DE102004031249A1

DE102004031249A1 - Methode und Verfahren zur Regelung des Rotteprozesses von Stoffgemischen mit organischem Anteil

Info

Publication number: DE102004031249A1
Application number: DE200410031249
Authority: DE
Inventors: Frank Scholwin
Original assignee: Individual
Current assignee: Jansen Antriebstechnik 41748 Viersen De GmbH
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2006-01-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Methode und ein Verfahren zur vorteilhaften Regelung des Rotteprozesses von Stoffgemischen mit organischem Anteil. DOLLAR A Dabei erfolgt die Regelung des Rotteprozesses von Stoffgemischen mit organischem Anteil mithilfe eines z. T. mit Fuzzy Logic-Methoden arbeitenden mehrdimensionalen Prozessmodells. Insbesondere die Benutzung der spezifischen normalisierten Kohlendioxidfreisetzung (SPENK) zur Prozessprognose ermöglicht eine zuverlässige Modellierung. Das Modell ermöglicht die vorausschauende Optimierung der Einstellung der Regelgrößen für den in der Realität modellparallel ablaufenden Prozess auf der Basis einer Prozessprognose. Damit wird erstmals für Rotteprozesse die Einstellung einer definierten und gleichzeitig konstanten Qualität des Rotteproduktes bei Prozessabschluss ermöglicht. DOLLAR A Stoffgemische mit organischem Anteil sind z. B. getrennt erfasste Bioabfälle und Grünschnitt, aber auch Restabfälle aus Haushaltungen sowie Restabfälle und Stoffgemische mit organischem Anteil aus industriellen und landwirtschaftlichen Prozessen.

Description

Die Erzeugung eines Produktes mit hoher und vor Allem konstanter Qualität und einem gesicherten Absatz ist das Hauptziel der gezielten Verrottung von Stoffgemischen mit organischem Anteil. Unter Rotte wird dabei der unter kontrollierten Bedingungen (aktive Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas wie z.B. Luft) stattfindende aerobe Abbau organischer Stoffe durch Mikroorganismen verstanden. Stoffgemische mit organischem Anteil sind z.B. getrennt erfasste Bioabfälle und Grünschnitt aber auch Restabfälle aus Haushaltungen sowie Restabfälle und Stoffgemische mit organischem Anteil aus industriellen und landwirtschaftlichen Prozessen.
Der Schlüssel zur Erreichung des oben genannten Zieles ist die Optimierung des biologischen Abbauprozesses der Abfälle, der die Produktqualität bestimmt. Derzeit angewandte Prozesssteuerungen und Prozessregelungen scheinen sowohl auf der Basis der Ergebnisse aktueller wissenschaftlicher Arbeiten (Martens, J. (2004): Die indirekte Prozessprüfung als Nachweismethode der hygienischen Unbedenklichkeit von Bioabfallkompost, Dissertation, Lehrstuhl Abfallwirtschaft an der Bauhaus-Universität Weimar) als auch auf der Basis eigener Erfahrungen weder eine sichere Hygienisierung gewährleisten zu können noch eine gleichmäßig hohe biologische Stabilität des Behandlungsproduktes zu erreichen.

Der Stand der Technik bei der Regelung bzw. Steuerung des Rotteprozesses wird in Zeichnung 1 dargestellt. Üblicherweise wird bei der Rotte heute zur Prozessvorbereitung ausschließlich eine Steuerstrategie vorgegeben, die unabhängig vom konkret zu behandelnden Stoffgemisch festgelegt wird. Diese Steuerstrategie wird während des Rotteprozesses angewendet und die Behandlung nach einer festen Zeitspanne beendet. Es werden keine Regeleingriffe durchgeführt, die sich an der erreichten Produktqualität orientieren. Dieses Verfahren lässt eine einfache Arbeitsorganisation im Betrieb zu, führt aber aufgrund der Unterschiedlichkeit der zu verrottenden Stoffgemische zu einem Produkt mit undefinierter und schwankender Qualität. Dieser Zustand hat u. a. die außerordentlich schwierige Vermarktbarkeit von Komposten aus Bioabfall zur Folge und stellt daher die Problemstellung für die Entwicklung dar. Der hier dargestellte Stand der Technik wird durch Alm M. (1998): Einfluß der Bioprozeßführung auf den mikrobiellen Stoffumsatz in geschlossenen Kompostierungsanlagen; Dissertation; Technische Universität Braunschweig, Stark, W. (1995): Grundlagen zur Beschreibung und Regelung örtlich verteilter Zustandsgrößen in zwangsbelüfteten Rottesystemen; Dissertation; Technische Universität Wien, Fakultät für Bauingenieure, Vondung, P. (1998): Scaling-Down Composting Processes for Laboratory Investigations; Diplomarbeit an der Universität Gesamthochschule Essen, Fachbereich 10, Abfallwirt-schaft; Essen und Reitz, D. (1998): Recherche zur Prozesssteuerung in Kompostierungsanlagen; Diplomarbeit; Professur Abfallwirtschaft; Bauhaus-Universität Weimar belegt.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Qualität der Produkte aus Rotteprozessen zu erhöhen, zu vergleichmäßigen und durch die Prozessregelung zu definieren.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale

• Regelung des Rotteprozesses von Stoffgemischen mit organischem Anteil mit Hilfe eines Prozessmodells
• vorausschauende Optimierung der Einstellung der Regelgrößen auf der Basis einer Prozessprognose
• Ermöglichung des Prozessabschlusses bei Erreichen einer definierten Qualität durch Prognose des Rotteprozesses

gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die gezielte Regelung des Rotteprozesses definierte und generell bessere Produktqualitäten erreichbar sind, die im Gegensatz zur derzeitigen Situation wesentlich höhere Marktpotenziale aufweisen (beispielsweise lassen sich Komposte mit definierter Qualität mit Erlösen in Erdewerken vermarkten). Zusätzlich können Prozessausschüsse vermindert werden, der Bedarf an Prozess-Additiven vermindert werden, die Gesamtwasserbilanz des Prozesses verbessert und damit der Wassereinsatz vermindert werden, die Energieeffizienz gesteigert werden, Anlagenkapazitäten durch eine Prozessbeschleunigung besser genutzt werden, gesetzliche Anforderungen an die Produkte mit höherer Sicherheit als heute üblich erfüllt werden, verfahrensunabhängig Kosten gesenkt werden, Emissionen gesenkt werden und gleichzeitig ein besserer Klimaschutz erreicht werden. Dies gilt auch für den Kernprozess, der Rotte aufbereiteter Restabfälle aus Haushaltungen, in Mechanisch-Biologischen-Anlagen (MBA). Hierbei ist es von entscheidender Bedeutung, dass unter den vorgenannten ökonomischen wie ökologischen positiven Effekten, nachweislich ein dauerhaft gesichertes, den gesetzlichen Vorgaben entsprechendes Endprodukt erzielt wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 gegeben, wodurch die Prozessregelung für Rotteprozesse noch besser auf das zu verrottende Stoffgemisch mit organischem Anteil abgestimmt werden kann. Je exakter der Prozessregelung die Eigenschaften des zu verrottenden Stoffgemisches am Beginn eines Rotteprozesses zur Verfügung gestellt werden, desto genauer kann die zu erreichende Produktqualität realisiert werden, da ein Fehlverhalten der Steuerung weitgehend vermieden wird. Dies ist im Fall der manuellen Einschätzung der Zusammensetzung des Stoffgemisches am Prozessbeginn nicht gewährleistet, da der Mensch als Fehlerquelle für die Definition der Eigenschaften als nicht vollkommen zuverlässig angesehen werden kann und damit der Regelung unter Umständen fehlerhafte Eigenschaften vorgegeben werden.

Noch vorteilhafter ist die Ausgestaltung der Erfindung nach Patenanspruch 3, die ohne zusätzliche Analyse des Stoffgemisches vor der Verrottung die Eigenschaften des Stoffgemisches während der Startphase des Rotteprozesses automatisch auf der Basis der üblichen Messgrößen Kohlendioxid- bzw. Sauerstoffkonzentration und Materialtemperatur berechnet. Durch diese Ausgestaltung können die durch Patentanspruch 2 ermöglichten Vorteile für die Regelung des Rotteprozesses ohne die in Patentanspruch 2 definierte Stoffgemischanalyse genutzt werden.

Anwendungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Anwendung für den Kompostierungsprozess als Sonderfall der Rotte von Stoffgemischen mit organischem Anteil ist in den Zeichnungen 2 bis 4 dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
Zeichnung 2: Schematische Arbeitsweise der Prozessregelung
Zeichnung 3: Schematische Abbildung des Prozessmodells
Zeichnung 4: Verlauf der spezifischen Kohlendioxidfreisetzungsrate bezogen auf den Abbaugrad des organischen Stoffgemischanteiles
Es folgt die Erläuterung der Erfindung anhand der Zeichnungen nach der Wirkungsweise der dargestellten Erfindung.
Das Ziel der Prozessregelung ist hier die Einhaltung der gesetzlichen Anforderungen an die Hygienisierung des Stoffgemisches „separat erfasster Bioabfall" und die Erreichung einer vor Prozessbeginn zu definierenden Produktqualität in möglichst kurzer Behandlungszeit.
Der Prozess wird auf der Basis der nach Patenanspruch 2 analysierten Eigenschaften des Stoffgemisches mit organischem Anteil (analysiert werden in diesem Beispiel die Gesamtmasse, der Wassergehalt und der Gehalt organischer Substanz als Glühverlust sowie die Korngrößenverteilung des Stoffgemisches) und auf der Basis der Daten zur Geometrie des Gefäßes, in dem der Rotteprozess stattfinden soll, am Prozessbeginn mit einer herkömmlichen Regelung kontrolliert. Die herkömmliche Regelung stellt die Belüftungsrate des Stoffgemisches auf der Basis der Materialtemperatur und des Sauerstoffgehaltes der Abluft aus dem Prozess ein, so dass Temperaturen nicht über 60°C und Sauerstoffkonzentrationen nicht unter 5 % auftreten. Darüber hinaus werden Intervalle für eine notwendige Befeuchtung und eine Materialwende als Vorgaben festgelegt.
Diese Vorgaben und die Prozessbiologie als Störgröße bestimmen den Verlauf des Rotteprozesses, der durch die biologische Aktivität der Mikroorganismen gekennzeichnet ist. Aus dem Prozess resultieren die messbaren Ausgangsgrößen Temperatur und Gaskonzentrationen. Durch die Prozessbilanzierung wird daraus die aktuelle Produktqualität in Bezug auf Abbaugrad und Hygienisierung berechnet.
Falls die Prozessmodellierung nicht möglich ist, wird die herkömmliche Regelungsstrategie weiterverfolgt und der Regelkreis geschlossen. Im Normalfall wird jedoch auf der Basis des Modells eine Prozessprognose aus Prozesshistorie und Randbedingungen (Behältergeometrie und Stoffgemischeigenschaften) abgeleitet. Um eine optimale Steuervorgabe festzulegen, werden Prozessprognosen durch Berechnung von verschiedenen Szenarien durch das Prozessmodell durchgeführt. Die Szenarien bestehen darin, die Steuerkurve leicht zu modifizieren und den modellierten Prozessverlauf unter veränderten Bedingungen zu analysieren. Auf der Basis dieser Analyse wird eine Steuerkurve festgelegt, die zur Erreichung der geforderten Produktqualitätskriterien in kürzester Zeit führt. Die Steuerkurve umfasst Vorgaben zur zukünftigen Belüftung, den nächsten nötigen Befeuchtungszeitpunkt, und die nächste nötige Materialwende. Zusätzlich wird eine Fehleranalyse durchgeführt, um festzustellen, ob der modellierte Prozessverlauf durch den real ablaufenden Prozess überhaupt erreicht wird, und es erfolgt eine Prognose des Prozessabschlusses, um dem Anlagenbetreiber eine Vorgabe für die Organisation des Betriebsablaufes zu geben.
Die ermittelte Steuerkurve wird auf den Prozess direkt angewendet und im Regelkreis kontinuierlich prozessparallel optimiert.
Das Prozessmodell wird erstmalig aufgrund der Unterschiedlichkeit der Teilprozesse und des Standes des Wissens durch zwei Teilmodelle, wie in Zeichnung 3 dargestellt, beschrieben.
Zum Einen werden die biologischen Prozesse durch ein Teilmodell prognostiziert. Vorausgesagt werden die Abbauaktivität der Mikroorganismen (als spezifische, auf den organischen Anteil des Stoffgemisches bezogene Kohlendioxidfreisetzungsrate) und die daraus resultierenden Faktoren Wärmefreisetzung und Stoffabbau.
Es wurde erstmalig durch den Erfinder nachgewiesen, dass der Verlauf der spezifischen Kohlendioxidfreisetzungsrate bezogen auf den Abbaugrad des organischen Stoffgemischanteiles unter optimalen Prozessbedingungen (bezogen auf Temperatur, Wassergehalt und Sauerstoffkonzentration) nach Normierung des Startwertes bei Beginn des Rotteprozesses für alle Rotteprozesse gleich ist. Dieses Verhalten wird in Zeichnung 4 dargestellt. Nach Normierung auf einen Startwert von 1 wurde sie vom Erfinder spezifische normalisierte Kohlendioxidfreisetzungsrate (SPENK) genannt und als neue Größe für den Rotteprozess eingeführt. Aus diesem in Zeichnung 4 dargestellten Prozessverlauf lässt sich zu jedem beliebigen Abbaugrad eine spezifische Kohlendioxidfreisetzungsrate unter den o.g. optimalen Bedingungen ablesen, wenn der real im Rotteprozess auftretende Startwert der Kurve messtechnisch ermittelt wurde. Nun muss aber davon ausgegangen werden, dass in der Realität nur selten optimale Bedingungen herrschen und die in Zeichnung 4 dargestellte Kurve daher im realen Rotteprozess nur kurzzeitig erreicht wird. Daher wird davon ausgegangen, dass sich die Abweichungen vom Optimum durch einen Reduktionsfaktor darstellen lassen, der die biologische Aktivität auf einen in der Realität auftretenden Wert korrigiert. Dieser Reduktionsfaktor ist von den Haupteinflussgrößen auf den biologischen Abbau, dem Wassergehalt in Abhängigkeit von der Wasserkapazität, dem Sauerstoffgehalt in der Porenluft, der Temperatur und der Phase des Rotteprozesses abhängig. Aufgrund der Nichtlinearität und der Komplexität der Zusammenhänge zwischen diesen Größen wird der Reduktionsfaktor durch ein Fuzzy Logic Modell prognostiziert, welches durch geeignete bekannte Methoden aus Messwerten historischer Rotteprozesse abgeleitet wird.
Zum Anderen werden die physikalischen Teilprozesse durch ein deterministisches Modell auf der Basis des bekannten Wissens durch ein System aus Differentialgleichungen beschrieben. Aus diesem Teilmodell gehen die räumliche Temperaturentwicklung und die Feuchteentwicklung im Stoffgemisch hervor. Eingangsgrößen für dieses Teilmodell sind die Behältergeometrie, der Füllgrad des Behandlungsbehälters, die Belüftungsrate und die Eigenschaften der zugeführten Luft (Feuchte, Masse, Temperatur), sowie die Eigenschaften des Stoffgemisches (Masse, Wassergehalt, Wasserkapazität, Temperatur, organischer Anteil, spezifische Oberfläche). Um der Heterogenität des Rotteprozesses Rechnung zu tragen, ist das physikalische Modell dreidimensional aufgebaut, d. h. dass Teilbereiche des Stoffgemischkörpers unabhängig voneinander unter Berücksichtigung von Wärme- und Stofftransport zwischen diesen Teilbereichen berechnet werden.
Um einen realitätsnahen Prozessverlauf zu prognostizieren, ist in das Modell eine herkömmliche Prozessregelung, wie sie bereits weiter oben beschrieben wurde, integriert. Sie bestimmt die Belüftungsintensität des zu verrottenden Stoffgemisches, die wiederum auf den nächsten Zeitschritt des Modells und die dann kalkulierten Größen rückkoppelt. Durch diesen Regelkreis im Modell werden sowohl die räumliche als auch die zeitliche Dimension der Prognose realisiert. Einfluss auf den Verlauf des modellierten Prozesses von außerhalb der Modellgrenze haben die Eigenschaften des Stoffgemisches und die Geometrie des Behandlungsbehälters.

Claims

Methode und Verfahren zur Regelung des Rotteprozesses von Stoffgemischen mit organischem Anteil mit Hilfe eines Prozessmodells, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Regelgrößen auf der Basis einer Prozessprognose vorausschauend optimiert wird, dass diese Prozessprognose durch ein mehrdimensionales Modell aus einem auf Fuzzy Logic basierendem biologischen Teilmodell und einem deterministischen physikalischen Modell erfolgt, dass das biologische Teilmodell die Aktivität der Mikroorganismen von der spezifischen normalisierten Kohlendioxidfreisetzungsrate (SPENK) durch Kalkulation eines Reduktionsfaktors ableitet, dass die Regelgrößen der Belüftungsstrom, die Befeuchtung, die Durchmischung und bzw. oder die Belüftungsrichtung sind, dass durch die Prognose des Rotteprozesses der Prozessabschluss bei Erreichen einer definierten Qualität ermöglicht wird, dass die Optimierung zu einer Prozessbeschleunigung, Erhöhung und Definition der Produktqualität, Verminderung von Emissionen, Vermeidung von zu entsorgenden Reststoffen, Verminderung des Einsatzes von Prozesshilfsstoffen, Erhöhung der Energieeffizienz, höheren Sicherheit bei der Erfüllung gesetzlicher Auflagen und bzw. oder zur Verbesserung der Anlagenauslastung führt.
Regelung des Rotteprozesses nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften des zu verrottenden Stoffgemisches durch chemisch-physikalische Analysen vor Prozessbeginn ermittelt werden und durch die Regelung während des Prozesses berücksichtigt werden.
Regelung des Rotteprozesses nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften des zu verrottenden Stoffgemisches durch die Analyse der gemessenen Prozessdaten während der Startsequenz des Prozesses durch die Regelung berücksichtigt werden.