwasserreinigung aus regelungstechnischer Sicht 17 nitrifizierende Kl ranlagen ein notwendiges Schlammalter von 10 bis 18 Tagen Hierbei ist die Verfahrensvariante vorgeschaltete oder simultane Nitrifikation siehe Bild 2 6 von Be deutung Schlammalter und Schlammbelastung sind somit Parameter zur Beurteilung des Ni trifikationsverm gens einer Belebtschlammbioz nose 2 2 2 Verfahrensvarianten des Belebunssverfahrens Eine grobe Einteilung mit den g ngigsten Varianten des Belebungsverfahrens zeigt Bild 2 0 Einstufige Verfahren Zweistufige Verfahren Vorgeschaltete Denitrifikation A B Verfahren SBR Verfahren EEE een Be Simultane Denitrifikation D Hauptstrom des Abwassers R cklaufschlamm Intermittierende Denitrifikation Rezirkulation bzw Q N D nieme Velumenatormahrung _ Nachkl rung Zwischenkl rung O ENO EEA O Summation von Volumenstr men zeit oder ereignisgesteuert N Nitrifikation D Denitrifikation SBR Sequencing Batch Reactor A B Verfahren Adsorptions Belebungsverfahren Bild 2 6 Einige Verfahrensvarianten des Belebungsverfahrens Die Abwasserreinigung in einem Sequencing Batch Reaktor SBR Verfahren wird h ufig bei saisonal oder produktionstechnisch bedingter starker Schwankung der anfallenden Abwas 18 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigu
212. ntration im BB vom 07 08 12 11 2000 7 Weiterf hrende Regelungskonzepte 167 20 A Ba a a a a a a nn u NOX N BB NOX N Konzentration in mg l Aug 7 Aug 14 Aug 21 Aug 28 Sep 4 Sep 11 Sep 18 Sep 25 Oct 2 Oct 9 Oct 16 Oct 23 Oct 30 Nov 6 Bild 7 17 NOyx N Konzentration im BB vom 07 08 12 11 2000 Nanorg BB 20 Nanorg Konzentration in mg l 3 Aug 7 Aug 14 Aug 21 Aug 28 Sep 4 Sep 11 Sep 18 Sep 25 Oct2 Oct 9 Oct 16 Oct 23 Oct 30 Nov 6 Bild 7 18 Namo Konzentration im BB vom 07 08 12 11 2000 Bild 7 13 zeigt die Temperatur im BB w hrend des Untersuchungszeitraumes 2000 Wie zu erwarten sinken die Temperaturen bis zum November 2000 auf etwa 12 C ohne diesen Wert f r l ngere Zeit signifikant zu unterschreiten Bild 7 14 macht deutlich dass im Gesamtzeit raum keine l ngere Regenwetterperiode auftrat Relativer Trockenwetterzulauf wurde immer wieder von recht kurzen Phasen regnerischen Wetters unterbrochen Lediglich Mitte Oktober 2000 trat f r einen l ngeren Zeitraum Trockenwetterzulauf auf Der TS Gehalt im BB Bild 7 15 lag im Bereich der seit 1999 blichen Werte und berschritt nur selten 5 g l Dies zeigt dass das Betriebspersonal der KA Netphen sich gut auf die neuen Gegebenheiten eingestellt hat und die KA Netphen inzwischen routiniert betrieben wurde Im Bild 7 16 wurde f r die NH N Konzentration im BB ein erh hter Grenzwert von 5 mg l defi
213. olgenden vorgestellt wird 6 1 Das SymBio Verfahren Das SymBio Verfahren wird zur Realisierung von Bedingungen im Belebungsbecken die ei ne simultanen Nitrifikation und Denitrifikation erm glichen eingesetzt Es arbeitet im Gegen satz zur konventionellen Sauerstoffregelung mit einer zeitvariablen F hrungsgr e f r die O Konzentration im BB Ziel ist es zu Zeiten gro er Anlagenbelastungen die O Konzentration im BB zu erh hen um die Bedingungen f r die Nitrifikation zu verbessern Im Schwachlast betrieb sollen niedrigere O Konzentrationen im BB herrschen um Energie f r die Bel ftung einzusparen Die vorgegebenen Sauerstoffkonzentrationen liegen bei recht niedrigen Werten zwischen 0 3 und 0 8 mg l Nach Angaben des Anbieters dieses Verfahrens wird dadurch die Belebt schlammflocke nicht vollst ndig mit Sauerstoff versorgt Hierdurch soll sich die Nitrifikation in den u eren gut mit O versorgten und somit aeroben Zonen einstellen in den inneren anoxischen Bereichen soll die Denitrifikation stattfinden SymB98 Bild 6 1 104 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Eine berpr fung dieser These war nicht m glich jedoch ist durch die insgesamt geringen Sauerstoffgehalte im Umlaufgraben die Ausbildung gr erer anoxischer Zonen im BB sehr wahrscheinlich Bild 6 2 Dies entspricht der konventionellen Vorstellung der simultanen Ni trifikations und Denitrifikationsvorg nge
214. ollwert berf hrt werden muss werden sehr leistungsf hige Stellglieder f r den Sauerstoffeintrag ben tigt In vom Betreiber der KA durchgef hrten Versuchen stellte sich heraus dass die herk mmlichen Bel ftungseinrichtungen der KA Netphen h ufig nicht in der Lage waren den Sollwert der O Konzentration von 2 mg l innerhalb eines Bel ftungs intervalls zu erreichen Zur Realisierung eines intermittierenden Betriebes wurde somit eine Steigerung der O Eintragskapazit t der Stellglieder n tig Der Betreiber entschied sich f r eine zus tzliche Begasung des Belebungsbeckens mit Reinsauerstoff nach dem BIOX N Verfahren der Firma Messer Griesheim GmbH BIOX935 Hier wird industrieller Reinsauer stoff ber einen Druckbeh lter mit Verdampfer und am Boden des Belebungsbeckens ange brachten Bel ftungsmatten feinblasig in den Prozess eingetragen 1996 wurden zwei Feldver 7 Im Folgenden auch O Sollwert oder O F hrungsgr e genannt 80 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen suche mit dem BIOX N Verfahren durchgef hrt KHSZ96 Zun chst wurde dieses Ver fahren zur Unterst tzung der Kreiselbel fter w hrend des Nirifikationsintervalls eingesetzt In einem zweiten Versuch wurde ausschlie lich mit Reinsauerstoff begast Die folgenden Strategien zur Vorgabe der Nitrifikations und Denitrifikationsdauer kamen 1996 zum Einsatz e Zeitsteuerung der Intervalldauer Kapitel 5 1 e ereign
215. r en und ihre Gr enverteilung kann variieren Es handelt sich also nicht um einen Feststoff im herk mmlichen Sinne mit einer k rnigen Struktur und eindeutig definierbaren geometrischen Abmessungen Es ist somit einleuchtend dass mit den bisherigen idealisierten Annahmen die exakte Berechnung der station ren Sink geschwindigkeit von Belebtschlammflocken nahezu unm glich ist Der Belebtschlamm im Belebungsbecken besitzt au erdem eine vergleichsweise hohe Fest stoffkonzentration so dass Wechselwirkungen zwischen einzelnen Flocken zu erwarten sind die sog Schwarmbildung und behindertes Absetzen Als Grenzschicht wird der Bereich in der N he der Profiloberfl che bezeichnet in dem die Str mung vom Profil beeinflusst wird und daher von der Str mung des umgebenden Mediums abweicht 46 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen M glicherweise wegen der betr chtlichen Unterschiede zwischen den theoretischen Annah men und den Eigenschaften des realen Fluids Belebtschlamm werden Nachkl rungen von Kl ranlagen nach technischen Regeln ausgelegt die eher auf empirischen Erfahrungen be ruhen als die tats chlichen physikalischen Zusammenh nge explizit zu ber cksichtigen Die se technischen Regeln sollen im folgenden Abschnitt kurz erl utert werden 3 2 7 Berechnung der Absetzfl che von Nachkl rungen mit dem Arbeitsblatt A131 der ATV Im Arbeitsb
216. r ckgenommen Alle Umschaltvorg nge wurden aus bereits genannten Gr nden ohne Sto kompensation realisiert Aus berlegungen die Vorsteuerungsstrategien zu verbessern bzw im Zeitraum der Vorsteu erung eine angemessenere O F hrungsgr e vorzugeben entstand die Idee der F2S Strategie die vom 13 09 bis 06 11 00 eingesetzt wurde Weitere berlegungen bez glich der zeitva 38 Obwohl ihre Berechnung geringf gig von der zuvor formulierten Definition abweicht soll die Ersatzgr e f r den Gesamtstickstoff im BB auch hier N genannt werden 7 Weiterf hrende Regelungskonzepte 165 rianten Eigenschaften der Regelstrecke f hrten zur Entwicklung und zum Test der F4 Strategie vom 6 11 bis 13 11 00 13 09 00 o o o o o AN 23 08 00 31 08 00 SEFEE EN Be ern 04 08 00 i 29 30 31 32 33 4 35 36 37 38 39 13 11 00 06 11 00 RR 40 41 42 43 44 45 46 47 48 4 SymBio Verfahren F2 Strategie F2 Strategie mit F2 Strategie mit sprungf rmiger rampenf rmiger Vorsteuerung Vorsteuerung ei F2S Strategie III F4 Strategie Bild 7 12 Ablauf der verschiedenen Projektphasen im Jahr 2000 7 2 1 Messergebnisse aus dem 3 und 4 Quartal 2000 07 08 12 11 2000 Entgegen der bisherigen Konvention werden hier Ergebnisse aus dem 3 und 4 Quartal ge zeigt weil die F2S und F4 Strategien im November 2000 get
217. r nderungen der Stellgr e ist 6 2 3 Messergebnisse aus dem 3 Quartal 1999 28 06 26 09 1999 Um die Auswirkungen der 1999 durchgef hrten Ma nahmen zur Verbesserung des SymBio Verfahrens zu analysieren werden hier zur besseren Vergleichbarkeit mit den Ergebnissen von 1998 ebenfalls Ganglinien aus dem 3 Quartal gezeigt 138 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 20 H f i H f H H Temperatur s i i i i 15 II en en HT en ann 1 Q I 5 L J T Q E L J j 10 Be ee ee E E 4 Jun 28 Jul 5 Jul 12 Jul 19 Jul 26 Aug 2 Aug 9 Aug 16 Aug 23 Aug 30 Sep 6 Sep 13 Sep 20 Bild 6 41 Temperatur im BB vom 28 06 26 09 1999 120 Q Ablauf A00 Cea esse ee ne a a ee a er ne E o 1 80 iope 1 pp por ESS ii daa nE atana Pf l 1 Volumenstrom in l s 40 o EI I BEE NA u une 20 HTE RA AUT 1 U I LH E ESAERA i A I a LA T H nah ml Lin I MAAS 0 aan bl sb ass besessen Jun 28 Jul 5 Jul 12 Jul 19 Jul 26 Aug 2 Aug 9 Aug 16 Aug 23 Aug 30 Sep 6 Sep 13 Sep 20 Bild 6 42 Volumenstrom im Ablauf der Nachkl rung vom 28 06 26 09 1999 2000 f CSB UV Zulauf BB S00 ee a e FE RT ERBE I Se a Tr a a S E c Q E 10009 Feen Te in Pa TTS E a al N c S x faa 72 O 500 f i TEN HIN Jun 28 Jul 5 Jul 12 Jul 19 Jul 26 Aug 2 Au
218. r 1999 pr sentiert wurden sollen in die sem Kapitel zun chst die Messergebnisse aus der Messkampagne 1998 behandelt werden Die nach Beendigung dieser Messphase gewonnenen Erkenntnisse wurden f r die Planung und Durchf hrung der zweiten Messphase 1999 herangezogen siehe Kapitel 6 2 Aus Platz gr nden werden nur Ergebnisse aus dem 3 Quartal 1998 und 1999 Kapitel 6 2 3 gezeigt Diese Messergebnisse sind jedoch repr sentativ f r die gesamten Untersuchungszeitr ume Temperatur BB 20 18 Is am keea rich T lin Wi a ae en A W N Temperatur in C Jun 29 Jul 6 Jul 13 Jul 20 Jul 27 Aug 3 Aug 10 Aug 17 Aug 24 Aug 31 Sep 7 Sep 14 Sep 21 Bild 6 20 Temperatur im BB vom 29 06 27 09 1998 122 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Bild 6 21 Volumenstrom im Ablauf der 2000 rapea Jun 29 Jul 6 Jul 13 Jul 20 Jul 27 Aug 3 Aug 10 Aug 17 Aug 24 Aug 31 Sep 7 Sep 14 Sep 21 l a VAMANRAO NAA ALADI IDAS AE Bild 6 22 CSB Konzentration im Zulauf zum BB vom 29 06
219. r Einheiten die ber Gerinne miteinander verbunden sind Die Auslegung eines Lamellenabscheiders in mehreren kleinen Einheiten ist vor allem aus Transportgr nden sinnvoll Damit die LA f r Reinigungs und Wartungsarbeiten gut erreichbar sind wurden sie links und rechts einer Br cke angeord net siehe Prinzipskizze im Bild 3 8 Wegen des geringen Abstandes zwischen Br cke und Kreiselbel fter wurden zwei Einheiten etwas kleiner ausgelegt Lamellen Kreisel abscheider Br cke Gerinne Sammler verschlossene berfallkante Bild 3 8 Anordnung der Lamellenabscheider im BB der KA Netphen Juni 1998 bis Juli 2000 54 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Nach dem endg ltigen Anschluss der Lamellenabscheider an die Gerinne wurde der bisherige Ablauf des Belebungsbeckens ein Wehr durch Erh hen der berfallkante verschlossen Bild 3 9 Der ber die berfallkanten der LA ablaufende Belebtschlamm verl sst das BB nun ber Gerinne einen Sammler und durch ein zuvor gebohrtes Kernloch Aus noch zu erl uternden Gr nden siehe Kapitel 3 5 wurde die 1998 gew hlte Positionierung der LA im BB im Jahr 2001 ver ndert Bild 3 10 zeigt die Anordnung der LA nach dem Umbau im Juli und August 2001 Bild 3 9 Verschluss des alten Ablaufs des Belebungsbeckens Details aus Sc n00b Lamellen K
220. r Kl ranlagen mit Umlaufgra ben bez glich anderer Bauformen besteht noch Forschungsbedarf 8 Zusammenfassung und Ausblick 183 Der Transfer der entwickelten Prozessregelung in die Praxis gelang Die Stadt Netphen setzt die F2S Strategie seit 2001 dauerhaft auf der KA Netphen ein Es bleibt jedoch fraglich ob die F2S Strategie ohne gr ere Anpassungsma nahmen auf die speziellen Gegebenheiten an derer Kl ranlagen mit Umlaufgraben bertragbar ist In jedem Fall m ssten die Zugeh rig keitsfunktionen der Fuzzy Regler angepasst werden Dies bedarf sicherlich einer gewissen Test bzw Einfahrphase jedoch ist dieser Aufwand mit einem Neubau oder einer umfangrei chen baulichen Erweiterung einer Kl ranlage weder in finanzieller noch in zeitlicher Hinsicht vergleichbar Mit der freien Wahl des Zeitpunktes zur Strukturumschaltung und der einstell baren Dauer des gleitenden berganges sowie der manuellen Sollwertkorrektur bietet die F2S Strategie jedoch prinzipiell ein gro es Ma an Flexibilit t Um einen sicheren Betrieb auch bei defekten Sensoren zu gew hrleisten verf gt sie zudem ber R ckfallebenen Die zur Realisierung der F2S Strategie eingesetzte zentralisierte Softwareregelung mit LabVIEW unter Windows NT und ihr dauerhafter Einsatz zur Regelung einer Kl ranlage fin det sicherlich nicht bei allen Experten uneingeschr nkte Zustimmung Im mehrj hrigen Praxisbetrieb stellte sich jedoch heraus dass bef rchtete Systemab
221. r die Untersuchungen im Jahr 2000 ergaben sich somit die folgenden Aufgabenstellungen e Wahl geeigneterer Messgr en zur Berechnung der O F hrungsgr en e Wahl eines geeigneteren nichtlinearen und zeitvarianten Verfahrens zur Generierung der O F hrungsgr en 7 Weiterf hrende Regelungskonzepte 147 7 Weiterf hrende Regelungskonzepte Durch Wahl anderer Regelungskonzepte sollten in den Jahren 2000 und 2001 die zuvor festgestellten Unzul nglichkeiten des SymBio Verfahrens f r den Betrieb auf der KA Net phen vermieden werden Zu Beginn der Experimente wurden verh ltnism ig einfache Kon zepte angewandt Nach einer Analyse der Ergebnisse wurden sukzessive Verbesserungen vor genommen die schlie lich zu einem recht aufw ndigen jedoch sehr leistungsf higem Rege lungskonzept f hrten 7 1 Probleme und L sungsans tze In den vorhergehenden Untersuchungen wurde eine Leistungssteigerung der KA Netphen haupts chlich durch die Optimierung der Prozesse Nitrifikation und Denitrifikation er reicht Hierbei wurde die O F hrungsgr e in Abh ngigkeit einer Hilfsgr e der Belebt schlammaktivit t variiert Wie bereits ausf hrlich erl utert ist eine auf dieser Messgr e ba sierende Vorgabe der O F hrungsgr e problematisch Vor Allem k nnen die nitrifikations spezifischen bzw denitrifikationsspezifischen Anteile des Aktivit tsmesswertes aufgrund sei nes Charakters als Summenparameter nicht get
222. r liegt als im BB Die Autoren begr nden dies mit einer Haupts chlich Trockenwetterzulauf unterbrochen von h ufigeren Regenereignissen ber m gliche Zusammenh nge zwischen diesen Vorg ngen soll hier nicht gemutma t werden 3 Leistungssteigerung von Kl ranlagen durch den Einsatz von Lamellenabscheidern 61 m glichen Separierung in gut absetzbare Belebtschlammflocken die im BB zur ckgehalten werden und schlecht absetzbare die der Nachkl rung zugef hrt werden Diese Begr ndung ist sehr einleuchtend Pla Pla 98 geht ebenfalls von diesem Zusammenhang aus Dar ber hinaus weist er darauf hin dass w hrend dieser Periode durch den Schlammabzug aus dem R cklaufschlamm die Mikroorganismen mit schlechten Absetzeigenschaften sukzessive aus dem System entfernt werden und sich dadurch die Absetzeigenschaften des Belebtschlamms im BB und im Ablauf des LA nach einer kurzen bergangszeit angleichen Dieser Anglei chungsvorgang allerdings mit anderen Vorzeichen wurde auch auf der KA Netphen beob achtet ab August 1998 waren die Schlammindices im BB und im Zulauf zur Nachkl rung weitgehend identisch Einzelne Abweichungen sind h chstwahrscheinlich auf Messfehler zur ckzuf hren Auffallend ist der Anstieg des Trockensubstanzkonzentration und des Abscheidegrades im August und September 1998 Hierbei handelte es sich um die Auswirkungen einer Einleitung von Baugrubenschlamm ber einen l ngeren Zeitraum in die der KA Netphen
223. rd hier h her bewertet als die rtlich verteilte Deshalb wird es auch in diesem Kapitel beschrieben 2 _Abwasserreinigung aus regelungstechnischer Sicht 29 2 3 3 rtliche Verteilung der Sauerstoffkonzentration im Belebungsbecken Die O Konzentration im BB ist nicht an allen Orten gleich Bild 2 12 das System ist hin sichtlich des Sauerstoffgehalts rtlich verteilt K hn98 Die rtliche Verteilung aller anderen Zustandsgr en ist bei Kl ranlagen mit Umlaufgraben wegen der guten Durchmischung zu vernachl ssigen Die regelungstechnischen Probleme die sich aus der rtlich verteilten O Konzentration ergeben k nnen durch Wahl eines sinnvollen Messortes teilweise entsch rft werden Der Messort ist so zu w hlen dass das dynamische Verhalten des gesamtem Systems durch die Messung ausreichend erfasst wird Bei Umlaufgr ben ist darauf zu achten dass sich auch durch Vorgabe einer angemessenen O F hrungsgr e ausreichend gro e Nitrifikati ons und Denitrifikationszonen einstellen Grunds tzlich ist es bei rtlich verteilten Systemen sinnvoll und oft sogar notwendig die rtlich verteilten Zustandsgr en an mehreren geeig net ausgew hlten Stellen zu messen Kunz95 rtliche Einfl sse auf die O Konzentration im Belebungsbecken der KA Netphen entstehen durch e Den rtlich konzentrierten Sauerstoffeintrag ber die Kreisel e die rtlich konzentrierte Zugabe des R cklaufschlamms und e die rtlich konzentrierte
224. rde eine ausschlie liche Bel ftung mit Reinsauerstoff ge w hlt weil man sich durch die Stilllegung der Kreisel eine Verbesserung der Absetzeigen schaften des Belebtschlamms d h eine Senkung des Schlammindexes ZSV erhoffte F r diese Betriebsweise wurden zuvor zus tzliche Bel ftungsmatten im BB installiert wodurch der Maximalvolumenstrom der O Begasung von ca 100 auf ca 250 m h erh ht werden konnte 5 2 1 Regelungskonzept Weil wie bereits angesprochen im Nachkl rbecken einer KA unter regul ren Betriebsbedin gungen kein Schadstoffabbau stattfindet sondern lediglich die Trennung des Belebtschlamms vom gereinigten Abwasser kann man die im BB gemessene NH N Konzentration unter ge wissen Einschr nkungen als die Anlagenablaufkonzentration betrachten Wegen der Aufent haltszeit in der Nachkl rung kommt es zu einer weiteren vom jeweiligen Zulaufvolumenstrom abh ngigen Verweilzeit Die Konzentrationsverl ufe sind aufgrund zus tzlicher Ausgleichsef fekte noch etwas gegl ttet Grunds tzlich gilt der gleiche Zusammenhang f r die NOx N Konzentration im BB und im Ablauf der Nachkl rung Hier kann jedoch bei hohen Abwas sertemperaturen und ausreichendem Angebot organischer C Quellen Denitrifikation in der Nachkl rung auftreten Diese sogenannte wilde Denitrifikation ist unerw nscht weil der entstehende molekulare Stickstoff N in kleinen Blasen aufsteigt und dadurch die Absetzvor g nge in der Nachkl rung st rt
225. reiber abgesprochen fand jedoch nicht dessen ungeteilte Zustimmung Man wusste aus Erfahrung dass bei h heren Trockensubstanzgehalten und gleichzeitiger hoher hydrauli scher Belastung Regenereignis leicht Schlammabtrieb auftreten kann Bei Schlammabtrieb gelangt Belebtschlamm aus der Nachkl rung in den Vorfluter Wegen der hohen CSB Kon zentration des belebten Schlamms wird in einem solchen Fall fast zwangsl ufig der CSB berwachungswert berschritten Gegen Ende des Untersuchungszeitraumes stieg der TS Ge halt auf etwa 4 5 g l dies ist f r die Nachkl rung der KA Netphen ausgelegt auf eine TS Ge halt im Zulauf von 3 3 g l Esmi85 eindeutig zu hoch Bild 5 12 zeigt die Ganglinie der Stellgr e O Volumenstrom Deutlich zu erkennen ist der Beginn des intermittierenden Betriebes Eine Besonderheit zeigte sich Ende Juli 1996 hier wird verh ltnism ig wenig Reinsauerstoff eingetragen was eine Auswirkung des oben be schriebenen St rfalles ist In der Ganglinie der CSB Ablaufkonzentration Bild 5 13 treten regelm ig berschreitun gen des berwachungswertes auf Die Ursache war Schlammabtrieb Interessanterweise treten diese berschreitungen sowohl bei verh ltnism ig niedrigen als auch bei recht hohen TS Gehalten im BB auf Die Nachkl rung der KA Netphen ist f r einen Schlammindex ZSV von 90 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen lediglich 110 ml g ausgelegt Esmi85 H
226. reisel abscheider Br cke Sammler Gerinne verschlossene berfallkante Bild 3 10 Anordnung der Lamellenabscheider im BB der KA Netphen ab August 2001 Aus R cksichtsnahme gegen ber der SHW H lter Wassertechnik GmbH dem Industriepart ner im noch vorzustellenden F amp E Projekt der Jahre 1998 und 1999 sollen hier keine detail lierten Ma angaben genannt werden 3 5 _ Betriebserfahrungen mit den Lamellenabscheidern der Kl ranlage Netphen Nach einem unproblematischen Einbau und Anschluss der Lamellenabscheider musste noch eine Nivellierung der berfallkanten vorgenommen werden Diese wurde mit gro er Sorgfalt 3 Leistungssteigerung von Kl ranlagen durch den Einsatz von Lamellenabscheidern 55 durchgef hrt um eine ungleichm ige Beaufschlagung der Lamellen zu verhindern Bild 3 11 aus Sc n00a zeigt die Auswirkungen einer solchen ungleichm igen Durchstr mung von Lamellen wie sie direkt nach Einbau des Lamellenabscheiders d h mit noch nicht nivellier ten berfallkanten auftrat Die Bilder wurden zeitgleich jedoch an verschiedenen Stellen des LA aufgenommen Bild 3 11 Unterschiede im Abscheidegrad zeitgleiche Beobachtung an verschiedenen Stel len Die stark durchstr mten Lamellen links im Bild 3 11 haben offensichtlich nur einen gerin gen Abscheidegrad was deutlich an der dunklen F rbung des Belebtschlam
227. ren haupts chlich aus dem Parameter Scheduling des Reglers im unterlagerten Regelkreis Eine Verbesserung der Regelg te konnte mittlerweile 2002 durch nochmalige Optimierung der Reglerparameter und durch Herabsetzen der Abtastrate von zuvor 30 auf nun 15 Sekunden erreicht werden 7 4 3 Manuelle Bedienung der Prozessf hrung In erster Linie zur Adaption der Prozessregelung an das zeitvariante Verhalten der Regelstrec ke aber auch aus psychologischen Gr nden sollte dem Personal einer Kl ranlage die M g lichkeit gegeben werden aktiv in die Regelungsstrategie einzugreifen Es wurde bereits ange sprochen dass einem regelungstechnischem Laien nicht zugemutet werden darf bestimmte Ei genschaften der Prozessf hrung ver ndern zu m ssen Im Fall der F2S Strategie z hlen vor Allem die Reglerparameter des PID Reglers im unterlagerten Regelkreis und die Zugeh rig keitsfunktionen sowie die Regeln des Fuzzy Sets zu den Parametern die nur von regelungs technisch ausgebildetem Personal ver ndert werden sollten Um dem Personal vor Ort den noch den aktiven Eingriff in die Prozessf hrung zu erm glichen wurden zwei Ans tze zur Adaption der Prozessf hrung gefunden e Festlegung des Zeitpunktes der Strukturumschaltung e Korrektur der O F hrungsgr e Weil der morgendliche Schmutzsto vor Allem am Wochenende blicherweise deutlich sp ter auftritt als wochentags wurde ber eine automatische Erkennung des Wochentags in Wo che
228. ren wurden auf der KA Netphen getestet F2 O F hrungsgr envorgabe durch einen Fuzzy Regler mit 2 Eingangsgr en NH N und N Konzentration im BB F4 _O F hrungsgr envorgabe durch einen Fuzzy Regler mit 4 Eingangsgr en NH N N s Konzentration TS Gehalt und Temperatur im BB F2S O F hrungsgr envorgabe durch Fuzzy Regler mit 2 Eingangsgr en NH N und Nes Konzentration im BB und Strukturumschaltung Weil die Bezeichnungen der Grundstrukturen sehr umfangreich sind sollen im Folgenden die definierten Abk rzungen F2 F4 und F2S verwendet werden Als Zugeh rigkeitsfunktionen wurden f r alle Fuzzy Regler Dreiecke verwendet Die ausgew hlten Operatoren entsprechen der MaxMin Inferenzmethode und stimmen mit den von Mamdani siehe z B Zimm93 verwendeten Aggregations Implikations und Akkumulationsoperatoren berein Zur De fuzzyfizierung wurde die erweiterte Schwerpunktmethode Trae94 angewandt Die Definition der N Konzentration ist im Kapitel 7 1 1 zu finden 150 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen 7 1 1 Fuzzy Regelung mit zwei Eingangsgr en F2 Strategie Der Regelkreis der F2 Strategie besitzt die vom SymBio Verfahren bekannte zweischleifige Struktur Bild 7 1 Die O F hrungsgr e ist die Ausgangsvariable der Fuzzy Logik die Ein gangsvariablen sind die NH N Konzentration im BB und eine berechnete Gr e N Sie ist
229. renden Bel ftung Intervalldauer der intermittierenden Bel ftung Nachstellzeit Nitrifikationsdauer der intermittierenden Bel ftung minimale Nitrifikationsdauer der intermittierenden Bel ftung Trockensubstanzgehalt im Belebungsbecken Trockensubstanzgehalt im Zulauf zum Nachkl rbecken Dauer der gesteuerten Begasung mit Reinsauerstoff Tageszeit Schlammalter Vorhaltezeit Umfang allgemeine Stellgr en Sauerstoffeintragsrate Volumen Volumen des Belebungsbeckens Schlammabsetzvolumen allgemeine innere F hrungsgr e allgemeine F hrungsgr e Reglerausgang des bez glich der Ammoniumstickstoffkonzentration im Belebungsbecken empfindlich ausgelegten Fuzzy Reglers Reglerausgang des bez glich der Ammoniumstickstoffkonzentration im Belebungsbecken unempfindlich ausgelegten Fuzzy Reglers F hrungsgr e der Sauerstoffkonzentration im Belebungsbecken maximale O F hrungsgr e in der Kennlinie des Aktivit tsreglers minimale O F hrungsgr e in der Kennlinie des Aktivit tsreglers Abstand Konz der heterotrophen Mikroorganismen im Belebungsbecken Konzentration der zulaufenden heterotrophen Mikroorganismen Belebtschlammaktivit t im Belebungsbecken max Belebtschlammaktivit t in der Kennlinie des Aktivit treglers min Belebtschlammaktivit t in der Kennlinie des Aktivit tsreglers Ertragskoeff d heterotr Mikroorg g CSB gebildet g CSB oxidiert allgemeiner Messwert allgemeiner gemittelter Me
230. rennt erfasst werden Es ist somit nahe liegend die Zustandsgr en NH N Konzentration im BB und NOx N Konzentration im BB bei der O F hrungsgr envorgabe direkt zu ber cksichtigen Die Betrachtung eines typischen Tagesgangs der wichtigsten St rgr e NH N Konzentrati on im Zulauf siehe Bild 2 4 macht deutlich dass nur innerhalb eines kurzen Zeitraums sehr hohe Ammoniumstickstoffkonzentrationen auftreten Wegen ihres statischen Berechnungs ansatzes sind Kl ranlagen bez glich ihrer Gr e und der Kapazit t der Bel ftungssysteme darauf ausgelegt gerade diese Spitzenbelastungen zu beherrschen Daraus ergibt sich bei ge ringeren NH N Zulaufkonzentrationen ein Potenzial zur gezielten Beeinflussung des Stick stoffabbaus das bei konventioneller Prozessf hrung blicherweise nicht ber cksichtigt wird Aus dem im Kapitel 2 5 erl uterten Charakteristik des Stickstoffabbaus als verfahrenstechni scher Vorgang mit Folgereaktion resultiert die Forderung bei Auftreten des morgendlichen Ammonium Frachtsto es direkt sehr stark zu nitrifizieren um m glichst viel Ammonium m glichst schnell in Nitrat umzuwandeln Bei nachlassender NH Belastung ist dann der Ver fahrensschritt der Denitrifikation zu bevorzugen F r die O F hrungsgr envorgabe bedeutet dies Sehr hohe O F hrungsgr en bei Auftreten der maximalen NH Zulauffracht um die maximale Nitrifikationskapazit t der Anlage auszunutzen und geringere z T
231. rger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen DT O S 02 F hrungsgr e mn NH4 N BB 4 s Fuzzy mit Strukturumschaltung NHA4 N BB Fuzzy _ Fuzzy mit 3 E E 08 ee ee nee E pi 8 E E E Abe 5 8 been 3 N 5 E EE E ee run ee ange l 7 2 NHA N Ablauf ee u ie ans Een an gt J AEE N i O2 F hrungsgr e Fuzzy fi N i i PU E E A O E SE De ar 0 4 8 12 16 20 h 24 4 8 12 16 20 h 24 Bild 7 8 O F hrungsgr enverlauf und NH N Konzentrationen im BB und im Ablauf mit der F2 und F2S Strategie simuliert aus ScKK01 Die strukturumschaltbar geregelte Anlage zeigt signifikant geringere NH N Konzentrationen im BB und im Ablauf Bild 7 8 Dies liegt weniger an der geringf gig h heren O Maximal konzentration im BB sondern in erster Linie an den h heren Sauerstoffwerten zum Zeitpunkt des Schmutzsto es F r den Rest des Tages sind die O F hrungsgr enverl ufe beider Stra tegien identisch Dieser Vergleich belegt die Bedeutung einer dem Anlagenzustand jederzeit angemessenen O F hrungsgr envorgabe und zeigt wie mit geringem Aufwand die F2 Stra tegie durch Entwurf eines zweiten Fuzzy Reglers und Strukturumschaltung verbessert werden kann 7 1 5 berlegungen zum Umschaltereignis der F2S Strategie Ein wesentliches Entwurfskriterium der strukturumschaltbaren Fuzzy Regelung ist die Vor gabe der Umschaltvorg nge Dies sind die
232. rsonal vermutlich mit dieser Aufgabe berfordert w re Zudem besteht wegen der unkomfortablen Bedienung des eingesetzten Industriereglers eine Fehlerquelle die zum Ausfall des gesamten Prozessf hrungskonzeptes f hren kann Sinnvollerweise sieht das Sym Bio Verfahren eine derartige manuelle Adaption durch regelungstechnische Laien nicht vor Aufgrund der genannten Besonderheiten und Einschr nkungen musste auf der KA Netphen 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 111 eine verh ltnism ig gro e V4rmin Y rma spanne gew hlt werden Obwohl sie gelegentlich den aktuellen Verh ltnissen angepasst wurde f hrte dies h ufig zu sehr flachen ber den Tag fast konstanten O F hrungsgr enverl ufen was der Grundidee des SymBio Verfahrens widerspricht Eine automatische Adaption des Aktivit tsreglers w re somit grunds tzlich w nschenswert Im Kapitel 6 1 3 wird ein entsprechender Algorithmus vorgeschlagen 1000 Aktivit t BB 800 F Beim Reglerentwurf einzustellende Spanne mn Yama Messrs rei A 5 2 600 lt 400 i 200 A e a o DEE Ausfall der i l Datenerfassung 0 pon t rl aaa i ititi ER TES BORN SO BB EB ren te Hr E ES A Aug 11 Aug 18 Aug 25 Sep 2 Sep 9 Sep 16 Sep 23 Bild 6 7 Belebtschlammaktivit t im BB vom 07 08 27 09 1998 Prinzipiell scheint mit dem Messsignal Belebtschlammaktivit t unter gewissen Einschr
233. s tzliche Entwurfsparameter dieses Regelungskonzeptes treten hier der Zeitpunkt sowie die Dauer der Vorsteuerung auf au erdem ist die Vorgabe der F hrungsgr e wo im Grunde willk rlich jedoch immer den Besonderheiten der Anlage entsprechend zu w hlen NH N Messung u k 1 Sauerstoffregler f r die Zusatzbel ftung SEDA j Woz ED PID gt Aktivit ts Sauerstoffregler f r Regelstrecke regler die Kreisel Belebungs becken und Bel ftungs einrichtungen Aktivit ts messung Bild 6 55 Blockschaltbild des SymBio Verfahrens mit Vorsteuerung 146 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Dieser Ansatz kann einige Unzul nglichkeiten des SymBio Verfahrens abmildern f hrt es jedoch im Grunde ad absurdum Variationen z B die Einf hrung einer tempor ren wiede rum von Ereignissen abh ngigen Verst rkung der O F hrungsgr e des Aktivit tsreglers sind denkbar Hierbei handelt es sich jedoch nicht mehr um eine Vorsteuerung im rege lungstechnischen Sinne Im Jahr 2000 wurden kurzzeitig einige Versuche mit diesem Ansatz durchgef hrt repr senta tive Ergebnisse k nnen hier aber nicht gezeigt werden Zudem ist dieses Regelungskonzept in seinem Entwurf zu willk rlich und somit vom Ziel der dem Anlagenzustand m glichst an gemessenen O F hrungsgr envorgabe zu weit entfernt Detailliertere Betrachtungen zur Formulieru
234. s Belebungsbecken e nichtlinear e zeitvariant und e bez glich der O Konzentration rtlich verteilt in manchen F llen auch bez glich anderer Zustandsgr en Diese Eigenschaften stellen grunds tzlich hohe Anspr che an ein Regelungskonzept Sie wer den in der Praxis jedoch h ufig vernachl ssigt Dies ist teilweise gerechtfertigt jedoch liegt gerade in der Ber cksichtigung dieser Besonderheiten ein Potenzial zur Leistungssteigerung von Kl ranlagen durch relativ preiswert zu realisierende regelungstechnische Ma nahmen 2 3 1 Einfaches mathematisches Modell des Belebungsbeckens f r den Substratabbau Betrachtet man das BB als einen kontinuierlich mit Abwasser durchmischten R hrkessel reaktor l sst sich die Kinetik der Abwasserreinigungsprozesse n herungsweise durch Massen bilanzen beschreiben K hn98 Heterotrophe Mikroorganismen Vps X mss t Qz E Xiz t X nes t Vz f A SS de AX at 2 9 RE Sonst BR t DEAL SBB OBR Monod Kinetik 2 10 mit A a Samli tkz re und by konst 22 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Substrat V V i S sgg t Ozu t Bi t S sgg Ea Un Se 2 1 1 H Sauerstoff V 7 Som Oz t Soz t Soss o 1 Z0 uos t Vss S OBBS tt 1 Y SHa Sam Son E Va 2 12 Yy In den Gleichungen 2 9 bis 2 12 werden Konzentrationen partikul rer ungel ster Stoffe generell mit X gel ster mit S bezeichnet
235. s Messger t sehr zuverl ssig Bild 6 47 belegt dass im Juli 142 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen und August 1999 berschreitungen des berwachungswertes 60 mg l auftraten Die Ur sache war Schlammabtrieb Nach der Inbetriebnahme der zus tzlichen Reinsauerstoffbegasung lagen die NH N Ablauf konzentrationen Bild 6 48 deutlich unter dem angestrebten berwachungswert von 4 mg l Mitte August 1999 kam es zu kurzzeitigen berschreitungen die allerdings betriebliche Ursa chen hatten Die NO N Konzentration im Ablauf der Nachkl rung Bild 6 49 lag wegen der besseren Nitrifikation generell deutlich ber der des 3 Quartals 1998 Mehrmals traten zu hohe Werte 18 20 mg l auf was zu berschreitungen des N berwachungswertes f hrte was auch im Bild 6 50 anhand der N Ablaufkonzentration zu erkennen ist Eine aufmerksame Be trachtung der Bilder 6 49 und 6 50 zeigt dass sich beide Ganglinien h ufig in Aufw rtstrends bewegen die abrupt beendet werden Ein Vergleich mit der Ganglinie des Ablaufvolumen stroms Bild 6 42 belegt dass diese Trends in Trockenwetterphasen entstehen und durch ein Regenereignis beendet werden Hier geschieht Folgendes e Der Trend entsteht durch eine Anreicherung von Nitrat hier gemessen als NOx N ber einen l ngeren Zeitraum mit sehr guten Bedingungen f r die Nitrifikation e Ein Regenereignis beendet diesen Trend Das im System Belebungsbeck
236. s extrem nichtlineare Strec kenverhalten sinnvoll Anstelle der strukturumschaltbaren Fuzzy Regelung w re auch eine kontinuierliche Anpassung des Fuzzy Reglers an die sich ndernden Streckenparameter durch Variation der Zugeh rigkeitsfunktionen m glich adaptive Fuzzy Regelung siehe Kroll93 Zur Realisierung der strukturumschaltbaren Fuzzy Regelung wurde der berlagerte Regel kreis aus Bild 7 1 mit einem zweiten Fuzzy Regler und einem bergangskriterium erg nzt Der zus tzliche Fuzzy Regler B ist bez glich der NH N Konzentration empfindlicher als der bisherige Fuzzy Regler A und liefert deshalb eine h here O F hrungsgr e Die Strukturum schaltung wurde in dieser Form realisiert weil das verwendete Software Tool DataEngine keine Ver nderung der Zugeh rigkeitsfunktionen w hrend des Programmablaufs unterst tzt Im Bild 7 5 ist das Blockschaltbild der strukturumschaltbaren Fuzzy Regelung F2S Stra tegie dargestellt Sauerstoffregler f r die Zusatzbel ftung Fuzzy Regler B Regelstrecke Sauerstoffregler f r ne die Kreisel ecken un Bel ftungs einrichtungen Regler A Bild 7 5 Blockschaltbild der strukturumschaltbaren Fuzzy Regelung nach ScKK01 Der Fuzzy Regler B entspricht bis auf die Zugeh rigkeitsfunktionen der Eingangsvariablen NEL N exakt dem Fuzzy Regler A Die h here Empfindlichkeit des Reglers wurde durch Ver nderung der Breite der Terme in d
237. s im Kapitel 4 7 erl utert wurde Nach Beendigung des zweiten Feldversuchs 1996 entschlossen sich die Anlagenbetreiber endg ltig von einer dauerhaften intermittierenden Betriebsweise der KA Netphen Abstand zu nehmen Die Hauptgr nde waren der nach wie vor auftretende Schlammabtrieb und die hohen 102 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Kosten der Reinsauerstoffbegasung sowie die nicht v llig zufriedenstellenden Ergebnisse be z glich der NH N Ablaufkonzentration Weiterhin wurde festgestellt dass die KA Netphen bei Trockenwetterzulauf eher Probleme hat die NH N und N berwachungswert einzuhalten und bei Regenwetterzulauf eher der CSB berwachungswert kritisch ist Die Ursachen wurden bereits im Kapitel 4 7 genannt Obwohl in den beiden Feldversuchen des Jahres 1996 vor Allem hinsichtlich der Stickstoff parameter insgesamt ermutigende Resultate erzielt wurden musste f r die Leistungssteige rung der KA Netphen ein anderer Weg gefunden werden Insbesondere war daf r zu sorgen dass einerseits die Schlammbelastung f r eine ausreichende Nitrifikation und Denitrifikation durch Erh hung des TS Gehaltes im BB gesenkt wurde andererseits sollte aber eine ber lastung der Nachkl rung vermieden werden um Schlammabitrieb zu verhindern Hier bot sich 1998 eine Zusammenarbeit mit der Firma SHW H lter Wassertechnik GmbH an die vor schlug Lamellenabscheider im BB und ein neuartiges Regelungs
238. s ist f r die folgenden Betrachtungen jedoch von untergeordneter Bedeutung e Alle St rgr en und die Substratkonzentration im Belebungsbecken Ssss werden als konstant angenommen 16 Eine detailliertere Erl uterung dieses Bauwerkes und seiner Funktionen findet sich im Kapitel 4 28 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Falls der Belebtschlamm im Umlaufgraben stark mit leicht abbaubaren Kohlenstoffverbin dungen belastet wird bzw die Sauerstoffzehrung ausreichend gro ist stellt sich das im Bild 2 11 schwarz skizzierte Verhalten ein Zwischen den Kreiseln wird der Sauerstoff vollst ndig aufgezehrt die O Konzentration vor beiden Kreiseln betr gt 0 mg l Unter diesen Bedingun gen liegen recht kleine Streckenverst rkungen vor im Bild 2 10 in den Sprungantworten 1 und 2 zu erkennen Der station re Wert der O Konzentration liegt immer unterhalb der O S ttigungskonzentration Bei Schwachlast bedingt die geringe Konzentration an leicht abbaubaren Kohlenstoffverbin dungen eine geringe Sauerstoffzehrung was bei ausreichendem Sauerstoffeintrag dazu f h ren kann dass vor den Kreiseln eine Restkonzentration an O im Belebtschlamm verbleibt In einem solchen Fall zeigen Sprungantworten das im Bild 2 10 Sprungantworten 3 und 4 er kennbare vermeintliche I Verhalten Unter den oben definierten Bedingungen steigt dann die O Konzentration ber der Zeit stetig an Die eingetragene Sauerstof
239. satz von Lamellenabscheidern 63 500 400 300 ISV in ml g 200 100 ll Jan 11 Feb 8 Mar 8 Apr 5 May 3 May 31 Jun 28 Jul 26 Aug 23 Sep 20 Oct 18 Nov 15 Dec 13 Bild 3 25 Schlammindex ISV im Belebungsbecken und im Zulauf zur Nachkl rung vom 04 01 1999 02 01 2000 Bild 3 22 zeigt den typischen jahreszeitlichen Einfluss auf den Volumenstrom im Ablauf der Nachkl rung Von Januar bis Anfang Mai trat im Wesentlichen Regenwetterzulauf auf Von Mai bis Ende November herrschten Trockenwetterzulauf mit teilweise sehr geringen Volu menstr men im Hochsommer sowie gemischte Zulaufbedingungen Von kurzzeitigen Ausnahmen abgesehen lag der TS Gehalt im BB Bild 3 23 zwischen 4 und 5 mg l Auch der TS Gehalt im Zulauf zur Nachkl rung Bild 3 23 lag etwa auf dem Niveau von 1998 und berschritt gelegentlich die Konzentration von 3 3 g l Auch der Abscheidegrad der Lamellenabscheider Bild 3 24 lag 1999 auf den Werten des Vorjahres Ein Vergleich mit dem Volumenstrom im Ablauf der Nachkl rung Bild 3 22 macht deutlich dass bei hohen Volumenstr men grunds tzlich ein geringerer Abscheidegrad auftrat Interessant ist ein Vergleich des Abscheidegrades im August und September 1999 mit dem Schlammindex ZSV zu diesem Zeitraum Bild 3 25 Wegen der schlechten Absetzeigen schaften des Belebtschlamms ZSV gt 200 ml g sank hier der Abscheidegrad deutlich Mit Ausnahme dieses kurzen Zeitraums lag der Schlammindex ZS
240. sehr hohen Werten um ca 8 und 20 Uhr Dieser Messfehler tritt fast immer nach einem Sp l oder Kalibriervorgang auf Diese Vorg nge sind anhand der Status meldung Kalibrierung Sp lung im Bild 7 24 deutlich zu erkennen und gehen diesen Mess fehlern die selbst nicht durch die Statusabfragen erkannt werden k nnen voraus Der Mess fehler findet nicht direkt nach dem Vorgang Kalibrieren oder Sp len statt sondern folgt etwas zeitversetzt In diesem kurzen Zeitraum stellt man bei genauer Betrachtung f r beide Vorf lle am 04 10 2001 einen sehr hnlichen Zeitverlauf fest ber die Ursachen dieses Ver 176 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen haltens kann hier nur spekuliert werden es ist dem Messger tehersteller bekannt und es 40 wurden Verbesserungen versprochen Der fehlerhafte NH N Messwert zwischen etwa 8 und 8 Uhr f llt zeitlich mit dem mor gendlichen Schmutzsto bzw dem Zeitpunkt der Strukturumschaltung zusammen Derart hohe NH N und gleichzeitig niedrige N Konzentrationen f hren zu hohen O F hrungs gr en was bez glich der berwachungswerte prinzipiell unproblematisch ist Der Mess fehler um ca 20 Uhr f llt weniger deutlich aus und wird von der Fuzzy Logik ignoriert Die O F hrungsgr e bleibt auf ihrem Minimalwert siehe Bild 7 26 Im Bild 7 24 zeigt sich eine Auff lligkeit einer ganz anderen Charakteristik Gegen 12 Uhr sinkt die
241. sgr e liegt immer etwas oberhalb eines blichen Ta gesganges der von der F2S Strategie vorgegebenen O F hrungsgr en um in jedem Fall die Nitrifikation zu bevorzugen Eine automatische Umschaltung in den Normalbetrieb findet statt wenn wieder alle interessierenden Messger te einwandfreien Betrieb melden F llt die Messung der O Konzentration im BB aus wird automatisch die zweite R ckfallebene einge setzt und gesteuert bel ftet Ein erneute automatische Umschaltung in den Normalbetrieb oder die erste R ckfallebene ist nicht vorgesehen Durch die notwendige manuelle Umschaltung wird der Anlagenbediener gezwungen sich mit dem aufgetretenen Fehler auseinander zu setzen und f r eine Reparatur Wartung oder den Ersatz der defekten O Sonde zu sorgen Wegen ihrer elementaren Bedeutung f r die Prozessf hrung ist ein Ausfall der O Messung nicht tolerierbar Ein Ausfall muss dem Anlagenbediener unbedingt mitgeteilt werden Bei einem Ausfall der O Sonde wird direkt vom Normalbetrieb in die zweite R ckfallebene um geschaltet 7 4 2 Betrieb der R ckfallebenen Die bei den ab 2001 eingesetzten NH N und NO N Messger ten aufgetretenen Probleme sind zum Gro teil systematischer Art Sie w ren zu vermeiden wenn sich die Hersteller sol cher Messger te ber alle Aspekte einer Prozessregelung im Klaren w ren Dar ber hinaus w re eine weiter gehende Information ber die Qualit t eines Messsignals sinnvoll Eine Sta
242. sses 2 1 Abwasser und Abwasserreinigung 2 1 1 Abwasser Abwasser ist Wasser das durch Gebrauch eine nderung seiner physikalischen chemischen oder und biologischen Eigenschaften erfahren hat und aufgrund dieser Ver nderung f r den gleichen Zweck nicht wieder verwendbar ist Es ist in Menge und Zusammensetzung ein Er gebnis der menschlichen Aktivit t Hart92 Abwasser wird in Kanalisationen gesammelt und der Kl ranlage KA zugef hrt Nach DIN 4045 wird unterschieden zwischen Schmutzwasser Durch Gebrauch verunreinigtes Wasser unterschiedlicher Herkunft z B gewerbliches h usliches industrielles landwirtschaftliches kommunales Schmutzwasser Regenwasser Abflie ender Regen der Abwasseranlagen beeinflussen kann Fremdwasser In die Kanalisation eindringendes Grundwasser unerlaubt ber Fehlanschl sse in die Kanalisation eingeleitetes Wasser sowie einem Schmutzwasserkanal zuflie endes Oberfl chengew sser Mischwasser Gemeinsam abgeleitetes Schmutzwasser Regenwasser und gegebenenfalls Fremdwasser Tab 2 1 Abwasserarten nach DIN 4045 modifiziert Die Behandlung rein industrieller Abw sser wird hier nicht besprochen weil deren Zusam mensetzung fast vollst ndig durch die vorgeschalteten industriellen Verfahrensschritte be stimmt wird und die teilweise sehr spezifische Eigenschaften besitzen Sie werden zum Teil mit Spezialverfahren vollst ndig gereinigt oder nur von bestimmten Inhal
243. ssgr e eine sinnvolle F hrungsgr e f r den unterlagerten Sauerstoffregelkreis vorgegeben Bild 2 15 zeigt eine solche Kaskadenregelung als Blockschaltbild 2 _Abwasserreinigung aus regelungstechnischer Sicht 33 Kaskadenregler zur Sauerstoffregler Regelstrecke F hrungsgr en Belebungs vorgabe becken und Bel ftungs einrichtungen Messung von Zustands oder Ersatzgr en Bild 2 15 Kaskadenregelung eines Belebungsbeckens Der Regler im berlagerten Regelkreis kann eine beliebige Struktur besitzen Pr diktive adaptive strukturumschaltbare modellgest tzte Regler oder Fuzzy Regler sind ebenso denk bar wie PID Regler F r die F hrungsgr envorgabe m ssen nicht unbedingt eine oder meh rere Zustandsgr en direkt verwendet werden auch die Ber cksichtigung von Ersatzgr en ist m glich siehe Kapitel 6 Die zeitvarianten Eigenschaften und die allein ber die Tages zeit sehr gut zu erfassenden Auswirkungen der nichtlinearen Eigenschaften machen den Ein satz eines Parameter Scheduling f r den Sauerstoffregler im unterlagerten Regelkreis sehr in teressant Im Kapitel 7 wird ein L sungsansatz vorgestellt Weiterhin sei bereits hier ange merkt dass Vorsteuerungen oder St rgr enaufschaltungen vielversprechende Ans tze bie ten Auf kleineren oder mittelgro en Kl ranlagen wird die F hrungsgr e f r die Sauerstoffkon zentration im BB im Folgenden O F hrungsgr e gena
244. sswert allgemeiner Faktor Abscheidegrad Wachstumsgeschwindigkeit der heterotrophen Mikroorganismen maximale Wachstumsgeschwindigkeit der heterotr Mikroorganismen kinematische Z higkeit Dichte des Fluids Dichte des Partikels allgemeine Standardabweichung Widerstandsbeiwert Vu Abstract From 1996 to 2001 the Zentrum f r Sensorsysteme ZESS of the University of Siegen conducted several R amp D projects at the Municipal Wastewater Treatment Plant of Netphen With the technical setup of 1996 or earlier the plant was unable to meet lowered threshold values which went into effect on 1 of July 2001 In particular the parameters ammonia nitrogen NH N and total nitrogen N turned out to be critical Conventionally performance enhancement in wastewater treatment is achieved either by building a new plant or by the constructional extension of an existing one However these very cost intensive approaches could often be avoided by applying less expensive control and process engineering methods as described in this thesis The process engineering method of installing lamella separators inside the activated sludge tank of the plant allows the pre sedimentation of solid matter Hence a bigger number of pollutant decomposing microorganisms are detained in the aeration tank increasing the plant s purification capacity without overloading the sedimentation tank In cooperation with associate partners several control strategies were teste
245. st rze g nzlich ausblieben was jedoch wenig verwundert wenn man ber cksichtigt dass auf dem Rechner ausschlie lich die Software LabVIEW zur Anwendung kam Durch die eingesetzte Unterbrechungsfreie Stromversorgung blieben Stromausf lle ohne Auswirkung auf das Prozessleitsystem Die F2S Strategie f r den Einsatz auf der KA Netphen kann nur noch im Detail verbessert werden Mit zunehmender Betriebsdauer sollte es dem Personal der KA Netphen gelingen das vollst ndige Potenzial der F2S Strategie durch sinnvolle Einstellung bzw Variation der zur Verf gung gestellten Eingriffsm glichkeiten zu nutzen Der Einsatz von Lamellenabscheidern im Belebungsbecken ist eindeutig auch f r andere Kl ranlagen zu empfehlen Auch wenn der erwartete Abscheidegrad von 50 nicht erreicht werden konnte waren diese Einbauten von elementarer Bedeutung f r die Leistungssteige rung der KA Netphen Ihr Einsatz im BB der KA Netphen fand unter recht ung nstigen Rand bedingungen statt mangelnde Erfahrung bei der Auslegung ung nstige Platzierung Auf anderen Kl ranlagen mit weniger schwierigen Verh ltnissen sollten bessere Ergebnisse erzielt werden Grunds tzlich besteht noch Forschungsbedarf bez glich der theoretischen Durch dringung der Abscheidevorg nge von Belebtschlamm in der Lamelle sowie der Erarbeitung von Auslegungsformeln f r im Belebungsbecken eingesetzte Lamellenabscheider 184 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserr
246. st beibehalten Zum Ei nen bestand die M glichkeit in einem Optimierungsprozess einige redundante Regeln doch so zu ver ndern dass sie ihre Redundanz zu anderen Regeln verlieren zum Anderen traten bei der hier beschriebenen Anwendung keine Rechenzeitprobleme auf 152 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Eine Betrachtung der Zugeh rigkeitsklasse hoch der Eingangsvariablen N im Bild 7 2 macht beispielsweise deutlich dass sie einerseits durchaus wegen des von ihr abgedeckten geringen Wertebereichs andererseits wegen der Gleichartigkeit der Konklusionen der Regeln 4 5 und 10 Tab 7 1 der Zugeh rigkeitsklasse sehr hoch zugeschlagen werden k nnte bzw die Klasse sehr hoch zur Klasse hoch gerechnet werden k nnte Die Tabelle 7 1 zeigt dass die O Konzentration bei einer sehr hohen NH N Konzentration im BB hoch sein muss damit durch eine weitgehende Nitrifikation die berschreitung des an gestrebten NH N berwachungswertes vermieden wird Regel 1 Andererseits muss bei einer sehr hohen N Konzentration eine niedrige O F hrungsgr e vorgegeben werden damit bevorzugt Denitrifikation stattfindet Regel 10 Niedrige O F hrungsgr en werden aber auch dann vorgegeben wenn die N Konzentration hoch ist und gleichzeitig eine hohe oder sehr hohe NH N Konzentration vorliegt Regel 4 und Regel 5 Eine Senkung der Ge samtstickstoffkonzentration wird
247. sultiert Durch einen hydrau lischen Sto z B ein Regenereignis kann es zu au ergew hnlich hohen CSB Konzentratio 10 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen nen im Zulauf kommen Dies ist im Bild 2 2 besonders ausgepr gt weil das Regenereignis ungef hr zum Zeitpunkt des blichen morgendlichen Konzentrationsanstiegs stattfindet Ein Vergleich der tats chlichen CSB Belastung einer Kl ranlage bei unterschiedlichen Zu laufbedingungen ist durch Betrachtung der CSB Fracht m glich CSB Massenstrom Produkt aus gemessenem Volumenstrom und CSB Konzentration Bild 2 3 500 CSB UV Zulauffracht am 12 08 1998 Trockenwetterzulauf CSB UV Zulauffracht am 16 09 1998 Regenwetterzulauf CSB 400 e D x ES 300 O pr 3 200 ch N O 100 0 0 4 8 12 16 20 h 24 Bild 2 3 Beispielhafte CSB UV Frachten im Zulauf der KA Netphen Die CSB Zulauffrachten liegen im Bild 2 3 bei Trockenwetter h her als bei Regenwetter Unter der Annahme dass an den untersuchten Tagen etwa die gleiche Menge an h uslichem und industriellem Abwasser in den Kanal eingeleitet wurde sollte dies nicht der Fall sein Die Tagesganglinien der CSB Fracht m ssten unter dieser Annahme fast deckungsgleich verlau fen Der hier gezeigte signifikante Unterschied in den CSB Frachten bei Trockenwetter und Regenwetter ist ein erstes Indiz f r eine Unzul nglichkeit des die KA Netphen mit Abwasser versorgenden Kanalne
248. t Die Anbindung von LabVIEW an den Busmaster erfolgte ber eine DDE Server Software von Siemens Der Ein satz von LabVIEW erm glichte eine schnelle und problemlose Umsetzung neuer Ideen in die Prozessf hrung sowie eine unkomplizierte Abhilfe bei erkannten Problemen Der PC wurde mit einer unterbrechungsfreien Stromversorgung ausger stet und lief w hrend des gesamten Untersuchungszeitraumes problemlos ScKK01 Bild 6 40 zeigt die Bedienoberfl che des am Zentrum f r Sensorsysteme ZESS der Univer sit t Siegen auf LabVIEW Basis entwickelten Prozessf hrungsprogramms Diese Bedien oberfl che bietet die M glichkeit die Ganglinien aller Messgr en ber einen gewissen Zeit raum jeweils die letzten 24 Stunden darzustellen Diagramme oben rechts und unten rechts Durch die Verwendung von LabVIEW zur Prozessf hrung ergaben sich weitere Ans tze Un zul nglichkeiten der bisher verwendeten Regelung zu eliminieren Hierzu geh rt insbesondere 136 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen das Unterbinden der bereits erw hnten gelegentlich auftretenden Instabilit t im Schwachlast betrieb und die M glichkeit die Erfassung des O Istwertes zu optimieren Datei Besibeien Ausf hren Poski Eerater tiile Melinterval ins Speichenniervall Viellache des RE 48 MeBiervehe o Darausteterde Grade at Unives sitat berlastung Ksero Okwe 7 x Fa Bay Aedmaa T SEN Pr F q Kenedi 55
249. t Hier wird die Kl ranlage ber einen l ngeren Zeitraum mit dem maximal m glichen Volumenstrom beschickt im Fall der KA Netphen ann hernd 100 Vs Die Verunreinigung des Abwassers kann aus messtechnischen Gr nden teilweise nur durch sog Summenparameter erfasst werden Diese Messgr en fassen mehrere Einflussgr en summarisch zu einem Parameter zusammen So werden die organischen Kohlenstoffverbin dungen z B durch die Summenparameter CSB oder BSB gemessen Bild 2 2 zeigt eine mit einer UV Sonde im Zulauf der KA Netphen online gemessene typische Tagesganglinie den sog Tagesgang der CSB Konzentration 1500 CSB UV Zulauf am 12 08 1998 Trockenwetterzulauf CSB UV Zulauf am 16 09 1998 Regenwetterzulauf CSB UV Zulauf am 05 08 1999 Regenereignis i t i i i 1000 ee 500 CSB UV Konzentration in mg l Bild 2 2 Beispielhafte CSB UV Konzentrationen im Zulauf der KA Netphen Dieser in seiner Charakteristik generell f r alle kommunalen Kl ranlagen typische Tages gang zeichnet sich aus durch sehr niedrige Werte nachts stark ansteigende Konzentrationen in den fr hen Morgenstunden und zur ckgehende Werte nach Erreichen eines Maximums Bei Regenwetterzulauf liegen die Konzentrationen insgesamt niedriger als bei Trockenwetter zulauf was aus einer Verd nnung des Mischwassers mit blicherweise nur gering mit organi schen Kohlenstoffverbindungen verschmutztem Regenwasser re
250. ten Fuzzy Logik Software DataEngine definiert Die Wertebereiche der Eingangsvariablen wurden entsprechend den zu erwartenden Messwerten gew hlt Bei der Ausgangsvariable O musste der Wertebereich f r die einge setzten Defuzzyfizierungmethode ber den gew nschten Bereich hinaus sinnvoll erweitert werden um brauchbare Werte f r die O F hrungsgr e zu erhalten Als sinnvoll wurde ein Bereich von 0 08 bis 2 00 mg l angesehen Erste derartige Versuche mit der F4 Strategie zeigten wenig zufriedenstellende Ergebnisse die O F hrungsgr en lagen insgesamt zu hoch Durch Wahl geeigneter Relevanzfaktoren wurde der Einfluss der Eingangsvariablen Temperatur und TS Gehalt auf die Ausgangsvari able solange abgemindert bis ein sinnvoller F hrungsgr enverlauf erreicht werden konnte Nach einigen Versuchen mit unterschiedlichen Relevanzfaktoren wurde den Regeln des TS Gehaltes eine Relevanz von 30 zugeordnet den Regeln der Temperatur im BB nur 20 Die Regeln die bei mittlerem TS Gehalt und bei mittlerer Temperatur greifen Regel 12 und 15 wurden durch einen Relevanzfaktor von Null ausgeschaltet F r die wichtigsten Regeln 1 bis 10 wurde der Relevanzfaktor von 1 beibehalten Die Ursachen f r die geringen Relevanzfaktoren der die Eingangsgr en TS Gehalt und Tem peratur betreffenden Regeln werden durch folgende berlegung erl utert Prinzipiell lieferte der Fuzzy Regler der F2 Strategie bereits sehr gute Ergebnisse siehe
251. ter Schadstoffe und Schad stoffgruppen einzuhalten siehe Tab 1 1 Die berwachungswerte sind die Grundlage f r die vom Betreiber der Abwasserreinigungsanlage zu zahlende Abwasserabgabe 2 1 3 _ Messgr en in der Abwassertechnik Tabelle 2 2 zeigt die in dieser Arbeit ber cksichtigten Messgr en die in mehreren Mess kampagnen auf der KA Netphen meist online mit Prozessanalysatoren oder inline mit Sonden an verschiedenen Messorten kontinuierlich ermittelt wurden Nicht kontinuierlich gemessene Gr en wurden stichprobenartig durch Laboranalysen erfasst Die eingesetzten Online Mess ger te wurden regelm ig durch Probennahme und im Labor durchgef hrte Analysen kon trolliert bzw kalibriert In der Abwassertechnik sind weitere Messgr en bekannt Deren Ermittlung war f r die durchgef hrten Ma nahmen zur Leistungssteigerung der KA Netphen nicht notwendig des halb werden sie hier nicht n her behandelt 2 1 4 Charakteristische St rgr en im Zulauf kommunaler Kl ranlagen Menge und Art der Verschmutzung des einer Kl ranlage zuflie enden Mischwassers beein flussen deren Ausbaugr e und die angewandten Verfahren zur Abwasserreinigung Bild 2 1 zeigt m gliche Extremf lle die bei der Beschickung von Kl ranlagen auftreten k n nen Gemessen wurde der Ablaufvolumenstrom der KA Netphen ber einen Tag Solche Zeit verl ufe werden in der Terminologie der Abwassertechnik Ganglinien genannt Dieser Aus
252. tion in Lamellenabscheidern Teil 1 Grundlagen Bauformen und Anwendung Aufbereitungs Technik Nr 2 1983 S 86 91 Binder H Wiesmann U Sedimentation in Lamellenabscheidern Teil 2 Theoretische L sungen f r Parallelplattensysteme Kreis und Rechteckrohre sowie ein Vergleich mit Experimenten Aufbereitungs Technik Nr 3 1983 S 146 154 Bo amp s M Stickstoffentfernung mit intermittierender Denitrifikation Theorie und Betriebsergebnisse Korrespondenz Abwasser 38 1991 S 228 234 186 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen BuB097 Buer T Borgmann S Untersuchungen zum Einsatz von Lamellenabscheidern in der Nachkl rung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Abschlu bericht zum Forschungsvorhaben AZ 824 94 der Oswald Schulze Stiftung Aachen 1997 CGQ02 CGQ Corporate Technische Hilfe und Service Bollinger Bands http www cqg com support bollingerbands cfm 2002 CzLZ90 Czihak G Langer H Ziegler H Biologie Ein Lehrbuch Springer Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo 4 Auflage 1990 DGTZ94 Deutsche Gesellschaft f r Technische Zusammenarbeit GmbH Hrsg Abwassertechnologie Entstehung Ableitung Behandlung Analytik der Abw sser Springer Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo 1984 Esmi85 ESMIL GmbH Wasser und Abwassertechnik Genehmigungsentwurf Kl ranlage Netphen Teil 1 Erl uterungsbericht Beschreibung der Anlage ESMIL GmbH Ratinge
253. tions und De nitrifikationsvorg nge dennoch kann insbesondere wegen der im Kapitel 2 5 erl uterten Be sonderheit der KA Netphen bzw ihres Kanalsystems f r das 3 Quartal 1999 von eher schwierigeren Randbedingungen als im 3 Quartal 1998 ausgegangen werden Im Untersuchungszeitraum 1999 wurde die CSB Konzentration im Zulauf zum BB und im Ablauf der Nachkl rung mit einer UV Sonde gemessen dies wird in den entsprechenden Ganglinien mit der Bezeichnung CSB UV deutlich gemacht Der Verlauf der im 3 Quartal 1999 gemessenen CSB UV Konzentrationen Bild 6 43 zeigt den blichen deutlich ausge pr gten Tagesgang die H chstwerte liegen bei Werten von ca 1400 1500 mg l Im August liegen die Werte insgesamt etwas niedriger was auf regnerisches Wetter schlie en l sst siehe Ablaufvolumenstrom im Bild 6 42 Die Ganglinie der NH N Zulaufkonzentration Bild 6 44 zeigt auch hier einen Verlauf mit hnlicher Charakteristik Die NH N Konzentration im BB Bild 6 45 liegt durch den Einsatz der zus tzlichen Sauer stoffbegasung deutlich niedriger als im Vergleichszeitraum 1998 Es kam nur noch zu gele gentlichen Ausrei ern die alle betriebliche Ursachen hatten Aufgrund der besseren Nitrifikation liegt die NO N Konzentration im BB Bild 6 46 im 3 Quartal deutlich oberhalb der Werte des 3 Quartals 1998 Nach anf nglichen Schwierigkeiten im Betrieb der UV Messsonde f r die CSB Messung im Ablauf der Nachkl rung lief diese
254. toff eingetragen wird In diesem Fall sinkt die O Konzen tration im BB unter die vorgegebene F hrungsgr e Dies ist jedoch unproblematisch so lange die NH N Konzentration klein ist Die Bilder 6 34 bis 6 36 Tagesg nge vom 06 07 1999 zeigen den Fall einer berlastung der Kreisel nach 18 Uhr bei NH N Konzentrationen im BB kleiner 2 mg l Die Bilder 6 37 bis 6 39 Tagesg nge vom 09 07 1999 zeigen ebenfalls eine berlastung der Kreisel nach 18 Uhr jedoch wurden hier im BB Ammoniumstickstoffkonzentrationen gr er 2 mg l gemes sen 132 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen O2 Sollwert aus Akt gefiltert 02 BB Regelung gefiltert 0 8 O2 Konzentrationen in mg l 100 Frequenz der Kreisel Stellgr e f ij en Q O2 Begasung Stellgr e Frequenz in Hz O2 Volumenstrom in m3 h Bild 6 35 Stellgr en am 06 07 1999 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 133 5 NH4 N BB NH4 N Ablauf 7 0 k i i S k Fe en Sa et a ne een 7 g i a I _ N L 3 5 P E E E ee ee ee en ee ee TATE x Bi el zZ x l Z 1 u a a a aaa aa a a 5 i T 1 24 O2 Sollwert aus Akt gefiltert 02 BB Regelung gefiltert 0 8 0 4 O2 Konzentrationen in mg l 0 2 DEE a en me and en Bild 6 37
255. toffeintragsrate uoss Gleichungen 2 10 und 2 12 gilt f r die Streckenverst rkung Som 1 Re 2 13 Mops Ssap Hieraus ergibt sich e Die Streckenverst rkung Ks ist bei geringem Angebot an Substrat sehr gro e Steigt das Substratangebot f llt die Streckenverst rkung Um den nichtlinearen Einfluss der Substratkonzentration im BB zu untersuchen wurden auf der KA Netphen am 18 04 01 zwischen 18 und 20 Uhr bzw am 19 04 01 zwischen 4 und 6 Uhr Sprungantworten aufgenommen Bild 2 9 Wegen des sich deutlich unterscheidenden Systemverhaltens mussten unterschiedliche Sprungverl ufe gew hlt werden 3 80 3 7 BB 2 i i Frequenz Kr 1 02 BB 2 Frequenz Kr 1 70 23 eg berschreitung des Messbereichs pea 60 50 ZH u zu nb s4 ZH u zuenba 40 O2 Konzentration in mg l O2 Konzentration in mg l 30 0 5 H un 20 0 as i i i i 20 1825 185 18 75 19 1925 195 19 75 20 h 20 25 425 45 475 5 525 55 575 6 6 25 6 5h6 75 Bild 2 9 Sprungantworten von der KA Netphen links vom 18 04 01 zwischen 18 und 20 Uhr rechts vom 19 04 01 zwischen 4 und 6 Uhr beide an Messstelle 2 Ssss wird haupts chlich von der Zulauffracht Schmutzfracht beeinflusst Zwischen 182 und 20 Uhr ist mit vergleichsweise station ren Zulaufbedingungen bei einer noch relativ hohen Schmutzbelastung zu rechnen zwischen 4 und 6 Uhr wird die Anlage
256. tsstoffen befreit und dann einer kommunalen KA zur endg ltigen Reinigung zugef hrt Die Einleitung unbehan delter industrieller Abw sser in den Kanal und die Reinigung in kommunalen Kl ranlagen ist blich wenn deren Inhaltsstoffe zu keiner negativen Beeintr chtigung des Abwasserreini gungsprozesses f hren 6 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Das einer kommunalen Kl ranlage zuflie ende unbehandelte Mischwasser Rohabwasser stellt ein Vielstoffgemisch dar Der Hauptbestandteil ist Wasser es enth lt eine gro e Zahl anorganischer und organischer Verbindungen in gel ster und ungel ster Form KoSt86 Seine Menge und Zusammensetzung unterliegt starken Schwankungen Aus Sicht der Prozessf hrung kommunaler Kl ranlagen sind die Zulaufkonzentrationen der Stickstoff und Phosphorverbindungen sowie der organischen Kohlenstoffverbindungen von besonderer Bedeutung Es handelt sich um die wesentlichen St rgr en des zu regelnden Prozesses 2 1 2 Ziel der Abwasserreinigung Ziel aller Abwasserreinigungsverfahren ist es die organischen Kohlenstoffverbindungen und die das Algenwachstum f rdernden eutrophierenden Stickstoff und Phosphorverbindungen des Rohabwassers durch die Abbauprozesse in der Kl ranlage auf f r die Umwelt unsch dli che Konzentrationen zu senken Hierbei sind vom Gesetzgeber vorgegebene Grenzwerte so genannte berwachungswerte f r die Konzentrationen bestimm
257. tsuo T Hoen97 HSK95 HSK96a HSK96b JuA100 Kahl95 Kask70 KHSZ 96 Activated Sludge Model No 1 Scientific and Technical Reports No 1 IAWQ London 1987 Hoen K Proze f hrung von Belebungsanlagen zur biologischen Stickstoff und Phosphorelimination Dissertation UGH Siegen Shaker Verlag Aachen 1997 Hoen K Schuhen M K hne M Control of nitrogen removal in waste water treatment plants with predenitrification depending on the actual purification capacity Contribution to the JAWQ Specialized Conference Sensors in Waste Water Technology Copenhagen October 24 27 1995 Hoen K Schuhen M K hne M Proze f hrung kommunaler Kl ranlagen mit vorgeschalteter Denitrifikation ein adaptiver pr diktiver Ansatz Beitrag zum GMA Kongre 96 Mess und Automatisierungstechnik Baden Baden 1996 in VDI Bericht Nr 1282 S 269 278 Hoen K Schuhen M K hne M Control of nitrogen removal in waste water treatment plants with predenitrification depending on the actual purification capacity Beitrag zum GMA Kongre 96 Mess und Automatisierungstechnik Baden Water Science and Technology 33 No 1 1996 S 223 236 Jumar U Alex J Adaptive SBR Steuerung f r die Kl ranlage des N rburgringes 45 Internationales Wissenschaftliches Kolloquim der TU Ilmenau Tagungsband S 263 268 Stuttgart Ilmenau 2000 Kahlert J Fuzzy Control f r Ingenieure Friedr V
258. tun n Anlagen a i Nachkl rung Anlagen zulauf y H ablauf Nitrifikation Denitrifikation Rezirkulation R cklauf schlamm berschuss Q Bild 2 7 Prinzip des Belebungsverfahrens zur Abwasserreinigung ohne Vorkl rung vor geschaltete Denitrifikation Alle Zulaufgr en sind als St rgr en zu betrachten Die wichtigsten z B CSB oder NH Konzentration lie en sich im Prozessf hrungskonzept durch eine St rgr enaufschaltung zur Leistungssteigerung der Kl ranlage nutzen Das Auftreten toxischer Stoffe im Zulauf einer Kl ranlage kann unter Umst nden bis zum weitgehenden Absterben der Belebtschlammbio 20 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen z nose und somit zum vorr bergehenden Komplettausfall der biologischen Reinigungsstufe einer Kl ranlage f hren Aus diesem Grund sind Kl ranlagen mit einer Ausbaugr e gt 5000 EW mit pH und Leitf higkeitssonden im Zulauf ausgestattet Durch ein geeignetes Prozess f hrungskonzept wird f r den Fall der ber oder Unterschreitung gewisser Grenzwerte der verhindert dass toxische Stoffe in das Belebungsbecken gelangen Im Gegensatz zu anderen verfahrenstechnischen Prozessen z B Bioreaktoren wo die Volu men oder Massenstr me der Eingangsgr en des geregelten Systems h ufig als Stellgr en genutzt werden ist dies in der Abwasserreinigung nicht blich Eine Zwischenspeicherung eines Teils des zul
259. tzes Diese Besonderheit wird im Kapitel 4 7 n her erl utert Die Ganglinie der CSB Fracht bei Sto belastung durch ein Regenereignis belegt die au erge w hnliche Belastung einer Kl ranlage in einem solchen Fall Neben den organischen Kohlenstoffverbindungen wird eine kommunale Kl ranlage durch Ammonium NH belastet gemessen als Ammoniumstickstoff NH N siehe Tabelle 2 2 Die Bilder 2 4 und 2 5 zeigen die mit einem Prozessanalysator online gemessenen NH N Konzentrationen und frachten im Zulauf der KA Netphen f r die bisher untersuchten Tage 2 _Abwasserreinigung aus regelungstechnischer Sicht 11 100 NH4 N Zulauf am 12 08 1998 Trockenwetterzulauf J NH4 N Zulauf am 16 09 1998 Regenwetterzulauf d D 80 NH4 N Zulauf am 05 08 1999 Regenereignis P E k T N O x Z T Z 0 4 8 12 16 20 h 24 Bild 2 4 Beispielhafte NH N Konzentrationen im Zulauf der KA Netphen 30 NHA4 N Zulauffracht am 12 08 1998 Trockenwetterzulauf 25 NH4 N Zulauffracht am 16 09 1998 Regenwetterzulauf 4 NHA4 N Zulauffracht am 05 08 1999 Regenereignis J B i 7 2 20 ee an nn het iE AaR en Eisen J 5 I ee Nee re are ee RE U a ee Z 5 a 0 4 8 12 16 20 h 24 Bild 2 5 Beispielhafte NH N Frachten im Zulauf der KA Netphen Auch hier zeigt sich der typische Tagesgang mit sehr niedrigen Konzentrationen bzw Frach
260. umenstrom einerseits und sinkenden TS Gehalten und Aktivit tsmesswerten im BB andererseits Bild 6 19 zeigt die NH N Konzentrationen im BB und im Ablauf der Nachkl rung f r den betrachteten Zeitraum Obwohl die Aktivit t und somit die O F hrungsgr e bereits am 14 08 1999 deutlich gesunken ist wird der angestrebte NH N berwachungswert von 4 mg l 6 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren 121 nicht berschritten Erst nach einem weiteren Absinken der Belebtschlammaktivit t in der folgenden Nacht kommt es am 15 08 1999 zur berschreitung dieses Wertes Ung nstiger weise war dadurch die Belebtschlammaktivit t und somit die O F hrungsgr e zum Zeit punkt des Schmutzsto es am 15 08 1999 sehr niedrig was zu einer unzureichenden Nitrifika tion und zur berschreitung des angestrebten NH N berwachungswertes f hrte Aufgrund der auf der KA Netphen erworbenen Erfahrungen bleibt es grunds tzlich fraglich ob die Belebtschlammaktivit t eine geeignete Messgr e zur Bestimmung der O F hrungs gr e ist Sicherlich waren die Bedingungen auf der KA Netphen insbesondere hinsichtlich des gesenkten NH N berwachungswertes besonders schwierig Jedoch scheint das Sym Bio Verfahren zur gezielten Beeinflussung der Nitrifikation und Denitrifikation nicht hinrei chend zu sein 6 1 6 Messergebnisse aus dem 3 Quartal 1998 29 06 27 09 1998 Obwohl bisher bereits einige Ganglinien aus dem Jah
261. ung der Lamellenabscheider 67 4 Die Kl ranlage Netphen eeeennnnenenn 69 4 1 Messstellenplan rena E EE E a 70 4 2 Ausbauzustand vor Beginn der Untersuchungen 72 4 3 Ausbauzustand bei intermittierendem Betrieb 1996 73 4 4 Ausbauzustand nach Einbau der Lamellenabscheider 1998 74 4 5 Ausbauzustand f r Zusatzbegasung mit Reinsauerstoff 1999071 200 ya 74 4 6 Ausbauzustand nach dem endg ltigen Umbau der Kl ranlage Netphen 2001 222000220serenneeeennnnenennennn 75 4 7 Eine Besonderheit der Kl ranlage Netphen 76 MI 8 9 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit intermittierender Nitrifikation und Denitrifikation 79 5 1 Intermittierende Nitrifikation und Denitrifikation mit ZEIISIEUFTUNG en een 80 5 2 Intermittierende Nitrifikation und Denitrifikation mit ereignisabh ngiger Regelung der Bel ftungsdauer 91 Betrieb der Kl ranlage Netphen mit dem SymBio Verfahren raen in a 103 6 1 Das SymBio Verfahren ueseseesesseseseenenseneseenennnnesnenenenneneenennn 103 6 2 Das SymBio Verfahren mit zus tzlicher ReinsauerstioffbeBasune ask 128 Weiterf hrende Regelungskonzepte en 147 7 1 Probleme und L sungsans tze asia 147 72 Ergebnisse des Untersuchungszeitraumes 2000 ucee 164 7 3 Ergebnisse des Untersuchungszeitraumes 2001
262. ung einer Abwasserreinigungsanlage folgenderma en berechnet 3 Schlammvolumen Vs Volumen des nach 30 Minuten abgesetzten Schlammes bezogen auf einen Liter Abwasser es wird als Schlammvolumenanteil nach DIN 38414 Teil 10 bestimmt DIN 4045 3 _ Leistungssteigerung von Kl ranlagen durch den Einsatz von Lamellenabscheidern 47 Aya 8 18 A Bei horizontal durchstr mten rechteckigen Nachkl rbecken sind in der Regel Zuschl ge f r die St rzone im Einlauf notwendig Neben der Grundfl che des Beckens ist u a die erforder liche Beckentiefe zu berechnen weil eine Nachkl rung eine ausreichende Eindickung des se dimentierten Belebtschlamms gew hrleisten muss Auch die gew hlte Art der Schlammr u mung beeinflusst die endg ltige Geometrie eines Nachkl rbeckens 3 3 Lamellenabscheider Lamellenabscheider Lamellenseparator Lamellenpaket Schr gkl rer Rohrb ndelkl rer La mellenkl rer Lamellen Eindicker sind Bezeichnungen f r Anlagenkomponenten in verfah renstechnischen Prozessen zur Trennung von Suspensionen in ihre fl ssige und feste Phase durch Sedimentation Durch die parallele Anordnung geneigter Platten Wellenplatten oder Rohrb ndel in diesen Sedimentationsapparaten wird der Sedimentationsweg der Feststoffpar tikel verk rzt und eine Absetzfl che geschaffen Ihnen ist gemeinsam dass sie einerseits eine gro e Absetzfl che in relativ kompakter Bauweise zur Verf gung stellen und andererseits f r Str mungsv
263. urden bei der Erl uterung der NH N Ganglinie Bild 7 16 genannt Eine detaillierte Analyse mit einem Vergleich aller im Jahr 2000 eingesetzten Strategien ist nicht sinnvoll weil sie teilweise nur ber einen kurzen Zeitraum zum Einsatz kamen Das we sentliche Ergebnis der Untersuchungen des Jahres 2000 war dass beide angestrebten Stick stoff berwachungswerte sicher eingehalten werden konnten Ein Vergleich der Bilder 7 17 und 6 46 macht die berlegenheit der fuzzy logik basierten Strategien zum SymBio Verfah ren nochmals deutlich Eine Anreicherung von Nitrat im BB konnte durch Einsatz von struk turumschaltbarer Fuzzy Logik oder einer Vorsteuerung zur O F hrungsgr envorgabe g nzlich vermieden werden Insgesamt stellte sich die F2S Strategie als leicht beherrschbar und gleichzeitig sehr leistungsf hig heraus 7 3 Ergebnisse des Untersuchungszeitraumes 2001 Im Jahr 2001 erhielt das Zentrum f r Sensorsysteme ZESS von der Stadt Netphen den Auf trag die KA Netphen mit dem im Jahr zuvor getesteten Prozessf hrungskonzept F2S Strate gie auszustatten Nach Empfehlungen aus dem Abschlussbericht des F amp E Projektes aus den Jahren 1998 und 1999 Sc n00b wurden von der Stadt Netphen neue Prozessanalysatoren f r die Online Messung der NH N und NO N Konzentration im BB angeschafft Aus Kostengr nden wurde abweichend von den Erfahrungen mit den bisher eingesetzten Messger ten ein Messger t eines anderen Anbieters g
264. vermeiden ist die zus tzliche Begasung des Belebungsbeckens mit reinem Sauerstoff mit dem Ziel eine intermittierende Nitrifikation und Denitrifikation zu realisieren Bo amp s91 Wie bereits im Kapitel 2 2 1 angesprochen wird bei der intermittierenden Betriebsweise eines Belebungsbeckens in Intervallen abwechselnd bel ftet und nicht bel ftet Idealerweise herr schen w hrend des Bel ftungsintervalles aerobe Bedingungen im gesamten BB die eine Ni trifikation erm glichen Nitrifikationsintervall Anschlie end wird die Bel ftung ausge schaltet im gesamten BB bilden sich anoxische Bedingungen aus die zur Denitrifikation f h ren Denitrifikationsintervall Die Nitrifikations und Denitrifikationsvorg nge lassen sich ber die Dauer der jeweiligen Intervalle beeinflussen wobei jedoch gewisse Ein schr nkungen ber cksichtigt werden m ssen siehe Kapitel 5 1 und 5 2 Im Nitrifikationsin tervall wird eine konstante O F hrungsgr e vorgegeben im Fall der KA Netphen 2 mg l die durch eine Regelung eingehalten werden muss Im Denitrifikationsintervall im Folgenden auch Bel ftungspause genannt betr gt diese F hrungsgr e 0 mg l Die O Konzentration im BB wird jedoch nicht geregelt in diesen Arbeitspunkt berf hrt sondern die Stellglieder f r den Sauerstoffeintrag werden einfach ausgeschaltet Weil zu Beginn eines Nitrifikationsintervalls die O Konzentration im BB sehr schnell von 0 mg l in einen S
265. verwen deten F hrungsgr e recht gut Der Istwert schwingt ein wenig was durch eine Optimierung der Reglerparameter des PID Reglers im unterlagerten Regelkreis behoben werden k nnte Ein Vergleich der Bilder 7 24 Verlauf der Statusmeldung Kalibrierung Sp lung und 7 25 mit Bild 7 26 macht plausibel wann und warum in die erste R ckfallebene geschaltet wur de 50 E en Bl ee I ee Bi ee ee D E E ve ope me IE rn L Frequenz in Hz ET N E re ee P i 20 Frequenz Kreisel Stellgr e f e i o z 15 fe a fe Dell a e T T N ee EEN EEE w p EB 0 4 8 12 16 20 h 24 Bild 7 27 Frequenz der Kreisel Stellgr e vom 04 10 2001 Die Analyse des Stellgr enverlaufs Bild 7 27 belegt das recht unbefriedigende dynamische Verhalten des Regelkreises zum Zeitpunkt des Schmutzsto es ca 8 10 Uhr Um etwa 13 Uhr steigt die Kreiselfrequenz kurzzeitig auf etwa 47 Hz Die Ursache ist der recht hohe 178 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen jedoch nur sehr kurz auftretenden NH N Messwert zu diesem Zeitpunkt vergleiche Bild 7 24 Hierbei handelt es sich mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit um einen Messfehler Der Stellgr enverlauf bei der Umschaltung in die erste R ckfallebene ab etwa 16 Uhr zeigt ein gutes dynamisches Verhalten Bei der Umschaltung um etwa 19 Uhr reagiert der Regelkreis etwas tr ger Diese unterschiedlichen Charakteristika resultie
266. vorgeschaltete Kanalisation Diese mineralischen Schl mme erh hten zwar den Trockensubstanzgehalt und verbesserten das Absetzverhalten des Schlammes siehe Bild 3 21 und damit den Abscheide grad deutlich sie f hrten jedoch zu keiner Verbesserung der Reinigungsleistung Durch ver st rkten Schlammabzug wurden in den folgenden Wochen die mineralischen Anteile aus dem System entfernt SKPS01 Dies f hrte vor bergehend zu einem R ckgang des TS Gehaltes im BB Der Schlammindex stieg in den folgenden Monaten zwar wieder etwas jedoch nicht auf die extrem hohen Werte wie zu Beginn der Versuchsphase im Juni 1998 Als Vorsichts ma nahme gegen ber potenziellem Schlammabtrieb wurde gegen Jahresende der TS Gehalt im BB reduziert Dies war ohne Gefahr der berschreitung der NH N und N berwa chungswerte m glich weil die Temperatur im BB die 12 C Marke bereits dauerhaft unter schritten hatte Der TS Gehalt im Zulauf zur Nachkl rung Bild 3 19 lag durch die Feststoffvorabscheidung der Lamellenabscheider stets niedriger als im BB berschritt jedoch teilweise den Dimensio nierungswert der Nachkl rung von 3 3 g l Esmi85 Der Abscheidegrad der Lamellenabscheider Bild 3 20 lag 1998 meist deutlich unterhalb der angestrebten 50 Bei Regenwetterzulauf hohe Volumenstr me im Bild 3 18 bei etwa 25 bis 30 bei Trockenwetterzulauf geringe Volumenstr me im Bild 3 18 und regul ren Be dingungen etwas h her Ein Vergleich mit dem Schl
267. werden dass der Nitrifikantenzuwachs dm in kg Trockensubstanz TS d bezogen auf die vorhandene Ni trifikantenmasse Mn in kg Trockensubstanz TS mindestens gleich dem relativen Gesamt schlammzuwachs dTS TSgg ist P GS90 dM pir gt dTS 55 2 6 TS 55 m nitr 16 Sch nberger Leistungssteigerung kommunaler Abwasserreinigungsanlagen Erst bei Erf llung dieser Ungleichung ist dauerhaft Nitrifikation m glich weil sonst die heterotrophen Mikroorganismen die Nitrifikanten langfristig berwuchern w rden Letztere w rden dann ber den Schlammabzug aus dem System entfernt und eine Nitrifikation k nnte nicht mehr stattfinden P GS90 F r t d h im station ren Zustand w ren alle Nitrifi kanten aus dem System entfernt worden Die Schlammbelastung Bzs ist als Quotient aus der der Kl ranlage je Zeiteinheit pro Tag zulaufenden organischen Kohlenstoffkonzentration gemessen als BSB Fracht und dem Trockensubstanzgehalt TS Gehalt im Belebungsbec ken definiert DIN 4045 z Tagesfracht BSB B TS TS 2 7 Diese Kenngr e zeigt sehr anschaulich ob den Mikroorganismen im BB viel oder wenig Nahrung zugef hrt wird Im Arbeitsblatt ATV A131 der Abwassertechnischen Vereinigung ATV werden f r nitrifizierende Kl ranlagen Schlammbelastungen lt 0 15 kg kg d gefor dert Bei der Abwasserreinigung mit gleichzeitiger Schlammstabilisierung werden sogar deut lich geringere Schlammbelastungen re
268. z in Hz a a a ver nderte Streckenparameter J 1 E NAHER SHE N MIR SEERERL 15 f 0 4 8 12 16 20 h 24 Bild 2 17 Oszillierender Verlauf der Stellgr e in Schwachlastphasen Bild 2 17 zeigt den Stellgr enverlauf Frequenz der Kreisel in einem Tagesgang Die KA Netphen wurde zu diesem Zeitpunkt mit dem SymBio Verfahren betrieben siehe Kapitel 6 1 Vorr bergehend wurde der Regelkreis instabil stabilisierte sich jedoch wieder Die Ur sache liegt in der in diesem Zeitraum auftretenden und durch Schwachlast bedingten gro en Streckenverst rkung durch geringe O Zehrung Erst bei gr er werdender Zehrung bedingt durch eine Vergr erung des Angebots an leicht abbaubaren Kohlenstoffverbindungen ber den Zulauf stabilisiert sich der Regelkreis wieder Obwohl gerade f r den Regelungstechniker u erst unbefriedigend hat dieses Verhalten keine negativen Auswirkungen auf die Reinigungsleistung einer Kl ranlage und ist bei linea rem Regler mit konstanten Parametern kaum zu vermeiden Weil die Reglerparameter des Sauerstoffreglers sinnvoller Weise f r das Systemverhalten bei hoher Belastung entworfen werden ist diese gelegentliche Instabilit t in Schwachlastphasen hinzunehmen Unter lang 2 _ Abwasserreinigung aus regelungstechnischer Sicht 37 fristigen Gesichtspunkten ist jedoch die negative Wirkung dieser tempor ren Instabilit t auf die Stellglieder zu beachten Durch die h ufigen Drehzahl
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