Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Um die in der Europ\u00e4ischen Wasserrahmenrichtlinie (EU, 2000) vorgegebene Zielsetzung der guten \u00f6kologischen Gew\u00e4sserqualit\u00e4t erreichen zu k\u00f6nnen, ist als Beitrag der Siedlungswasserwirtschaft eine Betriebsoptimierung des gesamten Abwassersystems n\u00f6tig. Ziel des Forschungsvorhabens war die Ent-wicklung eines Regelungskonzeptes, in dem der Kl\u00e4ranlagenzufluss flexibel an die verf\u00fcgbaren Kl\u00e4ran-lagenkapazit\u00e4ten angepasst wird. Somit k\u00f6nnen vorhandene Abwassersysteme sehr effizient genutzt und die Emission in die Gew\u00e4sser verringert werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn dem Forschungsprojekt wurde in der zweiten Phase, nachdem in der ersten Phase eine Durchf\u00fchrung grundlegender Voruntersuchungen erfolgte, Steuerungskonzepte entwickelt und auf der Kl\u00e4ranlage Chemnitz gro\u00dftechnisch erprobt. Folgende Arbeiten wurden im Einzelnen durchgef\u00fchrt:
\n\tKalibrierung und Optimierung des integrierten Modells von Kanalnetz und Kl\u00e4ranlage anhand zus\u00e4tzlicher Messinformationen zur bestm\u00f6glichen Abbildung der realen Prozesse. Das Modell wurde eingesetzt f\u00fcr eine Fallstudie sowie f\u00fcr den Test des entworfenen Fuzzy-Reglers.
\n\tAuswertungen vorliegender Messdaten (Zeitraum 3 Jahre) zur Identifizierung ma\u00dfgebender Belastungsgrenzen der Kl\u00e4ranlage sowie zur Identifizierung von Messgr\u00f6\u00dfen, die die Belastungszust\u00e4nde und die Leistungsf\u00e4higkeit kritischer Prozesse wiedergeben. Diese werden als St\u00f6rgr\u00f6\u00dfen im Regelungskonzept verwendet.
\n\tEntwurf des fuzzybasierten Regelungskonzeptes. Neben den unmittelbar messtechnisch erfassten St\u00f6rgr\u00f6\u00dfen wurden auch einfache kinetische Modelle getestet.
\n\tInstallation und Erprobung des Reglers in der Gro\u00dftechnik.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Modelle HYSTEM-EXTRAN-G\u00dcTE (itwh) und SIMBA (ifak, Magdeburg) wurden anhand von Routi-ne- und Sondermessungen kalibriert und mittels der Regelungssoftware itwh.CONTROL gekoppelt. Die mit dem Gesamtmodell erzielte Modellg\u00fcte ist f\u00fcr den Anwendungsfall, integrierte Fallstudien durchzuf\u00fchren und ein Regelungskonzept simulativ zu testen, hinreichend genau. Vor dem Hintergrund des Reglerentwurfs wurden Belastungsgrenzen und potentielle St\u00f6rgr\u00f6\u00dfen der KA Chemnitz ermittelt. Die Untersuchung der bautechnischen Limitierungen zeigte, dass der Mischwasserzufluss von ca. 11.000 m\u00b3\/h die Obergrenze ist, die hydraulisch aufgenommen werden kann. Messdatenauswertungen eines Messzeitraums von 3 Jahren f\u00fchrten zu detaillierten Erkenntnissen hinsichtlich der einzelnen Reini-gungsprozesse.
\nDas Regelungssystem wurde in der Fuzzy-Logic basierten Software CONTROL (itwh) erstellt. Der dar-in enthaltene Regelinterpreter verarbeitet Informationen \u00fcber Systemzust\u00e4nde aus Messdaten auf der Grundlage einer vorgegebenen Regelbasis und liefert neue Sollwerte f\u00fcr den Zufluss zur Kl\u00e4ranlage.
\nIdeale St\u00f6rgr\u00f6\u00dfen haben einen Prognosehorizont vom Auftreten der Auff\u00e4lligkeit bis zum erh\u00f6hten Wert im Ablauf der Kl\u00e4ranlage, da nur so eine gewisse Zeit mit Handlungsspielraum zur Reduzierung des Zu-flusses zur Verf\u00fcgung steht. Viele verf\u00fcgbare Messdaten in Chemnitz k\u00f6nnen sinnvoll als St\u00f6rgr\u00f6\u00dfen mit und ohne Prognosehorizont in das Konzept eingebunden werden. Zus\u00e4tzlich zum direkten Bezug auf Messdaten wurde die Verwendung von Vorhersagen mittels vereinfachter kinetischer Prozessmodelle hinsichtlich der Stickstoffelimination als St\u00f6rgr\u00f6\u00dfen gepr\u00fcft. Durch die Modellvereinfachungen lie\u00dfen sich die f\u00fcr die zuverl\u00e4ssige Regelung ma\u00dfgebenden Spitzen jedoch nicht zufriedenstellend voraussa-gen, so dass dieser Weg deshalb nicht weiter verfolgt wurde.
\nDas f\u00fcr Chemnitz erstellte Regelungskonzept besteht letztlich aus 38 Regeln. 14 gemessene Eingang- bzw. St\u00f6rgr\u00f6\u00dfen wirken sich dabei auf die Stellgr\u00f6\u00dfe – den Zufluss zur Kl\u00e4ranlage – aus. Die korrekte Wirkungsweise wurde an au\u00dfergew\u00f6hnlich starken realen Regenereignissen, die zu kritischen Zust\u00e4n-den im Reinigungsprozess gef\u00fchrt haben, zun\u00e4chst simulativ getestet.
\n\u00dcber einen Zeitraum von vier Monaten fand in Chemnitz der Betrieb des Reglers in der gro\u00dftechni-schen Anlage statt. Insgesamt waren 18 Regenereignisse zu verzeichnen, bei denen der Fuzzy-Regler eingegriffen hat. Die Funktionsweise des Reglers war plausibel und zuverl\u00e4ssig. Mit Ausnahme der Pges-Konzentration im Ablauf der Nachkl\u00e4rung waren alle anderen St\u00f6rgr\u00f6\u00dfen im normalen Bereich (niedrig bzw. mittel). Die chemische F\u00e4llung reagierte nicht auf die Fracht sondern auf die Konzentration, so dass die Ablaufwerte von Pges vereinzelt im Bereich hoch lagen.
\nMit Hilfe vereinfachter Bilanzen wurden die NH4-N-Frachten ins Gew\u00e4sser ermittelt, die aus dem Ablauf der Kl\u00e4ranlage und aus dem Regen\u00fcberlaufbecken unmittelbar vor der Kl\u00e4ranlage resultieren. Bei schw\u00e4cheren Ereignissen kann mit der integrierten Steuerung ein \u00dcberlaufen des Beckens vermieden werden, was zu Reduktionen der Fracht ins Gew\u00e4sser von bis zu 23% gef\u00fchrt hat. Bez\u00fcglich der Flie\u00dfgew\u00e4sserbelastung sind h\u00e4ufig diese schw\u00e4cheren Regenereignisse in den Sommermonaten kritisch.
\nDa die KA Chemnitz bereits heute h\u00f6her als nach A 198 beschickt wird (QZ,max,A198: 5.000 – 8.580 m\u00b3\/h!), ist zu erwarten, dass die Reduktion der Gesamtemission durch die dynamische Zuflussregelung sogar h\u00f6her ausfallen w\u00fcrde, wenn eine gem\u00e4\u00df A198 betriebene Kl\u00e4ranlage als Referenz dient.
\nInsgesamt wurden durch die Steuerung des Zuflusses zur Kl\u00e4ranlage von Mitte Juni bis Ende August 2008 ca. 2.800 kg CSB, 130 kg NH4-N und 35 kg Pges weniger ins Gew\u00e4sser eingetragen.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Nachfolgend ist eine kleine Auswahl aus zahlreichen Pr\u00e4sentationen und Ver\u00f6ffentlichungen dargestellt, die \u00fcber die 2. Projektphase erfolgten: insgesamt Ergebnisvorstellung in 11 Vortr\u00e4gen (davon 8 mit Schriftbeitrag bzw. Ver\u00f6ffentlichung) und 1 Ver\u00f6ffentlichungen in Fachzeitschrift):
\nSeggelke K. (2007). Integrierte Bewirtschaftung von Kanalnetz und Kl\u00e4ranlage. Vortrag im Rahmen des Dresdner Kolloquiums zur Siedlungswasserwirtschaft: Integration in der Abwasserentsorgung. Dresdner Berichte 29, S.75-98.
\nSeggelke, K., Fuchs, L., Tr\u00e4nckner, J., Krebs, P. (2008). Development of an integrated RTC system for full-scale implementation, 11th ICUD (International Conference on Urban Drainage), Accepted for publi-cation in Water Science and Technology.
\nSeggelke, K., Tr\u00e4nckner, J., Fuchs, L., Krebs, P. (2009). Fuzzybasierte Regelung des Mischwasserzuflusses – Gro\u00dftechnische Untersuchung zur Integration von Kanalnetz & Kl\u00e4ranlage. Erscheint in KA – Wasserwirtschaft, Abwasser, Abfall im Februar 2009.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die Regelung des maximalen Mischwasserzuflusses zur Kl\u00e4ranlage ist eine effiziente Methode, um die verf\u00fcgbaren Kapazit\u00e4ten des Gesamtsystems Kanalnetz und Kl\u00e4ranlage bestm\u00f6glich auszunutzen.
\nMittels einer fuzzybasierten Regelung konnte gro\u00dftechnisch die gesamte Entlastungsfracht ins Gew\u00e4sser reduziert werden, ohne den Betrieb der Kl\u00e4ranlage zu gef\u00e4hrden. Das entworfene Regelungssystem kann konzeptionell auf andere Einzugsgebiete \u00fcbertragen werden, jedoch ist eine individuelle Systemanalyse sowie die ma\u00dfgeschneiderte Ermittlung von St\u00f6rgr\u00f6\u00dfen und deren Bereichsgrenzen in Abh\u00e4ngigkeit der jeweiligen Randbedingungen unumg\u00e4nglich.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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