Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Zur optimalen Steuerung mehrstufiger Prozesse zur Reinigung hochgradig N-belasteter Abw\u00e4sser unter Zugabe methanolbeladener Industrieabw\u00e4sser wurde ein geeignetes Prozessf\u00fchrungs- und Monitoringsystem sowie entsprechende Beladungsstrategien der Anlage entwickelt. Ziel des Projekts war es, robuste Prozessf\u00fchrungswerkzeuge und stabile Fahrweisen der st\u00f6rempfindlichen Anlage zu entwickeln und damit eine entscheidende Kostenreduzierung gegen\u00fcber bisherigen Denitrifikationsstrategien (Zugabe von Acetat) zu erzielen.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Untersuchungen wurden an einem Scale-Down-Modell einer bestehenden Pilotanlage durchgef\u00fchrt. Hierzu wurde eine zweistufige hochinstrumentierte Nitrifikations-\/Denitrifikationsanlage aufgebaut, um eine Online-Beobachtung aller prozessrelevanten Komponenten in den Fl\u00fcssig- und Gasphasen zu erm\u00f6glichen. Die Forschungsanlage er\u00f6ffnet weite Bereiche bioverfahrenstechnischer Forschungsm\u00f6glichkeiten. Neben der entsprechenden Abgasanalytik f\u00fcr O2, CO2 und NOx-Komponenten wurden Flie\u00dfanalysensysteme zur Detektion von Ammonium, Nitrit, Nitrat und Methanol eingesetzt. Als Online-Analysatoren zur Bestimmung der Schadstoffe Ammonium, Nitrit und Methanol in den fl\u00fcssigen Phasen der Reaktoren wurden die Systeme TAS 2000\u00ae und ProcessTRACE-Methanol\u00ae der TRACE Biotech AG aus Braunschweig sowie APP der Fa. ME Grisard, Trappenkamp, eingesetzt. Diese Ger\u00e4te wurden ebenso in das CAN-Konzept eingebunden wie die verwendete Abgasanalytik und deren Kalibrierstation. Das gew\u00e4hlte Automatiserungskonzept basierte auf einer dezentral verteilten MSR-Technik. Die Kopplung der einzelnen Komponenten erfolgt dabei \u00fcber den echtzeitf\u00e4higen CAN – Controller Area Network – Feldbus. Die eingesetzten I\/O-Rechner (CAN-Knoten) beschr\u00e4nken sich je nach Anforderung auf einfache analoge oder digitale Input-Output-Operationen oder sie sind als intelligente Frontend-Rechner mit einem Echtzeitbetriebssystem frei programmierbar.
\nDie eingesetzte Online-Analysentechnik erm\u00f6glichte eine weitgehend vollst\u00e4ndige Prozessbeobachtung und damit auch Prozesssteuerung. Sie diente dar\u00fcber hinaus als Basis zur Ermittlung relevanter Daten f\u00fcr eine umfassende Prozessmodellierung. Daraus wurden modellgest\u00fctzte Prozessf\u00fchrungsstrategien entwickelt, die ein St\u00f6rszenario erkennen und entsprechende \u00c4nderungen der Beladung der Anlage vornehmen.
\nDas Kernst\u00fcck der Prozessautomatisierung bildete das eingesetzte Prozessleitsystem UBICON\u00ae der Fa. esd – electronic system design aus Hannover. UBICON\u00ae bietet seinen Nutzern alle notwendigen Werkzeuge einer frei konfigurierbaren Automatisierungs- und Datenerfassungssoftware. Ein weiteres Automatisierungswerkzeug von UBICON\u00ae bildet der integrierte Simulator BIOSIM, mit dem in Anbindung an die UBICON\u00ae – Datenstruktur die Umsetzung der theoretischen Untersuchungen erfolgte. Dabei wurden zun\u00e4chst Prozessf\u00fchrungsstrategien an einem virtuellen Prozess (apparent processing) entwickelt. Die-ser basiert auf einem mathematischen Modell der relevanten Anlagenvariablen. Beide Reaktionssysteme waren \u00fcber ein Cross flow-Filtrationsmodul hydraulisch gekoppelt und somit mikrobiologisch entkoppelt. Damit war eine genaue Studie des Reaktionsverhaltens experimentell gegeben.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Das hier gef\u00f6rderte Projekt zeigt beispielhaft den Einsatz moderner automatisierungstechnischer und bioverfahrenstechnischer Methoden und des damit zu erzielenden Optimierungspotenzials in der Abwassertechnik.
\nBei der Reinigung hoch N-belasteter Abw\u00e4sser in einer Nitrifikations-\/Denitrifikationsanlage, in dem der energetisch unsinnige Zwischenschritt einer Nitratation ausgespart wurde, konnte durch eine nachhaltige Verwertung methanolbeladener Prozessabw\u00e4sser eine entscheidende Kostenminderung des zweiten Prozessschrittes erm\u00f6glicht werden.
\nDiese Zielsetzungen wurden voll erf\u00fcllt. Es konnte eine komplexe zweistufige Anlage im unteren Pilotanlagenma\u00dfstab aufgebaut werden, deren Messtechnik, beispielhaft in der bioverfahrenstechnischen Forschung, sechs Substrat- bzw. Produktkomponenten, davon einige mit verschiedenen Messverfahren, online zur Verf\u00fcgung stellte.
\nDer Reaktor zur aeroben Nitritation wurde entweder diskontinuierlich oder kontinuierlich mit der Stickstofffracht beladen, w\u00e4hrend die Zugabe des entstandenen Nitrits und des Methanols in das anaerobe Denitritationssystem ausschlie\u00dflich kontinuierlich erfolgte. Die Abgabe des gereinigten Abwassers wurde ebenfalls aus diesem Reaktor durch eine F\u00fcllstandsregelung realisiert.
\nIm experimentellen Bereich bestand ein Gro\u00dfteil der Arbeit darin, relativ verl\u00e4ssliche Messverfahren \u00fcber die in der Abwassertechnik erforderlichen langen Zeitr\u00e4ume bereit zu stellen.
\nDieses ist nur begrenzt gelungen, da die zu Projektbeginn zur Verf\u00fcgung stehende Labormesstechnik dem rauhen Betriebsalltag nur bedingt gewachsen war. Durch Einbindung eines zus\u00e4tzlichen Partners, der Fa. ME Grisard GmbH, Trappenkamp, konnte eine weitere felderprobte Online-Messtechnik eingesetzt werden, die weniger Probleme bereitete.
\nIm systemtheoretischen Teil der Arbeit konnten sowohl umfangreiche Arbeiten zur Modellbildung und Simulation von Abwasserprozessen durchgef\u00fchrt werden, als auch Vorschl\u00e4ge zur modellgest\u00fctzten Prozesspr\u00e4diktion von Denitrifikationsprozessen gemacht werden.
\nDar\u00fcber hinaus wurden Theorien zur Online-Optimierung kontinuierlicher Prozesse durch eine CLO – closed loop optimization genannte Methode entwickelt und erprobt. Das Problem hoher Abtastzeiten bei der Online-Messung der Substrate und deren Unvereinbarkeit mit PID-Regelungen wurde durch einen MBSC – model based substrate control bezeichneten Algorithmus gel\u00f6st.
\nDie parallele Anwendung beider Methoden, eine CLO-Steuerung von Ammonium in der Nitritationsstufe und von Nitrit in der Denitritationsstufe sowie eine MBSC-Ansteuerung der Methanolzugabe im 2. Schritt f\u00fchrte zu Verfahrensweisen in optimalen Betriebspunkten.
\nDa Nitritation und Denitritation membrangekoppelt waren, bedeutete dies eine vollst\u00e4ndige Ausnutzung des aktuellen NH4+-N-Umsetzungspotenzials von Nitrosomonas europaea in der 1. Stufe und eine optimale Fahrweise nahe am Auswaschpunkt von Paracoccus denitrificans in Stufe 2. Damit war aus systemtheoretischer Sicht eine optimale Ausnutzung des biologischen Prozesses m\u00f6glich und damit durch Verminderung erforderlicher Verweilzeiten eine kostenoptimale Fahrweise erzwungen.
\nDie Untersuchungen zum Einsatz des methanolhaltigen Abwassers aus der chemischen Industrie (Bakelite AG) haben gezeigt, dass diese alternative C-Quelle durchaus geeignet ist, herk\u00f6mmliche C-Quellen in Kl\u00e4ranlagen zu ersetzen. Hinsichtlich der Effizienz gab es im Vergleich zu reinem Methanol keinerlei Unterschiede. Auch im Hinblick auf die Aktivit\u00e4t der Mikroorganismen kam es in den eingestellten Konzentrationsbereichen (um 50 mg l-1 Methanol bei 5000 mg l-1 Zugabe) zu keinerlei Einschr\u00e4nkungen durch die Verunreinigungen, zumal von der zun\u00e4chst ins Auge gefassten R\u00fcckf\u00fchrung der Denitrifikationsstufe in die Nitrifikationsstufe wieder Abstand genommen wurde. Dadurch wurden die in Vorversuchen auftretenden Komplikationen mit den Ammoniakoxidanten vermieden.
\nIm Rahmen der Taskforcegruppe Internet der Verbundforschung wurden weiterhin Prozessf\u00fchrungswerkzeuge zur Prozessbeobachtung und Bedienung \u00fcber das Internet entwickelt. Hierzu wurde ein virtueller Fermenter aufgebaut, der hardwaretechnisch aus der realen Bioreaktorautomatisierungstechnik und einem Prozessleitsystem als Reaktorersatz bestand. Der Online-Simulator stellt dabei das vollst\u00e4ndige Prozessverhalten zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
–\tLuttmann, R. & Gollmer, K. (2000): On-line Simulation Techniques for Bioreactor Control Development. In: K. Sch\u00fcgerl, K.-H. Bellgardt (eds.): Bioreaction Enineering – Modeling and Control, Kap. 6, Springer Verlag.
\n–\tPeuker, T., Lenz, K., Scheffler, U., St\u00fcven, R., Elsholz, O. & Luttmann, R. (2001): Simultane Reinigung hochstickstoff- und methanolbelasteter Abw\u00e4sser in einer hochinstrumentierten Teilstrombehandlungsanlage. In: Erb, R. & Heiden, S. (Hrsg.) (2001): Sensorik, Sonderausgabe BIOSpektrum: 40-42.
\n–\tLuttmann, R. et al. (1999): Exponat und Vortrag auf der HiTech – 2. Hamburger Innovations- und Technologietage, Hamburg.
\n–\tLuttmann, R. et al. (2000): Exponat und Vortrag auf der ACHEMA, Frankfurt\/Main.
\n–\tLuttmann, R., Meyer, F., Lenz, K., Berens, M. & Scheffler, U. (2000): Vortrag auf der Biotechnology 2000 – The World Congress on Biotechnology, Berlin.
\n–\tPeuker, T., St\u00fcven, R., Beifort, P., Berens, M., Scheffler, U. & Luttmann, R. (2001): Vortrag und Full Paper auf der CAB 8 – Computer Applications in Biotechnology 8, Quebec, Kanada.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Zusammenfassend l\u00e4sst sich feststellen, dass eine Hochleistungsbiologie, wie die hier verwendete, im Zusammenspiel mit einer leistungsf\u00e4higen Mess- Steuer- und Regelungstechnik, zu einer effizienten Behandlung hochgradig N-belasteter Abw\u00e4sser mit hoher Abbauleistung f\u00fchrte.
\nEine \u00dcberf\u00fchrung der Methoden auf eine gr\u00f6\u00dfere Pilotanlage an der Kl\u00e4ranlage L\u00fcneburg erwies sich als nicht durchf\u00fchrbar. Zum einen w\u00e4re eine sehr hohe (nicht verf\u00fcgbare) Investitionssumme zur Umr\u00fcs-tung der Steuerungstechnik und damit zur Anwendung der Prozessf\u00fchrungsstrategien erforderlich gewesen, zum anderen hat die KA L\u00fcneburg im letzten Drittel des Forschungsprojektes den Betrieb dieses Gro\u00dfpilotprojektes eingestellt.
\nIm Hinblick auf eine \u00dcberf\u00fchrung in den rauhen Betriebsalltag wurde die Labormesstechnik an der kleinen Pilotanlage bereits durch eine Feldmesstechnik ersetzt und darauf aufbauend robuste Methoden entwickelt.
\nDiese lassen eine Online-Optimierung kontinuierlicher Abwasserprozesse durch automatisches Heranf\u00fchren der Verweilzeiten an die reaktionskinetischen Obergrenzen der beteiligten Mirkoorganismen bei gleichzeitigem Einsatz hochstickstoff- und hochmethanolbelasteter Abw\u00e4sser zu.
\nDamit konnte das Ziel des Projektes, ein vollautomatisches Heranf\u00fchren der Anlage an den kostenoptimalen Arbeitspunkt realisiert werden. Die in diesem Projekt erarbeiteten Methoden wurden im Labor f\u00fcr Bioprozessautomatisierung der Hochschule f\u00fcr Angewandte Wissenschaften Hamburg auch zur F\u00fchrung von Prozessen zur Herstellung rekombinanter Proteine etabliert, so dass das Forschungsprojekt auch \u00fcber die Abwassertechnik hinaus seinen Beitrag zum Fortschritt der klassischen Bioverfahrenstechnik geliefert hat.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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