Projekt 18478/01

Entwicklung einer gesamtheitlichen Prozessführung zur Energieoptimierung von Abwasserreinigung und Schlammbehandlung mit Hilfe der dynamischen Simulation

Projektträger

Institut für Automation und Kommunikation (ifak) e. V.
Steinfeldstr. 3
39179 Barleben
Telefon: 039203-810-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Suche nach Möglichkeiten zur Energieeinsparung auf Kläranlagen setzt eine gesamtheitliche Beschreibung aller energieverbrauchenden und -liefernden Verfahrensschritte voraus. Da die Schlammbehandlung einerseits als Produzent wesentlicher frachtbelasteter Ströme und andererseits in Abhängigkeit des gewählten Stabilisierungsverfahrens eine energetisch bedeutende Rolle spielt, sollte durch eine integrierte Simulation die Möglichkeit geschaffen werden, die komplette Kläranlage und damit erstmalig die gegenseitigen Abhängigkeiten der beteiligten Verfahrensschritte quantitativ in einem Modell abzubilden. Es sollte ein praxisorientiertes Instrument für Planer und Betreiber entwickelt werden, mit dem die Auswirkungen einer veränderten Prozessführung auf die Energiesituation der gesamten Kläranlage transparent werden. Zugleich wurde ein tieferes Prozessverständnis als möglicher Ausgangspunkt für weitere Energieeinsparungen angestrebt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Forschungsvorhaben umfasste folgende Punkte:
die Aufklärung grundlegender Abhängigkeiten ausgewählter Verfahrensschritte der Schlammbehandlung von biologischen und physikalischen Eigenschaften des Schlamms mit der Modellierung der an-aeroben Faulung, von Eindickprozessen, des Entwässerungsverhaltens sowie von weiteren Verfahrensschritten der Schlammbehandlung und der Bestimmung maßgeblicher Einflussparameter,
die praxisgerechte Kombination der energetischen und verfahrenstechnischen Einzeloperationen in einer Simulation mit der bilanztreuen Zusammenführung in einem Modellansatz und der software-technischen Bereitstellung des Softwarewerkzeuges sowie
den Einsatz der entwickelten Simulationsmethodik und -werkzeuges unter Berücksichtigung planerischer Aspekte und der angestrebten Betriebsoptimierung.


Ergebnisse und Diskussion

Die Bearbeitung begann mit der Recherche geeigneter Modellgrundlagen für die Prozessschritte der Schlammbehandlung sowie für die Energieberechung. Es stellte sich heraus, dass für jeden Prozessschritt eine Vielzahl von Modellgrundlagen zur Verfügung steht, was insbesondere für die Schlammfaulung galt. Im Gegensatz zu den vordergründig vielfältigen Möglichkeiten ergaben nähere Betrachtungen ein differenzierteres Bild. Modelle, die für spezielle Prozessschritte entwickelt wurden, lassen sich nur ungenügend auf ähnliche Umgebungen portieren. Als Gründe sind spezielle biologische Milieus, unpassende Detaillierungsgrade und spezielle Analytik zur Parameterbestimmung zu nennen. Am Ende konnten vier Modelle der anaeroben Schlammfaulung, einfache Modellansätze zur maschinellen Schlamm-entwässerung und -eindickung sowie Modelle für statische Eindicker und der Vorklärung implementiert werden.
Die Implementierung in ein Simulationswerkzeug und die Anwendbarkeit der gewählten Modellgrundlagen wurden über die Laufzeit des Projektes an einem Modell einer realen Kläranlage geprüft. Anhand der damit gesammelten Erfahrungen konnte die Implementierung schrittweise verfeinert werden. Ein wichtiger Aspekt bei der gemeinsamen Betrachtung von Abwasserreinigung und Schlammbehandlung sind Schnittstellenmodelle. Diese sind notwendig, um verschiedene biochemische Modellgrundlagen koppeln zu können, da diese Abwasser- bzw. Schlammströme milieuspezifisch definieren. Die Problematik der Schnittstellenmodelle wurde intensiv bearbeitet, da die Güte der Schnittstellenmodelle die Güte des Gesamtmodells in erheblichem Maße beeinflusst. Ein weiteres Ergebnis aus der Arbeit mit dem Anlagenmodell ist die Erkenntnis, dass die Modellierung der Schlammbehandlung nicht zwangsläufig zu einem erheblichen Mehraufwand führt. Vielmehr hängt die Güte eines Modells, wie auch bei ausschließlicher Modellierung der Abwasserreinigung, überwiegend von der Güte der Zulaufbeschreibung ab.
Die Ermöglichung der Analyse des Energieverbrauchs stellte einen weiteren Schwerpunkt des Projektes dar. Wie bei den Prozessmodellen waren die entscheidenden Forderungen ein einfacher Umgang mit entsprechenden Modellen sowie die Möglichkeit der einfachen Implementierung in ein Simulationswerkzeug. Für die Lösung wurde ein in dem Simulationswerkzeug bestehendes Konzept zur Implementierung einfacher algebraischer Gleichungen erweitert. Es wurde ein Modul entwickelt, das alle für die Berechung der Energieverbräuche relevanten Signale und Parameter im Hintergrund aufzeichnet. Der Nutzer muss nur dieses Aufzeichnungsmodul in das gewünschte Modell kopieren. Die Konfiguration der Energieberechnung erfolgt automatisch: den einzelnen Verfahrensblöcken werden Energiemodelle zugeordnet. Vom Nutzer braucht nur noch die Parametrierung der Energieberechnung durchgeführt zu werden. Das Projektziel und selbstgewählte Randbedingungen (einfache Anwendung und Implementierung) sind durch die neuentwickelten Module in hohem Maße erfüllt worden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ziele und Zwischenergebnisse des Projektes wurden während der Bearbeitung auf verschiedenen Veranstaltungen vorgestellt.
Ogurek M., Alex J., Moshage U.: Vergleichende Simulation verschiedener Faulungsmodelle an einem realen Beispiel; SIMBA-Anwendertreffen, Freyburg/Unstrut , 05.2003
Moshage U., Ogurek M., Niemann K.: Vergleich von statischer Berechnung und dynamischer Simulation zur Betriebsoptimierung; Mess- und Regelungstechnik in abwassertechnischen Anlagen, Wuppertal, 11.2003
Moshage U., Dockhorn T., Alex J., Ogurek M., Niemann K.: Gesamtheitliche Prozessführung zur Energieoptimierung von Abwasserreinigung und Schlammbehandlung durch Simulation; ATV-Bundestagung, Wolfsburg, 10.2003
Niemann K.: Energieoptimierung von Abwasserreinigung und Schlammbehandlung durch Simulation; SIMBA-Anwendertreffen, Tangermünde, 05.2004
Ogurek M.: Vorgehen und Werkzeuge zur Energieanalyse abwassertechnischer Anlagen; Neue Beiträge der Regelungs- und Informationstechnik zur Betriebsführung von Abwasseranlagen, Workshop von VDI, ATV-DVWK und IWU, Barleben, 11.2004
Darüber hinaus wurden aus dem Projekt resultierende Ergebnisse und Erfahrungen in die EU-Aktion COST 624 (Working Group No. 1 on Plant Operation) eingebracht und diskutiert. Diese Gruppe europäischer Experten beschäftigt sich mit Modell-Benchmarkanlagen.


Fazit

Die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse zeigen, dass die Modellierung und Simulation der Schlammfaulung sehr gut möglich ist. Ein entsprechendes Simulationswerkzeug wurde weiterentwickelt, um Anwendern die Möglichkeiten der integrierten Modellierung von Abwasserbehandlung und Schlammbehand-lung zugänglich zu machen.
Zur Energieanalyse mittels Modellen wurde eine einfach zu handhabende Methodik entwickelt. Sie erlaubt es Anwendern, Prozessmodelle aufwandsarm (im Verhältnis zur Prozessmodellierung selbst) um die Energieberechnung zu erweitern. Auch dafür wurde das Simulationswerkzeug um entsprechende Funktionen und Module erweitert.