Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
In der beantragten Projektphase sollten die in Echtzeit zu erhebenden Abwasserparameter identifiziert und auf ein erforderliches Minimum reduziert werden. Zudem kam der Kopplung der verwendeten ASM- und ADM-Modelle eine besondere Rolle zu, um den gesamten Abwasserreinigungsprozess einschlie\u00dflich der Faulung auf ein energetisches Minimum steuern zu k\u00f6nnen. Die korrekte Validierung der Leis-tungskennlinien von relevanten Verbrauchern (Zulauf- und Rezirkulationspumpen, Bel\u00fcftung, etc.) hatte hierbei besondere Bedeutung. Das System sollte\/soll nicht nur den Anforderungen an eine Abwasserrei-nigung im \u00fcblichen Lastbereich gen\u00fcgen, sondern auch m\u00f6gliche St\u00f6rfallszenarien ber\u00fccksichtigen.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Ziel der 2. Projektphase war es, durch eine modellgest\u00fctzte Prozessf\u00fchrung den Energieeintrag in der biologischen Stufe einer Kl\u00e4ranlage deutlich zu senken, zugleich aber eine hohe Betriebssicherheit und Prozessstabilit\u00e4t zu gew\u00e4hrleisten. Die Grundlage hierf\u00fcr stellte die integrierte modellgest\u00fctzte Pro-zessf\u00fchrung von Kl\u00e4r- und Biogasanlagen dar. Prozesszust\u00e4nde sollen begleitend zum laufenden Pro-zess berechnet und die Kl\u00e4ranlage einschlie\u00dflich Faulung auf Basis dieser Ergebnisse gesteuert werden.
\nDamit wird Folgendes erm\u00f6glicht:
\na)\tEs werden Prozess- und Produktparameter berechnet, die nicht oder schwierig messbar sind.
\nb)\tEs k\u00f6nnen Prozesszust\u00e4nde und Produkteigenschaften auf Grund von Prozessparametern und charakteristischen Daten der Eingangsstoffe vorausberechnet werden (\u0084Prognose\u0093). Durch Vergleich der vorausberechneten Produktdaten und weiterer Zielgr\u00f6\u00dfen mit den Sollwerten k\u00f6nnen die Sollwerte der Prozessvariablen so angepasst werden, dass die Prognosen der Simulation und damit die Istwerte sich den Sollwerten f\u00fcr das Produkt bzw. den Zielgr\u00f6\u00dfen ann\u00e4hern oder im Optimum damit \u00fcbereinstimmen. Durch Ankopplung der berechneten Prozessparameter als Sollwerte an das Prozessleitsystem wird der Prozess entsprechend der berechneten Zielwerte gefahren.
\nc)\tUnter Ber\u00fccksichtigung der Leistungskenndaten der relevanten Verbraucher kann der Abwasser-reinigungsprozess auf ein energetisches Minimum bei Einhaltung der Ablaufwerte und auf eine maximale Faulgasausbeute gesteuert werden. Der Fremdenergiebezug kann minimiert werden.
\nDie Anpassung des Simulationsmodells des HKW Emden erm\u00f6glicht die Verifizierung der Projektdaten in der gro\u00dfma\u00dfst\u00e4blichen Umsetzung. Die VAK Reinfeld dient zur Erprobung der zum Einsatz kommen-den Mess- und Regeltechnik, deren Anbindung an die Simulationssoftware und schlie\u00dflich zur automati-sierten Erprobung der modellgest\u00fctzten Prozessf\u00fchrung.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Das Projekt wurde zum 14.04.2012 bewilligt, aber erst zum 15.06.2012 begonnen (Verz\u00f6gerungen in der Verwaltung, Ausschreibung der Stellen usw.). Es wurde kostenneutral bis zum 14.08.2013 verl\u00e4ngert.
\nHKW Emden
\nDie Online-Analytik wurde beschafft und befindet sich momentan auf dem HKW Emden im Einsatz. Die Simulation aus Stufe 1 wurde durch Energiebl\u00f6cke erweitert. Diese wurden durch Messungen mit einem Stromzangenamperemeter verifiziert. Mit diesen Werten wurden verschiedene Szenarien simuliert, um bei Einhaltung der Ablaufwerte die Gesamtanlage (Hauptkl\u00e4rwerk Emden) aus Abwasserkl\u00e4rung und Kl\u00e4rschlammfaulung auf ein energetisches Minimum steuern\/regeln zu k\u00f6nnen. Weiterhin wurden Daten der Stadtwerke Emden zum Energieverbrauch des HKW Emden und Daten von Aqualogic zur Steuerung und Regelung der Belebungsbecken ausgewertet.
\nDas Modell wurde mit verschiedenen Kombinationen von Sauerstoffkonzentrationen in den beiden Belebungsbecken simuliert. Aus den Ergebnissen der Simulation wurden diejenigen Kombinationen ausgew\u00e4hlt, die akzeptable Ablaufwerte ergaben.
\nBei den betrachteten Ablaufwerten handelt es sich um die Konzentrationen an Ammonium (NH4+), Nitrat (NO3-), Gesamt-Stickstoff, Phosphat und Chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) im Abwasser, bei denen eine Einleitung in die Ems erlaubt ist. Werden die Werte \u00fcberschritten, muss das Kl\u00e4rwerk Emden mit Sanktionen rechnen. Die Kombinationen mit den gew\u00fcnschten Ablaufwerten wurden anschlie\u00dfend mit drei verschiedenen Temperaturen genauer hinsichtlich der Ablaufwerte, besonders aber des Energieverbrauchs untersucht. Es stellte sich heraus, dass bei 16 \u00b0C und 25 \u00b0C in den Belebungsbecken eine sehr effektive Nitrifizierung stattfindet. Daher kann die Sauerstoff-Konzentration sowohl in Belebungszone 1 als auch in Belebungszone 2 von 2 mg\/l auf ca. 0,3 mg\/l reduziert werden. Dies bringt eine Energieersparnis von \u00fcber 30 % mit sich. Bei 8 \u00b0C arbeiten die biologischen Systeme nicht mehr so aktiv. Daher m\u00fcssen ab Temperaturen unter 8 \u00b0C die \u00dcberwachungswerte nicht mehr eingehalten werden. Es muss \u00fcberlegt werden, welche Ammonium-Konzentration noch akzeptabel ist. Der \u00dcberwachungswert f\u00fcr Ammonium-N liegt bei 10 mg\/l, das entspricht 12,16 mg\/l NH4+, so dass ein angestrebter Wert von unter 7 mg\/l vern\u00fcnftig ist. Dies ist mit 1,8 mg\/l O2-Konzentration in Belebungszone 1 und 1,5 mg\/l in Zone 2 zu realisieren. Hiermit kann eine Reduzierung des Energieaufwandes von etwa 16 % erreicht werden.
\nVAK Reinfeld
\nDie zur Umsetzung der Projektziele erforderliche Mess- und Regeltechnik wurde installiert und in Betrieb genommen. Zur Analyse des Zu- und Ablaufstromes kommen in-situ Spektralanalysatoren zur Bestimmung von CSB, NH4+ und NO3- zum Einsatz, die erstmalig im Abwasserbereich erprobt wurden (Unterst\u00fctzung durch den Kooperationspartner GO Systemelektronik, Kiel). Die bisherigen Ergebnisse sind vielversprechend. Die Anbindung der Mess- und Regeltechnik an die Simulationssoftware erfolgt \u00fcber eine SQL-Datenbank, in der alle Prozessparameter in Echtzeit hinterlegt werden.
\nSystemanalyse
\nDie komplexen Wechselwirkungen, die bei der Implementierung einer modellgest\u00fctzten Prozessf\u00fchrung zu erwarten sind, wurden in Seminarform nach der von Herrn Professor Vester entwickelten Methode der Sensitivit\u00e4tsanalyse untersucht. Neben rein technischen Aspekten flie\u00dfen bei diesem Ansatz auch soziale, \u00f6konomische, \u00f6kologische und rechtliche Faktoren in die Gesamtbetrachtung ein. Es stellte sich heraus, dass insbesondere der Ausbildungsgrad und die Motivation des Personals sensible Faktoren im Gesamtsystem sind. Daneben haben die Bedienerfreundlichkeit des Systems sowie die Zuverl\u00e4ssigkeit\/Genauigkeit des Systems erwartungsgem\u00e4\u00df eine zentrale Rolle. <\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Lindenthal, W., Uhlenhut, F., Steinigeweg, S., Borchert, A., Energieeffizienter Betrieb von Kl\u00e4ranlagen, 20. SIMBA-Anwendertreffen, 29.\/30. Mai 2013, Leipzig.
\nLindenthal, W.; Uhlenhut, F.; Steinigeweg, S.; Borchert, A.; Wellbrock, K.; Grottker, M. Das gekoppelte System Kl\u00e4r-\/Biogasanlage, gwf-Wasser Abwasser, September 2013, S. 988 \u0096 994, (2013).
\nLindenthal, W., Uhlenhut, F., Steinigeweg, S., Borchert, A. Optimierung des gekoppelten Systems Kl\u00e4r-\/Biogasanlage. GIT Labor-Fachzeitschrift ,4\/2012, S. 243 \u0096 245, (2012).
\nLindenthal, W., Uhlenhut, F., Energieeffiziente kommunale Kl\u00e4ranlagen, \u0084Netzwerk Wissen\u0093 in gwf-Wasser\/Abwasser 154, Nr. 1, S. 58 f., (2013).<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Das Projekt wurde mit geringer Verz\u00f6gerung begonnen. Die weiteren Schritte stimmen mit dem einge-reichten Zeitplan \u00fcberein. Die Zwischenergebnisse lassen das angestrebte Ziel des Gesamtprojekts rea-listisch erscheinen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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