DE4415602C2 - Prozeßführung der aeroben Abwasserbehandlung mit Hilfe eines Verfahrens und einer Anlage, die eine an der Substratabbaurate der Organismen ausgerichtete Steuerung/Regelung ermöglicht - Google Patents
Prozeßführung der aeroben Abwasserbehandlung mit Hilfe eines Verfahrens und einer Anlage, die eine an der Substratabbaurate der Organismen ausgerichtete Steuerung/Regelung ermöglichtInfo
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Description
Aerobe biologische Abwasserbehandlungsanlagen sind dazu bestimmt, Abwässer verschiedener
Zusammensetzung und Menge mikrobiell weitgehend von organischen (kohlenstoffhaltigen)
sowie stickstoffhaltigen Bestandteilen zu reinigen. Dazu ist es nötig, die Organismen mit
reinem Sauerstoff oder mit Luftsauerstoff zu versorgen. Die Mikroorganismen setzen die
Bestandteile im Abwasser in Kohlendioxid, Stickstoff und Mikroorganismenmasse um. Die
Prozeßführung solcher Anlagen ist darauf ausgerichtet, die gesetzlich vorgegebenen Grenz
werte für den Ablauf des Abwassers aus der Anlage sicher zu erreichen, auch wenn die Menge
des Abwassers sowie die Konzentration und die Art der zu entfernenden Bestandteile schwankt.
Ein besonderes Problem dabei ist es, daß die Stickstoffentfernung von einem Konsortium meh
rerer, gegenüber Belastungsschwankungen sehr empfindlicher Organismen bewerkstelligt wird.
Da Menge, Art und Aktivität der einzelnen Organismengruppen sowie deren Tot- und Lebend
anteile mit den heute verfügbaren Meßverfahren online nicht voneinander getrennt bestimmt
werden können, ist man für den Routinebetrieb der Abwasserbehandlungsanlagen nach wie vor
auf empirische Erfahrung angewiesen.
Das herkömmliche Mittel zur Gewährleistung der Betriebssicherheit sind große Anlagenvo
lumina, mit denen lange Aufenthaltszeiten (Verweilzeiten) des Abwassers in der Anlage er
möglicht werden. Typische Werte sind Verweilzeiten von 6 bis 24 Stunden, wobei der erste
Wert eher für kommunale Abwässer, der zweite eher für hochbelastete Abwässer aus dem In
dustriebereich gilt. Weitere bekannte Maßnahmen zur Stabilisierung des Betriebs solcher An
lagen sind z. B. das Einstellen einer möglichst hohen Konzentration der Organismen oder das
Einstellen eines bestimmten Konzentrationsniveaus des im Abwasser gelösten Sauerstoffs.
Die Betriebskosten der Anlagen werden vor allem bestimmt durch die Kosten für die Besei
tigung des Schlamms (also der aus der Anlage ausgeschleusten Organismenmasse), für die
Begasung (das energieverbrauchende Einblasen von Luft oder Sauerstoff in das Abwasser),
die Abschreibung (also Gestehungskosten in Folge der Größe und Ausstattung der Anlage),
und die personalintensive Analytik. Kleinere, hoch automatisierte Anlagen mit der Möglich
keit, die Begasung auf die jeweils benötigte Aktivität der Organismen einzustellen und die
Schlammbildung zu begrenzen, bringen deutliche Kostenvorteile, wenn die gesetzlich gefor
derten Ablaufwerte nach wie vor sicher erreicht werden. Dies erfordert jedoch eine recht
komplexe Prozeßführung.
Es sind mehrere Fahrweisen und Regelstrategien für aerobe Abwasserbehandlungsanlagen
bekannt. Auf eher empirischen Erfahrungen beruhen z. B. folgende Methoden /1/:
- - konstante Schlammkonzentration (empfiehlt sich bei geringen Schwankungen der Zulaufqualität)
- - konstante Schlammbelastung (die Menge an Fracht, bezogen auf die Schlamm konzentration wird konstant gehalten)
- - konstantes Schlammalter (die Aufenthaltszeit des Schlamms in der Anlage wird kon stant gehalten) /2/.
Letztlich zeigen alle Verfahren gleichermaßen Nachteile, weil sie sehr oft Korrekturen durch
einen erfahrenen Anlagenbediener erfordern, worauf in den entsprechenden Untersuchungen
/1/ ausdrücklich hingewiesen wird.
Es lassen sich mindestens vier Pfade identifizieren, die zur Verbesserung dieser Situation be
schriften wurden:
Seit Bekanntwerden der modernen Methoden, die Expertensysteme bieten, wurde versucht,
das unstrukturierte Wissen erfolgreicher Anlagenbediener in Regeln abzubilden und auf einem
Computer zu implementieren, um mit dessen Hilfe die Anlage automatisch zu führen. Hier
über liegt eine umfangreiche Untersuchung vor /3/, ohne daß es zu einer konkreten Anwen
dung gekommen wäre.
Ebenso hat man versucht, die Regeln mit Hilfe von Fuzzy-Algorithrnen zu fassen /4/. Auch
hier sind konkrete Anwendungen für die Führung des Gesamtprozesses unter Alltagsbeding
ungen nicht bekannt; erfolgreich eingesetzt wurde ein Fuzzy-Verfahren zur Steuerung der
Zugabe von Antischaummittel der Firma Andritz, Graz.
Komplexe und verwickelte Vorgänge lassen sich häufig verstehen, wenn ihre wichtigsten
Elemente mit Hilfe mathematischer Modelle beschrieben werden. Gerade für die Abwasser
behandlung wurden viele solcher Modelle entwickelt. Diese Modelle folgen üblicherweise
einem bestimmten Grundaufbau, in dem Bilanzgleichungen für die Konzentrationen der wich
tigsten Substanzen und für die Mikroorganismen in den Belebungsbecken einer Anlage auf
gestellt werden. Gemäß diesem Schema ergibt sich die Änderung der Konzentration einer
Substanz in einer Anlage aus der Differenz der Mengen im Zulauf und Ablauf, vermindert um
den Anteil, der von den Organismen umgesetzt wurde. Außerdem kann die Konzentration ei
ner Substanz auch durch Ausscheidungen der Organismen erhöht werden. Die Änderung der
Organismenmenge in der Anlage ist gleich der Differenz aus der Menge der zugeführten und
abgeführten Organismen, vermehrt um den Zuwachs in Folge des Substratabbaus. Die Zu
wachsgeschwindigkeit ist dabei an die Abbaugeschwindigkeit gekoppelt. Schließlich muß
noch in einem kinetischen Ansatz eine Beziehung hergestellt werden zwischen der Geschwin
digkeit, mit der die Organismen das Substrat abbauen und der jeweiligen Konzentration des
Substrats im Abwasser. Die Abbaugeschwindigkeit (Substratabbaurate) wird meistens als
proportional zur Konzentration der aktiven Mikroorganismen und zu deren Wachstumsrate
angenommen. Bisweilen wird die Stoffwechselaktivität der Organismen ihrerseits wiederum
an interne Zustände der Organismen, etwa an die ATP Konzentration gebunden.
Solche Modelle sind deterministisch in dem Sinne, daß bei vorgegebenen Mengenströmen
und vorgegebener Konzentration des Zulaufs das Modell vollständig bestimmt ist, weil die
Abhängigkeit der Aktivität der Organismen von der Substratkonzentration und evtl. weiteren
Einflußgrößen durch die unveränderlichen Parameter der kinetischen Beziehungen fest vor
gegeben ist.
Die Unterschiede der bekannten Modelle beziehen sich vor allem auf die Anzahl der betrach
teten Arten von Mikroorganismen und Substraten sowie die Art der postulierten kinetischen
Zusammenhänge.
Bekannt ist beispielsweise der Ansatz von Wiesmann /5/. Er benutzt eine einzige Art von Or
ganismen für den aeroben Abbau aller kohlenstoffhaltigen Verbindungen und faßt diese Ver
bindungen unter der üblichen Kenngröße des CSB (chemischer Sauerstoffbedarf) zu einer
einzigen Größe zusammen. Die Kinetik folgt dem bekannten Ansatz von Monod, demzufolge
die Aktivität der Organismen zunächst mit steigender Substratkonzentration zunimmt, um ab
einer gewissen Konzentration praktisch konstant zu bleiben.
Ebenso definiert Wiesmann je eine Organismenart für die Umwandlung von Ammonium zu
Nitrit, sowie für die Umwandlung von Nitrit zu Nitrat. Somit umfaßt der Ansatz drei Substrat-
und drei Mikroorganismenarten, wobei in der Kinetik zusätzlich der Einfluß des im Abwasser
gelösten Sauerstoffs berücksichtigt wird. Gujer /6/ beschreibt auch die Denitrifikation des bei
der Nitrifkation entstandenen Nitrates durch eine weitere Organismenart. Allerdings geht man
i.A. davon aus, daß die Umwandlung von Nitrat in Stickstoffgas von den gleichen Organis
men bewerkstelligt wird, die auch die Kohlenstoffverbindungen abbauen; allerdings muß da
bei für ein sauerstoffreies Milieu gesorgt werden. Als weitere Variante ist noch die direkte Re
duktion von Nitrit zu Stickstoffgas bekannt /7/.
Solche Modelle sind geeignet, um biologische Abwasserbehandlungsanlagen nach Durch
schnittswerten überschläglich auszulegen. Sie sind aber nicht geeignet, bei schwankenden
Zulaufbedingungen den beobachteten Verlauf der Umsetzung wiederzugeben.
Ein weitergehender Ansatz wird von einem Konsortium verschiedener Autoren /8/ vorge
schlagen. Anstatt eine summarische Größe für die Konzentration der kohlenstoffhaltigen
Substrate zu verwenden, teilt man die Kohlenstoffverbindungen in verschiedene Klassen ein,
die zu einem unterschiedlichen Umsatzgrad abgebaut werden. Noch weiter geht ein Ansatz
/9/, bei dem nicht nur verschiedene Substratklassen vorkommen, sondern auch jeder Klasse
eine eigene Organismenart zugeordnet wird. Beide Ansätze beeinhalten die Schwierigkeit, daß
es unklar ist, wie die einzelnen Klassen voneinander abzugrenzen sind angesichts der Tatsa
che, daß keine eindeutigen Meßverfahren zur Bestimmung der verschiedenen Mikroorganis
men- und Substratklassen bekannt sind.
Will man ein mathematisches Modell zur Simulation einer bestimmten biologischen Abwas
serbehandlungsanlage einsetzen, sind die im Modell verwendeten Parameter so zu bestimmen,
daß das Modell die spezifischen Gegebenheiten der Anlage und der darin ablaufenden Prozes
se genau genug wiedergibt. Dazu werden die im Modell verwendeten Parameter so gewählt,
daß die Abweichung zwischen gemessenem und simuliertem Verlauf der Substrate und der
Gesamtbiomasse im Mittel über einen gewissen Zeithorizont minimal wird. Die zur Identifi
kation benötigten Meßdaten haben für den betrachteten Zeitraum vorab und vollständig zur
Verfügung zu stehen. Es können also nur Meßwerte aus einem vergangenen Zeitraum ver
wendet werden, aktuelle Messungen finden in diese Art der Parameteridentifikation keinen
Eingang. Einen Überblick über die bekannten Methoden der sog. "Identifikation von dynami
schen Systemen" geben die Bücher von Rolf Isermann "Identifikation dynamischer Systeme",
Band I und II/10/. Ihre Anwendung auf die Identifikation von Parametern eines Modells einer
biologischen Abwasserbehandlung wird prinzipiell als möglich /11/ erachtet, Beispiele zur
konkreten Ausführung werden allerdings nicht angegeben.
Grundsätzlich erhält man bei dieser Vorgehensweise einen konstanten Parametersatz. Ein ge
messener Prozeßverlauf kann mit dieser Methode über eine gewisse Zeit zwar im Mittel gut
wiedergegeben werden, zu einzelnen Zeitpunkten ergeben sich aber beträchtliche positive
und negative Abweichungen vom realen Verlauf des Prozeßgeschehens.
Damit ist es ein prinzipieller Nachteil dieser Methode, daß aktuelle Änderungen des Abbau
verhaltens der Organismen, die in der Kinetik nicht explizit erfaßt sind, auch nicht wiederge
geben werden können. So gibt es immer wieder Zustände auf Abwasserbehandlungsanlagen,
z. B. verursacht durch die Wirkung toxischer Substanzen, die nur sehr schlecht erfaßbar sind.
Viele Autoren, z. B. /12, 13/ weisen daher daraufhin, daß letztlich die Aktivität der Organis
men und damit die Substratabbaurate nicht deterministisch vorgegeben werden kann, sondern
jeweils dem aktuellen Zustand der Anlage gemäß bestimmt werden sollte.
Es ist praktisch unmöglich, die Aktivität der Mikroorganismen direkt auf einer Abwasser
behandlungsanlage selbst zu messen. Auch eine umfassend brauchbare deterministische
Beschreibung der Abhängigkeit der Aktivität von den herrschenden Einflußgrößen ist auf
grund der Vielzahl unbekannter Wirkzusammenhänge nicht möglich. Deshalb wird versucht
/14/, sog. modellgestützte Meßverfahren anzuwenden.
Diese Verfahren ermöglichen es, Meßwerte in ein Prozeßmodell aktuell einzuspeisen und an
hand veränderlicher Größen, die mit diesen Meßwerten verbunden sind, den Prozeßzustand
praktisch online zu charakterisieren. Bekannte Verfahren sind die sogenannten Beobachter
(z. B. Luenberger-Beobachter /15, 16/) oder, falls statistische Störungen, die ein Rauschen der
Meßwerte oder des Prozeßverlaufs bewirken, berücksichtigt werden sollen, das sogenannte
Kalman-Filter /17, 18/.
Man hat damit die Möglichkeit von der Annahme der zeitlichen Invarianz der Parameter abzu
gehen, so daß auch Änderungen des Prozeßverhaltens wiedergegeben werden können, die
nicht in Form von Kinetiken explizit beschrieben sind. Allerdings verliert das mathematische
Modell dadurch seine Autonomie; es muß durch die Messungen gestützt werden. Man wird
damit in die Lage gesetzt, z. B. aufgrund von toxischen Einflüssen veränderte Abbauaktivi
täten online zu rekonstruieren und für die Prozeßführung der Abwasserbehandlungsanlage zu
berücksichtigen.
Eine Alternative zu den mathematischen Modellen wäre der Aufbau von Versuchs -Modell
anlagen, auf denen aus charakteristischen Versuchen auf das Verhalten der Organismen ge
schlossen werden kann. Bekannt sind z. B. die Messung der Atmungsaktivität der Organismen,
die mit deren augenblicklicher Abbauaktivität zusammenhängt. Es ist auch denkbar, parallel
zur Betriebsanlage eine kleine Modellanlage zu betreiben, die mit einem Standardsubstrat be
schickt wird. Vergleicht man die Atmungsaktivitäten der Organismen dieser beiden Anlagen,
so erhält man Hinweise z. B. auf den Grad der Hemmung. Auch hier sind keine Anlagen be
kannt geworden, die praktisch einsetzbar wären.
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß zwar die Idee, die Prozeßführung einer biologi
schen aeroben Abwasserbehandlungsanlage an der Aktivität der Organismen zu orientieren,
seit längerem diskutiert wird, daß aber bis heute keine Möglichkeit bekannt ist, diese Idee für
den Betriebsalltag üblicher Abwasserbehandlungsanlagen umzusetzen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, mit dem eine biologische aerobe
Abwasserbehandlungsanlage an der Substratabbaurate der Mikroorganismen orientiert auto
matisch gebt wird, sowie eine Anlage, auf der das erfindungsgemäße Verfahren zur An
wendung kommt. Dieses Verfahren ist, wie im folgenden näher beschrieben werden soll, ge
bunden an einen bestimmten Aufbau der Anlage, eine bestimmte Austattung der Anlage mit
Meß- und Stellinstrumenten, an den Anschluß dieser Instrumente an ein herkömmliches Pro
zeßautomatisierungssystem, das seinerseits mit einem Programm zusammenarbeitet, welches
nach bestimmten Regeln abläuft, gemaß derer die Identifikation der Substratabbaurate der Or
ganismen so vorgenommen wird, daß eine Prozeßführung möglich wird. Insbesondere kann
mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens unterschieden werden, ob eine Änderung der
Abbaurate lediglich mit Schwankungen der Menge bzw. Konzentrationen im Zulauf verbun
den ist, oder ob eine physiologische Beeinträchtigung der Organismen vorliegt. Das Verfahren
ist in der Lage, simultan die Substratabbauraten der Organismen des Kohlenstoffabbaus und
des Stickstoffabbaus zu verfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf jeder konventionellen Abwasserbehandlungsan
lage angewandt werden, die in ihrem Aufbau mindestens aus folgenden Teilen besteht (Fig. 1):
Einem Pufferbehälter (1), um zu behandelndes Abwasser zu speichern, einem Belebungs
becken (2), in dem die Organismen mit Luft oder Sauerstoff versorgt werden und in dem der
Abbau stattfindet, und einem Abscheider (3), in dem der vorwiegend aus Mikroorganismen
bestehende Schlamm vom gereinigten Abwasser getrennt wird, wobei die Behälter (1), (2)
und (3) miteinander über Leitungen verbunden sind und vom Abscheider (3) in einer Leitung
(4) Schlamm zum Belebungsbecken (2) zurückgeführt wird.
Die Anlage weist mindestens folgende Meß- und Stellinstrumente auf (die Instrumente sind
gemäß ihrer Funktion mit Buchstaben nach DIN gekennzeichnet; dabei steht C für Regler, F
für Durchfluß, I für Anzeige, L für Niveau, Q für die rechts unten neben dem Symbolkreis
angegebene Qualitätsgröße und T für Temperatur):
Der Pufferbehälter (1) besitzt eine Füllstandsanzeige (5). Am Ausfluß (7) vom Pufferbehälter
(1) zum Belebungsbecken (2) sind eine Durchflußmessung (9) und eine Möglichkeit (10), die
Konzentration an Kohlenstoffverbindungen und an Stickstoff zu messen, angebracht. Außer
dem befindet sich in der Leitung am Ausfluß (7) ein Stellelement (8), beispielsweise eine
Klappe oder ein Ventil, mit dem die Menge des in das Belebungsbecken (2) fließenden Ab
wassers kontrolliert werden kann.
Im Belebungsbecken (2) sind Einrichtungen zum Messen der Temperatur (11) und der Kon
zentration an im Abwasser gelöstem Sauerstoff (12) angebracht, ferner eine Einrichtung zum
Messen und zur Kontrolle des pH - Werts (13) sowie zur Bestimmung der organischen
Trockensubstanz (14). In der Zuluftleitung (17) ist eine Vorrichtung zur Messung (15) und
Kontrolle (6) der Zuluftmenge angebracht. Der Sollwert der Kontrolle der Zuluftmenge wird
von der Konzentration an gelöstem Sauerstoff (12) abgeleitet (16). In der Zulaufleitung (18)
des Abscheiders (3) befindet sich eine Möglichkeit (19) zur Bestimmung der Konzentration
von Kohlenstoffverbindungen und von Stickstoff. In der Schlammrücklaufleitung (4) befinden
sich eine Einrichtung zur Messung der durch die Leitung fließenden Menge (20) sowie der
Konzentration an organischer Trockensubstanz (21). Außerdem befindet sich in dieser Lei
tung (4) ein Stellelement (22) zur Kontrolle des Mengenstroms. In der Leitung (25) zur Ab
führung des Überschußschlamms befinden sich eine Einrichtung zur Messung der durch die
Leitung fließenden Menge (23) und ein Stellelement (24) zur Kontrolle des Mengenstroms.
Bei manchen Bauarten könnte sich eine Einrichtung zur Messung der durch die Leitung flie
ßenden Menge sowie der Konzentration an organischer Trockensubstanz und ein Stellelement
zur Kontrolle des Mengenstroms in der Ablaufleitung (26) des Abscheiders befinden. In die
sem Fall lassen sich die entsprechenden Einrichtungen entweder in der Rücklaufleitung (4)
oder in der Überschußschlammleitung (25) einsparen.
Alle erwähnten Einrichtungen zur Messung und zum Stellen sind mit einem System verbun
den, das die Meßdaten aufnehmen, verarbeiten und die entsprechenden Kontrollbefehle aus
senden kann. Typischerweise wird hierzu ein auf dem Markt erhältliches Prozeßleitsystem,
eine speicherprogrammierbare Steuerung oder ein Prozeßrechner eingesetzt. Dieses System
wiederum ist verbunden mit einem weiteren System, auf dem drei modellgestützte Program
me ablaufen:
- a) ein Programm (I), mit dem On-line die Substratabbaurate der Mikroorganismen aus den zur Verfügung stehenden Messungen bestimmt werden kann,
- b) ein Programm (II), das aus Meßwerten, die über einen längeren Zeitraum der Vergangen heit gesammelt wurden, diejenigen Parameter zur Berechnung der Substratabbaurate be stimmt, bei denen über diesen Zeitraum die mittlere Abweichung von Meß- und Rechen werten minimal ist, und
- c) ein Programm (III), das mit den aus b) ermittelten Parametern, den aktuellen Werten der auf der Anlage eingestellten Mengenströme sowie der Zulaufkonzentrationen den Abbau für ungestörte Organismen simuliert. Dieses Programm liefert sozusagen die "Leitlinie" des Substratabbaus durch die Organismen für die Prozeßführung.
Als Programm (I) wird vorzugsweise ein Luenbergerbeobachter oder ein Kalmanfilter ver
wendet. Bei dem Programm (II) handelt es sich vorzugsweise um ein Optimierungsprogramm,
mit dessen Hilfe aus vorgegebenen Daten der statistisch beste Parametersatz bestimmbar ist.
Das Programm (III) stellt vorzugsweise ein übliches numerisches Programm zum Lösen von
Differentialgleichungen dar.
Unter Programm wird jede Art einer Folge geplanter und damit geordnet ablaufender Aktivi
täten verstanden. Bevorzugt handelt es sich um Programme, die in Form von Software auf
Computern implementiert sind, es kann z. B. aber auch eine Folge von Meßaktivitäten sein
oder eine Kombination aus Messungen und Berechnungen, wobei es unerheblich ist, ob die
Messungen automatisch oder auch von Hand ausgeführt werden.
Es hat sich nun überraschenderweise herausgestellt, daß sich, wenn man die mitgeteilten
Einrichtungen benutzt, eine stabil reproduzierbare Möglichkeit ergibt, die verschiedenen Ur
sachen von Schwankungen der Abbauraten wie folgt zu differenzieren:
Wirkt das Substrat nicht hemmend oder aktivierend auf die Organismen, so ergeben die Pro
gramme (I) und (III) im wesentlichen die gleichen Ablaufwerte bei gleichen Abbauraten. Wer
den dagegen die Organismen vergiftet oder besonders aktiviert, so unterscheiden sich die Ab
bauraten signifikant. Im ersten Fall läßt sich die Anlage allein mit den im Fig. 1 gezeigten
Stellgrößen auf Betriebspunkte einstellen, die bei vorgegebenem Ablaufwert günstige Be
triebsbedingungen bieten. Dies könnte z. B. eine energiesparende Fahrweise sein, aber auch
ein Vorbereiten auf abzusehende Zulaufänderungen. Im zweiten Fall, wenn die Organismen
gehemmt werden, hat man auf physiologische Änderungen der Aktivität zu reagieren. Hier
bietet es sich an, eine Strategie zu fahren, bei der der Minderung der Abbaurate durch Er
höhung der Mikroorganismenmenge im Belebungsbecken, durch Verdünnung des Zulaufs
oder durch Verminderung der Zulaufmenge gegengesteuert wird.
Im Pufferbehälter (1) wird das anfallende Abwasser gesammelt. Der Behälter ist durch
schnittlich etwa zur Hälfte gefüllt, da Abwasser darin je nach Bedarf entweder gestapelt wird
oder mehr abgelassen wird, als zuläuft. Im Belebungsbecken (2) wandeln Organismen die In
haltsstoffe des Abwassers um. Dabei werden die kohlenstoffhaltigen Verbindungen in Koh
lendioxid und Mikroorganismenmasse umgewandelt, die Stickstoffverbindungen, insbeson
dere der Ammoniak, zu Nitrit und zu Nitrat oxidiert. Hierfür nehmen die Organismen aus dem
belüfteten Abwasser den Sauerstoff auf. In anoxen (nicht belüfteten) Zonen des Beckens wird
schließlich das Nitrat von Organismen zu Stickstoffgas weiter reduziert. Die Mikroorganis
men (Schlamm) werden in einen Abscheider (3) geleitet, wo der Schlamm sedimentiert, also
nach unten sinkt und sich dabei aufkonzentriert. Der klare und von den belastenden Bestand
teilen gereinigte Überlauf verläßt die Anlage. Ein Teil des sedimentierten Schlamms wird
wieder in das Becken zurückgeführt, ein anderer Teil verläßt als Überschußschlamm die Anla
ge und muß weiter entsorgt werden.
In bestimmten Zeitabständen werden nun die folgenden Meßgrößen registriert: die Sauer
stoffkonzentration im Becken, die Zulauf- und Ablaufmengen, die Konzentrationen von Koh
lenstoff und Stickstoff im Zulauf, das Niveau im Pufferbehälter und die Begasungsmenge
kontinuierlich; möglichst oft (vorzugsweise alle 6 Stunden bis täglich) werden Feststoffgehalt
(Schlamm), Kohlenstoff (als "total organic carbon" TOC, oder CSB), Ammoniak, Nitrit und
Nitrat im Becken bestimmt. Außerdem ist stets eine pH-Kontrolle aktiv. Diese Daten werden
gespeichert und stehen so für weitere Auswertungen, für die Dokumentation und für die oben
erwähnten Programme (I) bis (III) zur Verfügung.
Entscheidend für das erfindungsgemäße Verfahren ist, daß
- a) mit Hilfe eines Programms (I) aus aktuellen Daten der oben genannten Meßgrößen on-line ein aktueller Parametersatz für die Substratabbaurate der Mikroorganismen bestimmt wird,
- b) mit Hilfe eines Programms (II) aus Daten dieser Meßgrößen, die über einen längeren Zeit raum der Vergangenheit gesammelt wurden, ein Parametersatz zur Beschreibung der durch schnittlichen Substratabbaurate der Mikroorganismen bestimmt wird,
- c) mit Hilfe eines Programms (III) aus nach b) bestimmten Parametern, den aktuellen Werten der auf der Abwasserbehandlungsanlage eingestellten Mengenströme und der Konzentratio nen von Kohlenstoff und Stickstoff im Zulauf deterministisch diejenige Substratabbaurate der Mikroorganismen bestimmt wird, die für ungestörte Mikroorganismen charakteristisch ist (Leitlinie des ungestörten Abbaus),
wobei die Programme (I) und (III) im wesentlichen die gleichen Ablaufwerte bei gleichen
Abbauraten ergeben, wenn das Substrat weder hemmend noch aktivierend auf die Mikroor
ganismen wirkt, während im Falle der Vergiftung oder Aktivierung der Mikroorganismen sich
signifikant unterschiedliche Substratabbauraten ergeben, und die Differenz der mit Hilfe der
Programme (I) und (III) ermittelten Werte zur Regelung der Stellgrößen der Anlage dienen.
Dabei ist es unerheblich, ob die Stellgrößen manuell durch einen Anlagenbediener oder auto
matisiert eingestellt werden.
In den Programmen (I) bis (III) werden zweckmäßigerweise mathematische Modelle ver
wendet, die die Raten des Abbaus von Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen beschreiben,
wobei in den mathematischen Modellen die Änderungen der Substratabbauraten durch Ände
rungen der spezifischen Wachstumsraten der Organismen, ihr Ertrags- oder Umsatzverhalten
oder durch mit diesen gekoppelte Größen, z. B. die ATP-Konzentration, charakterisiert
werden.
Bevorzugt wird der Abbau der Kohlenstoffverbindungen durch die Wirkung einer einzigen
Mikroorganismenkonzentration und einer einzigen Substratkonzentration modelliert, dagegen
wird der Stickstoffabbau modelliert durch die drei Abbauschritte, [1] Ammoniak zu Salpe
triger Säure, [2] von Salpetriger Säure zu Salpetersäure und [3] von Salpetersäure zu Stick
stoffgas, wobei die ersten beiden Schritte [1] und [2] jeweils von einer eigenen Mikroorga
nismenart, der letzte Schritt [3] von den kohlenstoffabbauenden Organismen unter Sauer
stoffausschluß durchgeführt wird.
Im Programm (I), welches teilweise oder ausschließlich modellgestützte on-line - Meß
verfahren zur Bestimmung der Rate des Substratverbrauchs durch die Mikroorganismen
umfaßt, wird bevorzugt ein Kalmanfilter oder ein Luenbergerbeobachter verwendet.
Im Programm (III) wird die Abbauleistung der Organismen deterministisch an die im Abwasser
herrschende Temperatur angepaßt.
Sind die Organismen nicht gestört, so stimmen die von Programm (III) und (I) errechneten
Parametersätze überein. In diesem Fall kann ohne weiteres ein für den Betrieb der Anlage
wirtschaftlich besonders günstiger Zustand eingestellt werden. Stimmen die beiden Parame
tersätze nicht überein, so wird die Prozeßführung vor allem darauf gerichtet, die Ablaufqua
lität nicht zu gefährden. Insbesondere bietet es sich an, die Belastung der Anlage zurückzu
nehmen und die Schlammkonzentration zu erhöhen. Diese Maßnahmen können wiederum so
durchgeführt werden, daß die Betriebskosten der Anlage möglichst günstig bleiben. Auch
solche Regelstrategien lassen sich automatisieren. So kann ein weiteres Programm (IV) z. B.
einen ungestörten Betriebszustand aufgrund der Gleichheit der Ergebnisse von Programm (I)
und (III) erkennen und dann automatisch eine gewünschte kostengünstige Prozeßführung ein
stellen, oder ein weiteres Programm (V) kann z. B. einen gestörten Betriebszustand erkennen
und den Prozeß so führen, daß die Ablaufkonzentrationen vorgegebene Grenzwerte nicht
überschreiten. Um die Erfahrungen des Anlagenfahrers mit zu berücksichtigen, können die
Programme (IV) und (V) auch heuristische Regeln beinhalten oder Expertensysteme oder
Fuzzy-Algorithmen benutzen.
Zur Veranschaulichung der Struktur des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Fig. 2 das
vereinfachte Blockschaltbild der modellgestützten Prozeßführung einer biologischen Ab
wasserbehandlungsanlage gezeigt. Unterschieden wird zwischen der Welt der realen Anlage
und der Modellwelt der Programme (I) und (III). Der realen Anlage werden als Eingangs
größen die Zulaufvolumenströme und die Zulaufkonzentrationen aufgegeben. In der Anlage
werden als Meßgrößen bestimmt die Temperatur, die Sauerstoffkonzentration, die Konzentra
tionen von Kohlenstoff und Stickstoff, das Niveau im Pufferbehälter und die Begasungs
menge, der Feststoffgehalt (Schlamm), Kohlenstoff (als TOC oder CSB), Ammoniak, Nitrit
und Nitrat. Außerdem ist stets eine pH-Kontrolle aktiv. Ausgangsgrößen sind die Volumen
ströme und die Konzentrationen am Auslaß der Anlage. Die Eingangsgrößen der Anlage wer
den online den Programmen (I) und (III) der Modellwelt zugeführt. Bestehen Abweichungen
zwischen den von Programm (I) errechneten und den auf der Anlage gemessenen Ausgangs
größen, so korrigiert Programm (I) charakteristische, die Aktivität der Organismen charakteri
sierende Modellparameter so lange, bis die Abweichungen verschwinden. Diese Modellpara
meter bleiben in Programm (III) unverändert. Stimmen diese Modellparameter in den Pro
grammen (I) und (III) überein, so ist der Prozeß ungestört. Aus der Größe des Abstands und
der Geschwindigkeit, mit der sich dieser entwickelt, kann im anderen Fall auf die Heftigkeit
oder das Ausmaß einer Störung geschlossen werden.
Das vorliegende Beispiel beschreibt die ausgeführte Installation dieses Verfahrens
auf einer industriellen Abwasserbehandlungsanlage (Fig. 3), in der gemäß dem be
kannten Verfahren der vorgeschalteten Denitrifikation praktisch vollständige Stick
stoffentfernung möglich ist. Ein Pufferbehälter (1), der groß genug ist, um die Ab
wassermenge mehrerer Verweilzeiten des größten Belebungsbeckens aufnehmen
zu können, ist mit einem ersten belüfteten Belebungsbecken (2b) über eine sog. an
oxe Zone (2a) verbunden. Dies ist ein unbelüfteter Bereich eines Beckens oder ein
unbelüftetes Becken. Dem ersten belüfteten Becken (2b) ist ein zweites Becken (2c)
nachgeschaltet, das ebenfalls belüftet wird. Im nachfolgenden Abscheider (3) wird
der Schlamm vom gereinigten Abwasser getrennt. Das gereinigte Abwasser (26)
wird - gegebenenfalls über weitere, für die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung
nicht relevante Behandlungsstufen - in einen Vorfluter geleitet. Ein Teil des
Schlamms wird über die Rücklaufleitung (4) wieder in die Anlage zurückgegeben,
der Rest wird über die Überschußschlammleitung (25) einer Entsorgung zugeführt.
In Leitung (27) wird NO₃-haltiges Abwasser von den Becken (2b) und (2c) zur
anoxen Zone (2a) geführt.
Diese Anlage ist mit folgenden Meßeinrichtungen ausgestattet:
Im Pufferbehälter (1) befindet sich eine Einrichtung zur Messung (5) des Füllgrads. Im Ablauf (7) des Pufferbehälters (1), in der Schlamm-Rücklaufleitung (4) und in der Überschußschlammleitung (25) sind Geräte zur On-Line-Messung des Mengendurchsatzes (9, 20, 23) angebracht. In der Zuluftleitung (17) befindet sich eine Mengenmessung (15) für die Begasungsluft. Jedes belüftete Becken (2b, 2c) ist mit einer Einrichtung zur On-Line-Messung des im Abwasser gelösten Sauerstoffs (12a, 12b) und des pH-Wertes ausgestattet. Es besteht die Möglichkeit, zur Bestimmung der Schlammkonzentration in den Becken oder am Ablauf (18) des Beckens (2c) und im Rücklauf (4) intermittierend Proben (19, 21) zu ziehen. Des weiteren stehen Vorrichtungen (10, 19) zur Verfügung zur Messung der Konzentra tion an zu entfernenden Kohlen- und Stickstoffbestandteilen im Zulauf (7) und im Ablauf (18) der Anlage, gegebenenfalls auch in den einzelnen Becken selbst.
Im Pufferbehälter (1) befindet sich eine Einrichtung zur Messung (5) des Füllgrads. Im Ablauf (7) des Pufferbehälters (1), in der Schlamm-Rücklaufleitung (4) und in der Überschußschlammleitung (25) sind Geräte zur On-Line-Messung des Mengendurchsatzes (9, 20, 23) angebracht. In der Zuluftleitung (17) befindet sich eine Mengenmessung (15) für die Begasungsluft. Jedes belüftete Becken (2b, 2c) ist mit einer Einrichtung zur On-Line-Messung des im Abwasser gelösten Sauerstoffs (12a, 12b) und des pH-Wertes ausgestattet. Es besteht die Möglichkeit, zur Bestimmung der Schlammkonzentration in den Becken oder am Ablauf (18) des Beckens (2c) und im Rücklauf (4) intermittierend Proben (19, 21) zu ziehen. Des weiteren stehen Vorrichtungen (10, 19) zur Verfügung zur Messung der Konzentra tion an zu entfernenden Kohlen- und Stickstoffbestandteilen im Zulauf (7) und im Ablauf (18) der Anlage, gegebenenfalls auch in den einzelnen Becken selbst.
Die Anlage ist ferner ausgestattet mit Einrichtungen zum Einstellen des Zulaufstroms
(8), des Rücklaufstroms (22) sowie der Menge (15) der den Becken zuzuführenden
Begasungsluft (6a, 6b).
Zur Prozeßführung ist die Anlage ausgerüstet mit einem System zur automatischen Erfassung
der Meßwerte und zum Bedienen der Stellelemente, vorzugsweise einer sog. speicherpro
grammierbaren Steuerung (SPS) oder einem Prozeßleitsystem, und einem System zur Spei
cherung der Meßwerte, vorzugsweise einer elektronischen Datenbank.
Auf dieser Anlage sind die drei Programme (I), (II) und (III) auf Rechnern installiert. Pro
gramm (I) entspricht einem Kalmanfilter, Programm (II) einem Optimierungsprogramm, mit
dessen Hilfe der statistisch beste Parametersatz über einen längeren, vergangenen Zeitraum
bestimmt wird, und Programm (III) einem üblichen numerischen Programm zum Lösen für
Differentialgleichungen. Die Substratabbaurate der Organismen entspricht in diesem Beispiel
konkret der Zuwachsgeschwindigkeit der Mikroorganismen in Folge des Substratabbaus; un
sere Erfahrung hat gezeigt, daß etwa der Zuwachs der Mikroorganismenmasse in Folge des
Substratabbaus, der sog. Ertragskoeffizient, keine brauchbaren Resultate zur Kennzeichnung
der Abbauaktivität lieferten. Dies ist aber eine spezielle, hier mitgeteilte Erfahrung für das
vorliegenden Beispiel und bedeutet keinesfalls, daß nicht auch andere Größen zur Charakteri
sierung der Abbauaktivität in Frage kommen können, die auf genau die gleiche Weise über
modellgestützte Meßverfahren identifizierbar sind.
Prinzipielle Ergebnisse zeigen die Fig. 4 bis 6. In Fig. 4 sind die Substratabbauraten der
verschiedenen Mikroorganismenarten aufgetragen, die von Programm (I) mit Hilfe der Meß
werte während eines Zeitraums von 41 Wochen errechnet wurden. Zunächst erkennt man die
für die aerobe Abwasserreinigung typische starke Schwankung der Abbauraten, von denen
nach dieser Methode allein nicht gesagt werden kann, ob sie Folge von Störungen oder von
unkritischen Schwankungen der Zulaufmengen oder -konzentrationen sind. Fig. 5 zeigt die
Abbauraten, die das Programm (III) aus kinetischen Parametern der Vergangenheit (berechnet
von Programm II) und den aktuellen Zulaufwerten erzeugt. Fig. 6 zeigt nun die Differenz der
Ergebnisse beider Programme. Ist die Differenz klein, so sind die beobachteten Schwan
kungen von den Zulaufmengen verursacht worden, und die Prozeßführung ist mit Hilfe der
vorhandenen Stellgrößen optimierbar. Dort, wo in Fig. 6 Abweichungen auftreten, herrschen
physiologische Einflüsse auf die Stoffwechselaktivität der Organismen vor. Ein wichtiges
Ereignis war offenbar nach Woche 21 eingetreten, wo eine bestimmte Substanz eingeleitet
wurde, die sich hemmend auf jene Organismen auswirkte, die Ammoniak in Nitrit umwan
deln. Nachdem diese Substanz nicht mehr eingeleitet wurde, erholten sich die Organismen
wieder. Interessant ist auch, daß die kohlenstoffabbauenden Organismen praktisch unbeein
flußt von dieser Substanz blieben und über den gesamten Zeitraum offenbar ihre Aktivität
stetig erhöhten.
/1/ W. Verstraete, "Aerobic Activated Sludge", Handbook of Biotechnology, Laboratory of
Microbial Ecology, State University Gent, Belgium; E.van Vaerenbergh U.C.B. (Union
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/6/ W.Guyer, Ein Dynamisches Modell für die Simulation von komplexen Belebtschlamm verfahren, Habilitationsschrift, W.Guyer, 1985, Institut für Gewässerschutz und Wassertech nologie, IGW, Eidgenössische technische Hochschule, Zürich, Eidgenössische Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz, Dübendorf EAWAG
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/11/ M. Köhne, K. Hoen, G. Seibert, Regelung der Schlammrückführung - Neue Strategien entwickeln, Chemische Industrie 9/90, S. 25-30
/12/ John C.Kabouris, Aris P.Georgakakos, Antonio Camara, Optimal Control of the Activa ted Sludge Process: Effect of Sludge Storage, Wat. Res. Vol.26, No.4 pp.507-517, 1992
/13/ R.M.Tong, M.B.Beck, A.Latten, Fuzzy Control of the Actvated Sludge Wastewater Treatment Process, Automatica, Vol. 16 pp 659-701
/14/ Stefano Marsili-Libelli, Modelling, Identifikation and Control of the Activated Sludge Process, Advances in Biochemical Engineering / Biotechnology Vol. 38 pp. 89-148
/15/ O. Foellinger, Regelungstechnik, 5.Auflage, 1985, Dr.Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg
/16/ M. Zeitz, The extended Luenberger observer for nonlinear systems, System and Control Letters 9 (1987)
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Claims (13)
1. Verfahren zur Führung einer biologischen aeroben Abwasserbe
handlungsanlage, welches sich an der Substratabbaurate der Mi
kroorganismen orientiert, wobei die Abwasserbehandlungsanlage
mindestens aus
einem Pufferbehälter (1), einem Belebungsbecken (2) und einem Abscheider (3) besteht, wobei die Behälter (1), (2) und (3) miteinander über Leitungen verbunden sind und vom Abscheider (3) in einer Schlammrücklaufleitung (4) Schlamm zum Belebungs becken (2) zurückgeführt wird,
der Pufferbehälter (1) eine Füllstandsanzeige (5) besitzt, am Ausfluß (7) des Pufferbehälters (1) zum Belebungsbecken (2) eine Durchflußmessung (9) und eine Möglichkeit (10), die Kon zentration an Kohlenstoffverbindungen und an Stickstoff zu mes sen, angebracht ist, die Leitung am Ausfluß (7) ein Stellele ment (8) besitzt, mit dem die Menge des in das Belebungsbecken (2) fließenden Abwassers kontrolliert werden kann,
im Belebungsbecken (2) Einrichtungen zum Messen der Temperatur (11) und der Konzentration an im Abwasser gelöstem Sauerstoff (12), eine Einrichtung zum Messen und zur Kontrolle des pH- Werts (13) sowie zur Bestimmung der organischen Trockensubstanz (14) angebracht sind, in der Zuluftleitung (17) zum Bele bungsbecken (2) eine Vorrichtung zur Messung (15) und Kontrolle (6) der Zuluftmenge angebracht ist, die Zulaufleitung (18) des Abscheiders (3) eine Möglichkeit (19) zur Bestimmung der Kon zentration von Kohlenstoffverbindungen und von Stickstoff auf weist, in der Schlammrücklaufleitung (4) sich eine Einrichtung zur Messung der durch die Leitung fließenden Menge (20) sowie der Konzentration an organischer Trockensubstanz (21) sowie ein Stellelement (22) zur Kontrolle des Mengenstroms befindet und in der Leitung (25) zur Abführung des Überschußschlamms sich eine Einrichtung zur Messung der durch die Leitung fließenden Menge (23) und ein Stellelement (24) zur Kontrolle des Mengen stroms befindet,
wobei, falls die Ablaufleitung (26) des Abscheiders eine Ein richtung zur Messung der durch die Leitung fließenden Menge sowie der Konzentration an organischer Trockensubstanz und ein Stellelement zur Kontrolle des Mengenstroms aufweist, sich die entsprechenden Einrichtungen entweder in der Rücklaufleitung (4) oder in der Überschußschlammleitung (25) einsparen lassen,
und wobei alle erwähnten Einrichtungen zur Messung und zum Stellen mit einem System verbunden sind, das die Meßdaten auf nehmen, verarbeiten und Kontrollbefehle aussenden kann und dieses System wiederum verbunden ist mit einem weiteren System, auf dem drei modellgestützte Programme (I) bis (III) ablaufen, dadurch gekennzeichnet, daß
einem Pufferbehälter (1), einem Belebungsbecken (2) und einem Abscheider (3) besteht, wobei die Behälter (1), (2) und (3) miteinander über Leitungen verbunden sind und vom Abscheider (3) in einer Schlammrücklaufleitung (4) Schlamm zum Belebungs becken (2) zurückgeführt wird,
der Pufferbehälter (1) eine Füllstandsanzeige (5) besitzt, am Ausfluß (7) des Pufferbehälters (1) zum Belebungsbecken (2) eine Durchflußmessung (9) und eine Möglichkeit (10), die Kon zentration an Kohlenstoffverbindungen und an Stickstoff zu mes sen, angebracht ist, die Leitung am Ausfluß (7) ein Stellele ment (8) besitzt, mit dem die Menge des in das Belebungsbecken (2) fließenden Abwassers kontrolliert werden kann,
im Belebungsbecken (2) Einrichtungen zum Messen der Temperatur (11) und der Konzentration an im Abwasser gelöstem Sauerstoff (12), eine Einrichtung zum Messen und zur Kontrolle des pH- Werts (13) sowie zur Bestimmung der organischen Trockensubstanz (14) angebracht sind, in der Zuluftleitung (17) zum Bele bungsbecken (2) eine Vorrichtung zur Messung (15) und Kontrolle (6) der Zuluftmenge angebracht ist, die Zulaufleitung (18) des Abscheiders (3) eine Möglichkeit (19) zur Bestimmung der Kon zentration von Kohlenstoffverbindungen und von Stickstoff auf weist, in der Schlammrücklaufleitung (4) sich eine Einrichtung zur Messung der durch die Leitung fließenden Menge (20) sowie der Konzentration an organischer Trockensubstanz (21) sowie ein Stellelement (22) zur Kontrolle des Mengenstroms befindet und in der Leitung (25) zur Abführung des Überschußschlamms sich eine Einrichtung zur Messung der durch die Leitung fließenden Menge (23) und ein Stellelement (24) zur Kontrolle des Mengen stroms befindet,
wobei, falls die Ablaufleitung (26) des Abscheiders eine Ein richtung zur Messung der durch die Leitung fließenden Menge sowie der Konzentration an organischer Trockensubstanz und ein Stellelement zur Kontrolle des Mengenstroms aufweist, sich die entsprechenden Einrichtungen entweder in der Rücklaufleitung (4) oder in der Überschußschlammleitung (25) einsparen lassen,
und wobei alle erwähnten Einrichtungen zur Messung und zum Stellen mit einem System verbunden sind, das die Meßdaten auf nehmen, verarbeiten und Kontrollbefehle aussenden kann und dieses System wiederum verbunden ist mit einem weiteren System, auf dem drei modellgestützte Programme (I) bis (III) ablaufen, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) mit Hilfe eines Programms (I) aus aktuellen Daten von Meß größen on-line ein aktueller Parametersatz für die Substratab baurate der Mikroorganismen bestimmt wird,
- b) mit Hilfe eines Programms (II) aus Daten von Meßgrößen, die über einen längeren Zeitraum der Vergangenheit gesammelt wur den, ein Parametersatz zur Beschreibung der durchschnittlichen Substratabbaurate der Mikroorganismen bestimmt wird,
- c) mit Hilfe eines Programms (III) aus den nach b) bestimmten Parametern und den aktuellen Werten der auf der Abwasserbehand lungsanlage eingestellten Mengenströme und der Konzentrationen von Kohlenstoff und Stickstoff im Zulauf deterministisch diejenige Substratabbaurate der Mikroorganismen bestimmt wird, die für ungestörte Mikroorganismen charakteristisch ist, wobei die Programme (I) und (III) im wesentlichen die gleichen Ablaufwerte bei gleichen Abbauraten ergeben, wenn das Substrat weder hemmend noch aktivierend auf die Mikroorganismen wirkt, während im Falle der Vergiftung oder Aktivierung der Mikroor ganismen sich unterschiedliche Substratabbauraten ergeben, und die Differenz der mit Hilfe der Programme (I) und (III) ermit telten Werte zur Regelung der Stellgrößen der Anlage dienen.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß min
destens eine der folgenden Meßgrößen verwendet wird:
die Sauerstoffkonzentration im Becken, die Zulauf- und Ablauf mengen, die Konzentrationen von Kohlenstoff und Stickstoff im Zulauf, das Niveau im Pufferbehälter, die Begasungsmenge, der Feststoffgehalt, der Gehalt an Kohlenstoff, Ammoniak, Nitrit und Nitrat sowie der pH-Wert im Becken.
die Sauerstoffkonzentration im Becken, die Zulauf- und Ablauf mengen, die Konzentrationen von Kohlenstoff und Stickstoff im Zulauf, das Niveau im Pufferbehälter, die Begasungsmenge, der Feststoffgehalt, der Gehalt an Kohlenstoff, Ammoniak, Nitrit und Nitrat sowie der pH-Wert im Becken.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in
den Programmen (I) bis (III) mathematische Modelle verwendet
werden, die die Raten des Abbaus von Kohlenstoffverbindungen
und Stickstoffverbindungen beschreiben.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in
den mathematischen Modellen die Änderungen der Substratabbau
raten durch Änderungen der spezifischen Wachstumsraten der
Organismen, ihr Ertragsverhalten oder mit diesen gekoppelte
Größen charakterisiert werden.
5. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Abbau der Kohlenstoffverbindungen durch die Wirkung einer ein
zigen Mikroorganismenkonzentration und einer einzigen Sub
stratkonzentration modelliert wird und der Stickstoffabbau
modelliert wird durch die drei Abbauschritte [1] Ammoniak zu
Salpetriger Säure, [2] von Salpetriger Säure zu Salpetersäure
und [3] von Salpetersäure zu Stickstoffgas, wobei die ersten
beiden Schritte [1] und [2] jeweils von einer eigenen Mikroor
ganismenart, der letzte Schritt [3] von den kohlenstoffabbau
enden Organismen unter Sauerstoffausschluß durchgeführt wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Programm (I) teilweise oder ausschließlich modellgestützte on
line-Meßverfahren zur Bestimmung der Rate des Substratver
brauchs durch die Mikroorganismen umfaßt.
7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in
Programm (I) ein Kalmanfilter oder ein Luenbergerbeobachter
verwendet wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Abbauleistung der Organismen in Programm (III) deterministisch
an die im Abwasser herrschende Temperatur angepaßt wird.
9. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein
weiteres Programm (IV) einen ungestörten Betriebszustand auf
Grund der Gleichheit der Ergebnisse von Programm (I) und (III)
erkennt und automatisch eine gewünschte Prozeßführung ein
stellt.
10. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein
weiteres Programm (V) einen gestörten Betriebszustand erkennt
und den Prozeß so führt, daß die Ablaufkonzentrationen vorge
gebene Grenzwerte nicht überschreiten.
11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Programme (IV) oder/und (V)
heuristische Regeln beeinhalten, Expertensysteme oder Fuzzy-
Algorithmen benutzen.
12. Biologisch aerobe Abwasserbehandlungsanlage, bestehend min
destens aus
einem Pufferbehälter (1), einem Belebungsbecken (2) und einem Abscheider (3), wobei
die Behälter (1), (2) und (3) miteinander über Leitungen ver bunden sind und vom Abscheider (3) in einer Schlammrücklauflei tung (4) Schlamm zum Belebungsbecken (2) zurückgeführt wird,
der Pufferbehälter (1) eine Füllstandsanzeige (5) besitzt, am Ausfluß (7) des Pufferbehälters (1) zum Belebungsbecken (2) eine Durchflußmessung (9) und eine Möglichkeit (10), die Kon zentration an Kohlenstoffverbindungen und an Stickstoff zu mes sen, angebracht ist, die Leitung am Ausfluß (7) ein Stellele ment (8) besitzt, mit dem die Menge des in das Belebungsbecken (2) fließenden Abwassers kontrolliert werden kann,
im Belebungsbecken (2) Einrichtungen zum Messen der Temperatur (11) und der Konzentration an im Abwasser gelöstem Sauerstoff (12), eine Einrichtung zum Messen und zur Kontrolle des pH- Werts (13) sowie zur Bestimmung der organischen Trockensubstanz (14) angebracht sind, in der Zuluftleitung (17) zum Bele bungsbecken (2) eine Vorrichtung zur Messung (15) und Kontrolle (6) der Zuluftmenge angebracht ist, die Zulaufleitung (18) des Abscheiders (3) eine Möglichkeit (19) zur Bestimmung der Kon zentration von Kohlenstoffverbindungen und von Stickstoff auf weist, in der Schlammrücklaufleitung (4) sich eine Einrichtung zur Messung der durch die Leitung fließenden Menge (20) sowie der Konzentration an organischer Trockensubstanz (21) sowie ein Stellelement (22) zur Kontrolle des Mengenstroms befindet und in der Leitung (25) zur Abführung des Überschußschlamms sich eine Einrichtung zur Messung der durch die Leitung fließenden Menge (23) und ein Stellelement (24) zur Kontrolle des Mengenstroms befindet,
wobei, falls die Ablaufleitung (26) des Abscheiders eine Ein richtung zur Messung der durch die Leitung fließenden Menge sowie der Konzentration an organischer Trockensubstanz und ein Stellelement zur Kontrolle des Mengenstroms aufweist, sich die entsprechenden Einrichtungen entweder in der Rücklaufleitung (4) oder in der Überschußschlammleitung (25) einsparen lassen,
und wobei alle erwähnten Einrichtungen zur Messung und zum Stellen mit einem System verbunden sind, das die Meßdaten auf nehmen, verarbeiten und Kontrollbefehle aussenden kann,
dadurch gekennzeichnet, daß dieses System wiederum verbunden ist mit einem weiteren System, auf dem die drei folgenden mo dellgestützte Programme (I) bis (III) ablaufen:
einem Pufferbehälter (1), einem Belebungsbecken (2) und einem Abscheider (3), wobei
die Behälter (1), (2) und (3) miteinander über Leitungen ver bunden sind und vom Abscheider (3) in einer Schlammrücklauflei tung (4) Schlamm zum Belebungsbecken (2) zurückgeführt wird,
der Pufferbehälter (1) eine Füllstandsanzeige (5) besitzt, am Ausfluß (7) des Pufferbehälters (1) zum Belebungsbecken (2) eine Durchflußmessung (9) und eine Möglichkeit (10), die Kon zentration an Kohlenstoffverbindungen und an Stickstoff zu mes sen, angebracht ist, die Leitung am Ausfluß (7) ein Stellele ment (8) besitzt, mit dem die Menge des in das Belebungsbecken (2) fließenden Abwassers kontrolliert werden kann,
im Belebungsbecken (2) Einrichtungen zum Messen der Temperatur (11) und der Konzentration an im Abwasser gelöstem Sauerstoff (12), eine Einrichtung zum Messen und zur Kontrolle des pH- Werts (13) sowie zur Bestimmung der organischen Trockensubstanz (14) angebracht sind, in der Zuluftleitung (17) zum Bele bungsbecken (2) eine Vorrichtung zur Messung (15) und Kontrolle (6) der Zuluftmenge angebracht ist, die Zulaufleitung (18) des Abscheiders (3) eine Möglichkeit (19) zur Bestimmung der Kon zentration von Kohlenstoffverbindungen und von Stickstoff auf weist, in der Schlammrücklaufleitung (4) sich eine Einrichtung zur Messung der durch die Leitung fließenden Menge (20) sowie der Konzentration an organischer Trockensubstanz (21) sowie ein Stellelement (22) zur Kontrolle des Mengenstroms befindet und in der Leitung (25) zur Abführung des Überschußschlamms sich eine Einrichtung zur Messung der durch die Leitung fließenden Menge (23) und ein Stellelement (24) zur Kontrolle des Mengenstroms befindet,
wobei, falls die Ablaufleitung (26) des Abscheiders eine Ein richtung zur Messung der durch die Leitung fließenden Menge sowie der Konzentration an organischer Trockensubstanz und ein Stellelement zur Kontrolle des Mengenstroms aufweist, sich die entsprechenden Einrichtungen entweder in der Rücklaufleitung (4) oder in der Überschußschlammleitung (25) einsparen lassen,
und wobei alle erwähnten Einrichtungen zur Messung und zum Stellen mit einem System verbunden sind, das die Meßdaten auf nehmen, verarbeiten und Kontrollbefehle aussenden kann,
dadurch gekennzeichnet, daß dieses System wiederum verbunden ist mit einem weiteren System, auf dem die drei folgenden mo dellgestützte Programme (I) bis (III) ablaufen:
- a) ein Programm (I), mit dem on-line die Substratabbaurate der Mikroorganismen aus den zur Verfügung stehenden Messungen be stimmt werden kann,
- b) ein Programm (II), das aus Meßwerten, die über einen länge ren Zeitraum der Vergangenheit gesammelt wurden, diejenigen Parameter zur Berechnung der Substratabbaurate bestimmt, bei denen über diesen Zeitraum die mittlere Abweichung von Meß- und Rechenwerten minimal ist, und
- c) ein Programm (III), das mit den aus b) ermittelten Parame tern, den aktuellen Werten der auf der Anlage eingestellten Mengenströme sowie der Zulaufkonzentrationen den Abbau für ungestörte Organismen simuliert.
13. Abwasserbehandlungsanlage gemäß Anspruch 12, dadurch ge
kennzeichnet, daß es sich bei dem ersten System um ein Prozeß
leitsystem, eine speicherprogrammierbare Steuerung oder einen
Prozeßrechner handelt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944415602 DE4415602C2 (de) | 1994-05-04 | 1994-05-04 | Prozeßführung der aeroben Abwasserbehandlung mit Hilfe eines Verfahrens und einer Anlage, die eine an der Substratabbaurate der Organismen ausgerichtete Steuerung/Regelung ermöglicht |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944415602 DE4415602C2 (de) | 1994-05-04 | 1994-05-04 | Prozeßführung der aeroben Abwasserbehandlung mit Hilfe eines Verfahrens und einer Anlage, die eine an der Substratabbaurate der Organismen ausgerichtete Steuerung/Regelung ermöglicht |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4415602A1 DE4415602A1 (de) | 1995-11-09 |
DE4415602C2 true DE4415602C2 (de) | 1998-01-22 |
Family
ID=6517191
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19944415602 Expired - Fee Related DE4415602C2 (de) | 1994-05-04 | 1994-05-04 | Prozeßführung der aeroben Abwasserbehandlung mit Hilfe eines Verfahrens und einer Anlage, die eine an der Substratabbaurate der Organismen ausgerichtete Steuerung/Regelung ermöglicht |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE4415602C2 (de) |
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1994
- 1994-05-04 DE DE19944415602 patent/DE4415602C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
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DE4415602A1 (de) | 1995-11-09 |
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