5.1 Laborversuche
5.1.4 Kontinuierliche Laborversuche unter Regelung der einzutragenden Ozondosis 16
an je einem Versuch pro durchgeführtem Versuchstyp dargestellt. Dazu werden Versuche mit den Proben A und B verwendet, da diese die höchsten CSB-Werte aufwiesen und folglich die Auswirkungen der Regelung daran besonders deutlich zu sehen sind.
Erreichen und Halten des Zielwertes
0
CSB, O3-Dosis [mg/l]
0
CSBsoll CSBab CSBzu O3-Eintrag Signal
415 mg/l
300 mg/l 214 mg/l
Abb. 12: Regelungsversuch zum Erreichen und Halten des Zielwertes (Probe B, RV 1) Abb. 12 zeigt den Verlauf eines Regelungsversuches mit Probe B. Dieser Versuch sollte zei-gen, dass die Regelungsstrategie einen gesetzten Zielwert – hier der CSB von 300 mg/l –
ein-te CSB im Zulauf zur Ozonanlage (CSBzu) betrug 415 mg/l. Er wurde zusätzlich stichproben-artig gemessen und betrug dabei 438 mg/l. Im Ablauf wurde der SAK online gemessen und von der Regelungsstrategie mit der in den kontinuierlichen Versuchen ermittelten Korrelation auf den CSB-Wert (CSBab) umgerechnet. Nach 30 Minuten wurde der Zielwert mit einer Ab-weichung von 2 % erreicht und für die restliche Dauer des Versuchs (hier 25 Minuten) konstant gehalten. Hierzu war ein O3-Eintrag von 214 mg/l nötig. Bei Versuchsende wurde der CSB im Ablauf als Stichprobe gemessen. Es betrug 320 mg/l. Dies entspricht einer Abweichung des Messwertes vom errechneten Wert von 7 %.
Veränderter Zielwert
CSB, O3-Dosis [mg/l]
0
CSBsoll CSBab CSBzu O3-Eintrag Signal
415 mg/l
250 mg/l 250 mg/l 275 mg/l
343 mg/l 292 mg/l 336 mg/l
Abb. 13: Regelungsversuch zur Reaktion auf veränderte Zielwerte (Probe B, RV 2) In weiteren Regelungsversuchen wurde untersucht, wie die erstellte Strategie reagiert, wenn der Zielwert verändert wird, nachdem er erreicht wurde. Der Verlauf eines solchen Versuches mit Probe B ist in Abb. 13 dargestellt. Nachdem der Ziel-CSB von 250 mg/l erreicht war, wurde er auf 275 mg/l erhöht. Die für das Einstellen des Zielwertes mit einer Abweichung von 2 % benötigte Zeit war mit 50 Minuten relativ lang. Nach Erreichen dieses Zielwertes wurde er wie-der auf 250 mg/l gesenkt. Nach 45 Minuten war auch dieser Zielwert wiewie-der erreicht. Zum Er-reichen des höheren Zielwertes (CSB 275 mg/l) war mit 292 mg/l erwartungsgemäß etwas weniger Ozon nötig als zum Erreichen der niedrigeren Zielwerte (CSB 250 mg/l). Dies zeigt, dass die erstellte Regelungsstrategie in der Lage ist, auf veränderte Zielwerte zu reagieren und diese wieder einzustellen. Im Zulauf wurde als Stichprobe ein CSB von 460 mg/l gemessen.
Die jeweils im Ablauf gemessenen Werte von 287 mg/l, 315 mg/l und 294 mg/l wichen um 14 % bis 18 % von den errechneten Werten ab.
Veränderte Zulaufkonzentration
0 50 100 150 200 250
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Zeit [min]
CSB, O3-Dosis [mg/l]
0 5 10 15 20 25
Signal [mA]
CSBsoll CSBab CSBzu O3-Eintrag Signal
80 mg/l
135 mg/l 135 mg/l
223 mg/l
183 mg/l
223 mg/l
135 mg/l
Abb. 14: Regelungsversuch zur Reaktion auf veränderte Zulaufkonzentrationen (Probe A, RV 6)
Abb. 14 zeigt den Verlauf eines Regelungsversuches mit Probe A, bei dem untersucht wurde, wie die Regelungsstrategie auf veränderte Zulaufwerte reagiert. Bei diesem Versuch sollte im Ablauf der Ozonanlage ein CSB-Wert von 135 mg/l eingestellt werden. Der von der Rege-lungsstrategie berechnete CSB im Zulauf betrug zunächst 223 mg/l,. Zum Erreichen des Ziel-wertes waren hier 135 mg O3/l nötig. Nach Erreichen des Zielwertes wurde der CSB im Zulauf durch Verdünnung auf 183 mg/l verringert. Nach 20 Minuten hat die Regelungsstrategie den Zielwert mit einer Abweichung von weniger als 2 % wieder erreicht. Zum Einstellen dieses Ziel-wertes waren nur 80 mg O3/l nötig. Der erreichte Wert wurde relativ konstant gehalten bis zur weiteren Änderung der Konzentration der zulaufenden Probe. Der Ozonanlage wurde wieder das unverdünnte Wasser zugeführt. Nach 30 Minuten wurde der Zielwert wieder erreicht. Da-mit wurde gezeigt, dass die Regelungsstrategie in der Lage ist, auf veränderte Zulaufkonzent-rationen zu reagieren und in angemessener Zeit den Zielwert wieder einzustellen. Diese Zu-laufschwankungen würden bei einer Ozonanlage mit ungeregeltem Ozoneintrag unbemerkt bleiben. Es würde trotz geringerer Zulaufkonzentration und folglich geringerem Ozonbedarf eine konstante und damit zu hohe Menge Ozon eingetragen werden.
Veränderter Probenvolumenstrom
CSB, O3-Dosis [mg/l]
0
Signal [mA], QProbe [l/h]
CSBsoll CSBab CSBzu
O3-Eintrag Signal QProbe
417 mg/l
250 mg/l
4 l/h 5,5 l/h
209 mg/l 197 mg/l
Abb. 15: Regelungsversuch zur Reaktion auf veränderte Probenvolumenströme (Probe B, RV 5)
Da im praktischen großtechnischen Betrieb von Ozonanlagen auch schwankende Volumen-ströme üblich sind, wurden hierzu ebenfalls Versuche durchgeführt. Abb. 15 zeigt den Verlauf eines solchen Regelungsversuches an Probe B. Zunächst betrug der Volumenstrom der Probe (QProbe) im O3-Reaktor – wie bei den anderen Ozonversuchen – 4 l/h. Nachdem konstante Be-dingungen erreicht waren, wurde der Volumenstrom auf 6 l/h erhöht. Nach 15 Minuten konnte trotz der maximalen Generatorleistung (entsprechend eines maximalen Signals von 20 mA) der Zielwert nicht erreicht. werden. Der Probenvolumenstrom wurde auf 5,5 l/h reduziert. Nach 25 Minuten konnte der Zielwert wieder erreicht werden. Dazu war erwartungsgemäß ungefähr die gleiche Ozondosis bezogen auf den Probenvolumenstrom nötig. Damit ist die erstellte Re-gelungsstrategie in der Lage, auf veränderte Volumenströme zu reagieren und dabei gesetzte Zielwerte einzustellen.
Bezogen auf die durch die Regelungsstrategie berechneten CSB-Werte funktionieren die er-stellten Strategien sehr gut. Die Abweichungen der berechneten Ist-CSB-Werte vom Zielwert betragen durchschnittlich 1,2 bis 1,4 %, bezogen auf den Zielwert. Die Abweichungen der im Ablauf gemessenen CSB-Werte vom Zielwert liegen mit durchschnittlich 5,6 % (Probe C) bzw.
13,9 % (Probe B) etwas höher. Zur präzisen Einstellung des Zielwertes sind gute Korrelationen nötig, die einen weiten Bereich möglicher Abwasserzusammensetzungen abdecken.
5.2 Pilotversuche
5.2.1 Kontinuierliche Ozonversuche (Vorversuche)
0 50 100 150 200 250 300 350
09:30 10:30 11:30 12:30 13:30
Zeit [h]
TOC Online, CSB, O3 [mg/l], SAK [m-1 ]
0 5 10 15 20 25 30 35
BSB5 [mg/l]
TOC zu 1 O3 TOC ab SAK
CSB BSB5
TOC zu
Abb. 16: exemplarischer Versuchsablauf (Versuch 20_200)
Abb. 16 zeigt den Verlauf der einzelnen Parameter während eines Versuchsverlaufs exempla-risch anhand Versuch 20_200 (O3,zu 20 g/m³, QRohwasser: 200 l/h). Der Versuch startete um 9:56 Uhr und endete um 13:30 Uhr. Während der Versuchszeit sank der SAK signifikant von 294 m-1 auf 96 m-1 ab. Das entspricht einer Reduktion von 67 %. Der TOC im Ablauf wurde durch Ozonisierung von 114 mg/l auf 100 mg/l, d.h. um 12 %, reduziert. Während des Ver-suchs wurden Stichproben entnommen, aus denen dann die CSB- und BSB5–Werte bestimmt wurden. Der CSB sank von 338 mg/l zu Versuchsbeginn auf 228 mg/l zum Versuchsende ab und wurde damit um 32,5 % reduziert. Der BSB5 stieg deutlich an von 6 mg/l auf 28 mg/l. Da-mit stieg das BSB5/CSB-Verhältnis von 0,018 auf 0,118 an. Nach 3 h 34 min war der Versuch beendet. Zu diesem Zeitpunkt waren bezüglich aller gemessenen Parameter konstante Bedin-gungen erreicht. Die Ursache für die sukzessive Veränderung der Parameter während der Versuchsdauer liegt in der Vermischung von ozonisiertem mit nicht ozonisiertem Wasser im Reaktionsbehälter. Bei einem Volumen von 300 l für Reaktor und Entgasungsbehälter und einem tatsächlichen Volumenstrom von 224 l/h entspricht dies einer Aufenthaltszeit von 1,3 h.
Damit waren konstante Bedingungen erreicht, nachdem das Volumen in Reaktor- und Entga-sungsbehälter 2,7 mal ausgetauscht war. In allen durchgeführten kontinuierlichen Pilotversu-chen konnten konstante Bedingungen nach durchschnittlich 3,1 Volumenwechseln erreicht werden.
y = 326,88e-0,75x
Abb. 17: in Vorversuchen erzielte CSB-Werte, BSB5–Werte und BSB5/CSB-Verhältnisse Abb. 17 zeigt die in den Vorversuchen ermittelten CSB- und BSB5-Werte sowie die BSB5 /CSB-Verhältnisse in Abhängigkeit vom spezifischen Ozoneintrag. Wie zu erwarten, sinkt der CSB mit zunehmendem Ozoneintrag. Der BSB5 dagegen steigt an, stagniert aber bei spezifischen Ozoneinträgen von 1,5 g O3/g CSB0. Das BSB5/CSB-Verhältnis steigt ebenfalls. TOC und SAK sinken erwartungsgemäß mit zunehmendem Ozoneintrag (Abb. 18). Alle Messwerte korrelie-ren gut mit dem spezifischen Ozoneintrag. Die BSB5-Werte streuen etwas stärker, was aber der in Laborversuchen erlangten Erfahrung entspricht.
y = 191,15e-1,46x
Abb. 18: in Vorversuchen erzielte TOC- und SAK-Werte
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
SOE [g O3/g CSB0] α436nm, α525nm, α620nm[m-1 ]
a436nm ab a525nm ab a620nm ab
Abb. 19: in Vorversuchen erzielte Färbungswerte
Abb. 19 zeigt die Färbungswerte nach verschiedenen spezifischen Ozoneinträgen, gemessen bei 436 nm, 525 nm, 620 nm. Erwartungsgemäß wird die Färbung bereits durch geringe Men-gen Ozon stark reduziert.
Der pH-Wert wurde durch die Ozonisierung geringfügig gesenkt. Die Unterschiede der im Ab-lauf gemessenen pH-Werte sind aber zu gering um einen Zusammenhang zur eingetragenen Ozondosis festzustellen.
5.2.2 Ermittlung von Korrelationen
Aus den in den Vorversuchen erzielten Ergebnissen wurden Korrelationen zwischen dem BSB5/CSB-Verhältnis als Zielparameter und den online messbaren Parametern ermittelt.
y = -102,08Ln(x) - 125,13 R2 = 0,82
0 50 100 150 200 250 300
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 BSB5/CSB
SAK [m-1 ]
SAK ab
Abb. 20 zeigt die ermittelte Korrelation zwischen dem BSB5/CSB-Verhältnis und dem SAK. Die Korrelation ist mit einem Bestimmtheitsmaß von 0,82 sehr gut. Die Funktion der Trendlinie wurde zur Programmierung der Regelungssoftware genutzt.
Da auch die gemessenen TOC-Werte und BSB5/CSB-Verhältnisse eine gute Korrelation lie-fern, ist auch die Verwendung der TOC-Messung zur Regelung denkbar. Allerdings haben die hier verwendeten TOC-Analysatoren längere Ansprechzeiten als die verwendete SAK-Sonde.
Während die SAK-Sonde praktisch ohne zeitliche Verzögerung Veränderungen im SAK liefert, ist bei den TOC-Analysatoren bedingt durch die Totvolumina der Probenleitungen, des Auf-schlusses etc. eine Verzögerung von bis zu 20 Minuten gegeben. Folglich ist mit einer trägeren Regelung zu rechnen, was zu verzögertem Erreichen der Zielwerte führt.
Das erstellte Regelungsprogramm besteht wie das Programm der Laborversuche aus einem Steuerungs- und einem Regelungsteil, wobei der Regelungsteil ebenfalls aus einem Integral- und einem Differenzialregelteil besteht.