Dynamische Simulation der Kläranlage Gevelsberg
mit dem Programmsystem STOAT, Teil III (Einsatz von Steuer- und Regeleinrichtungen)
Abwasserbehandlung
(Wastewater Treatment)
KA Gevelsberg, Überwachungswerte
Überwachungswerte
behördlicher Überwachungswert, CSB CCSB,ÜW 65 mg/l behördlicher Überwachungswert, Nanorg. SanorgN,ÜW 13 mg/l behördlicher Überwachungswert, Pges. CP,ÜW 1,5 mg/l
Übersicht Works und Runs in «KA Gevelsberg.mdb»
Works name Run name
Works 1 (Grundmodell) Run 1 (Trockenwetter) Run 2 (Regenwetter) Works 2 (W1 + RÜB) Run 1 (Trockenwetter)
Run 2 (Regenwetter) Run 3 (RW, ÜSS 30 m³/h) Works 3 (W2 + C-Quelle) Run 1 (Trockenwetter)
Run 2 (Trockenwetter, kein NO3 im Zulauf) Run 3 (Regenwetter, max ÜSS = 50 m³/h) Works 4 (W3 + PID) Run 1 (Regenwetter)
Works 5 (W4 BB 5 stages + 3 x PLC) Run 1 (Regenwetter)
Works 6 (W5 + Fuzzy) Run 1 (Regenwetter)
Umbau Grundmodell KA Gevelsberg
(mit «Build»-Menü)…
Öffnen Sie das Programmsystem STOAT, laden Sie das in Übung #06 erstellte Modell „Works 2 (W1 + RÜB)“ der KA Gevelsberg und bauen Sie dies mit Hilfe des «Build»-Menüs so um, dass das unten abgebildete Modell Works 3 entsteht (erweitert um eine C-Quelle)!
Überprüfen Sie die Einstellungen des Rechnerlaufs (Influents!) und starten Sie den Run!
Works 3 (W2 + C-Quelle)
… oder nutzen Sie die Datei in Ü_07.zip …
Entpacken Sie die auf Moodle eingestellte Datei Ü_07.zip auf Ihren Account.
Starten Sie das Programmsystem STOAT, richten Sie die Datenbank
…\Runs\KA Gevelsberg.mdb als Standard ein…
…und laden Sie das Modell „ Works 3 (W2 + C-Quelle)“.
File Database Change database
File Open works
Works 3, Run 1
Konfigurieren (oder öffnen) Sie „Run 1 (Trockenwetter)“!
Influent-Datei für C-Quelle:
Starten Sie den Rechnerlauf!
File Open run
C-Quelle Select profile ...\Influents\Methanol.cod
…Resultate überprüfen – Schlussfolgerungen?
Öffnen Sie eine Grafik mit dem zeitlichen Verlauf der Konzentration der maßgeblichen Inhaltsstoffe im Ablauf zum Vorfluter!
Wie ist das Ergebnis der Denitrifikation einzuschätzen?
DN gut, weil jetzt genügend leicht abbaubares Substrat (BOD) vorhanden!
Wie ist das Ergebnis bezüglich BioP einzuschätzen?
BioP nach wie vor unzureichend, warum?
Ablauf NKB Results Flow / Total SS / Biodegradable COD / Total COD / Ammonia / Nitrate / Phosphate Flow graph scale factor: /10
…Resultate überprüfen – Schlussfolgerungen?
Lassen Sie sich die Ergebnisse innerhalb des Belebungsbeckens an- zeigen!
BB Results Dissolved Oxygen (mg/l) usw. siehe unten
Graph and summary statistics
…Resultate überprüfen – Schlussfolgerungen?
Welche der Voraussetzungen für BioP ist nicht erfüllt, dass diese so unbefriedigend verläuft?
Nitrat in Stufe 1 vorhanden, d. h. nicht anaerob, sondern anoxisch!
Deshalb neuer Rechnerlauf mit veränderten Einstellungen!
Works 3, Run 2 (Trockenwetter, kein NO
3im Zulauf)
Veränderung der Datei für den Schmutzwasserzulauf dahingehend, dass alle Nitratwerte auf 0 gesetzt werden:
Alle anderen Einstellungen werden beibehalten, starten Sie den Rechnerlauf!
Schmutzwasser Select profile
...\Influents\Sewage without nitrate.cod
Jetzt auch BioP im grünen Bereich!
Abl. Vorfluter Results Flow / Total SS / Biodegradable COD / Total COD / Ammonia / Nitrate / Phosphate
Flow graph scale factor: /10
Interpretation der Ergebnisse???
Works 3, Run 3 (Regenwetter, ÜSS max. 50 m³/h)
Veränderung der Datei für den Niederschlagswasserzulauf:
Alle anderen Einstellungen werden beibehalten, starten Sie den Rechnerlauf!
Niederschlagswasser Select profile
...\Influents\Stormwater.cod
Abl. Vorfluter Results Flow / Total SS / Biodegradable COD / Total COD / Ammonia / Nitrate / Phosphate
Flow graph scale factor: /10
Interpretation der Ergebnisse???
Umbau Grundmodell KA Gevelsberg
(mit «Build»-Menü)…
Bauen Sie das Modell „Works 3 (W2 + C-Quelle)“ mit Hilfe des
«Build»-Menüs so um, dass das unten abgebildete Modell Works 4 entsteht (neu: PID-Regler zur Steuerung der C-Quelle)!
Die Einstellungen des vorhergehenden Rechnerlaufs beibehalten, PID-Regler konfigurieren und Rechnerlauf starten!
Works 4 (W3 + PID)
Die Betreiber der KA Gevelsberg können Nitrat im Zulauf nicht vermeiden. Was kann man tun, um trotzdem BioP zu ermöglichen?
Antwort: Verändern der Stufen der Belebung dahingehend, dass zunächst das Nitrat im Zulauf denitrifiziert wird, dann eine
anaerobe Stufe für BioP folgt und dann noch einmal eine anoxische Stufe zur DN eingerichtet wird, bevor belüftet und nitrifiziert wird.
Die interne Rezirkulation muss dann in die dritte Stufe fördern.
Stage data BB:
BioP DN N/DN N
In den bisherigen Rechnerläufen wurde das BB wie im
Screenshot links konfiguriert.
Stufe 3 (fakultativ N oder DN) wurde für N konfiguriert
Stage data BB:
BioP DN N
Das im Zulauf enthaltene Nitrat kann denitrifiziert werden, indem Stufe 1 als DN betrieben wird. Damit gelangt kein Nitrat mehr in die Stufe 2 und diese kann anaerob betrieben werden (für BioP). Das im BB gebil- dete Nitrat wird in Stufe 3 denitrifiziert. Die letzte Stu- fe dient der Nitrifikation.
Dabei muss die prozentuale Aufteilung des Beckenvolu- mens angepasst und die interne Rezirkulation von 4 2 auf 4 3 umgestellt DN
Alternativ: 5 Stufen (DN-AN-DN-N/DN-N)
Stage data BB:
BioP DN N/DN N
Alternativ könnte eine neue DN-Stu- fe auch vor den vorhandenen 4 Stufen eingerich- tet werden.
Hierfür müsste aber das Modell umgebaut
werden.
DN
Konfigurieren Works 4, Run 1
Konfigurieren (oder öffnen) Sie „Run 1 (Regenwetter)“!
Influent-Dateien:
Stage data:
Konfigurieren Works 4, Run 1
MLSS recycle data:
NKB Operation data
Konfigurieren Works 4, Run 1
PID Connectivity:
PID Operation data:
Konfigurieren Works 4, Run 1
Starten Sie den Rechnerlauf!
PID
Process calibration:
Betragen die Nitrate im Ablauf des VKB 45 mg/l, gilt 𝐴𝑏𝑤𝑒𝑖𝑐ℎ𝑢𝑛𝑔 = 0 − 45 = −45 𝑚𝑔/𝑙; sind nur 10 mg NO3-N/l im Ablauf des VKB vorhanden, gilt 𝐴𝑏𝑤𝑒𝑖𝑐ℎ𝑢𝑛𝑔 = 0 − 10 = −10 𝑚𝑔/𝑙.
Je höher Nitrate im Ablauf des VKB, desto kleiner ist zwar die Abweichung, aber desto mehr muss von der C-Quelle dosiert werden – ergo:
Kopplung zwischen Abweichung und gewünschtem Output des Reglers ist auf Negative zu stellen.
Works 4, Run 1 - Ergebnisse überprüfen
PID C-Quelle Results Output Graph and summary statistics C-Quelle Results Flow Graph and summary statistics
Abl. Vorfluter Results Flow / Total SS / Biodegradable COD / Total COD / Ammonia / Nitrate / Phosphate
Flow graph scale factor: /10
Interpretation der Ergebnisse???
Umbau Grundmodell KA Gevelsberg
(mit «Build»-Menü)…
Bauen Sie das Modell „Works 4 (W3 + PID)“ mit Hilfe des «Build»- Menüs so um, dass das unten abgebildete Modell Works 5 entsteht (neu: BB 5 Stufen, 3 x PLC-Regler zur Steuerung der Belüftung, der Phosphatfällung und der internen Rezirkulation)!
Die Einstellungen des vorhergehenden Rechnerlaufs beibehalten, BB und PLC-Regler konfigurieren und Rechnerlauf starten!
Works 5 (W4 BB 5 stages + 3 x PLC)
Konfigurieren Works 5, Run 1
Konfigurieren (oder öffnen) Sie „Run 1 (Regenwetter)“!
Influent-Dateien (wie vor):
Stage data ändern:
Konfigurieren Works 5, Run 1
MLSS recycle data:
NKB Operation data
Konfigurieren Works 5, Run 1
PLC Belüftung Connectivity:
Konfigurieren Works 5, Run 1
PLC Belüftung Operation:
PLC‘s Phosphatfällung bzw. interne Rezirkulation analog konfiguriert Starten Sie den Rechnerlauf!
Works 5, Run 1 - Ergebnisse überprüfen
PLC Belüftung Results Output
Graph and summary statistics PLC Phosphatfällung Results Output
Graph and summary statistics PLC interne Rezirkulation Results Output
Graph and summary statistics BB MLSS recycle results Flow
Graph and summary statistics
Works 5, Run 1 - Ergebnisse überprüfen
Abl. Vorfluter Results Flow / Total SS / Biodegradable COD / Total COD / Ammonia / Nitrate / Phosphate
Flow graph scale factor: /10
Interpretation der Ergebnisse???
Umbau Grundmodell KA Gevelsberg
(mit «Build»-Menü)…
Bauen Sie das Modell „Works 5 (W4 BB 5 stages + 3 x PLC) “ mit Hilfe des «Build»-Menüs so um, dass das unten abgebildete Modell Works 6 entsteht (neu: Fuzzy-Regler zur Steuerung der Entlastung des RÜB)!
Die Einstellungen des vorhergehenden Rechnerlaufs beibehalten,
Works 6 (W5 + Fuzzy)
Der «Fuzzy logic controller» soll die Rückleitung von Abwasser aus dem RÜB in die Kläranlage steuern, damit weniger unbehandeltes
Membership function (Zugehörigkeitsfunktion) des Volumenstroms im Bypass des RÜB als Input des Fuzzy Reglers zur Steuerung der Entleerung des RÜB zur Kläranlage
0,00 m³/h 1 700,00 m³/h 0 900,00 m³/h 0 1150,00 m³/h 0 1500,00 m³/h 0
425,00 m³/h 0,5 850,00 m³/h 1 1075,00 m³/h 1 1400,00 m³/h 1 2460,00 m³/h 0,5
850,00 m³/h 0 1000,00 m³/h 0 1250,00 m³/h 0 1650,00 m³/h 0 3420,00 m³/h 1
Very Large (VL)
Very Small (VS) Small (S) Average (A) Large (L)
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Very Small (VS) Small (S) Average (A) Large (L) Very Large (VL)
Konfigurieren Works 6, Run 1
(Regenwetter)Einstellungen des «Fuzzy logic controller»
RÜB Entlastung, Inputs
Konfigurieren Works 6, Run 1
(Regenwetter)Einstellungen des «Fuzzy logic controller»
RÜB Entlastung, Outputs
Konfigurieren Works 6, Run 1
(Regenwetter)Einstellungen des «Fuzzy logic controller»
RÜB Entlastung, Control rules
Konfigurieren Works 6, Run 1
(Regenwetter)…Resultate überprüfen – Schlussfolgerungen?
Öffnen Sie eine Grafik mit dem zeitlichen Verlauf der Konzentration der maßgeblichen Inhaltsstoffe im Ablauf zum Vorfluter!
Hat der Fuzzy-Regler „gefeuert“?
Hat die Steuerung funktioniert?
Wie ist das Ergebnis einzuschätzen?
Im Vergleich zu Rechnerläufen ohne den Fuzzy-Regler gelangt weniger ungereinigtes Abwasser in den Überlauf zum Vorfluter!
Abl. Vorfluter Results Flow / Total SS / Biodegradable COD / Total COD / Ammonia / Nitrate / Phosphate Flow graph scale factor: /10 Fuzzy Logic … results Output RÜB Entlastung results flow
Literaturverzeichnis
ATV-DVWK-A 131, 2000
ATV-DVWK-A 131
Bemessung von einstufigen Belebungsanlagen
Abwassertechnische Vereinigung e.V. / Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.V., Mai 2000 ATV-DVWK-A 198, 2003
ATV-DVWK-A 198
Vereinheitlichung und Herleitung von Bemessungswerten für Abwasseranlagen
Abwassertechnische Vereinigung e.V. / Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.V., April 2003 DROSTE, 1997
Droste, R. L.:
Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment John Wiley & Sons, Inc., New York, 1997
GUJER, 2007
Gujer, W.
Siedlungswasserwirtschaft
Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007 HENZE et al., 1987
Henze, M.; Grady, C. P. L.; Gujer, W.; Marais, G. v. R.; Matsuo, T.
Activated Sludge Model No. 1
IAWPRC Scientific and Technical Reports, No. 1, IAWQ, London, 1987 KUNZ, 1992
Kunz, P.:
Umwelt-Bioverfahrenstechnik Vieweg, Braunschweig 1992 KREBS, 2007
Krebs, P.:
Vorlesung Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft TU Dresden, Institut für Siedlungswasserwirtschaft, 2007
LONDONG et al., 2009
Londong, J.; Lützner, K. u. a.
Abwasserbehandlung
Weiterbildendes Studium Wasser und Umwelt
Bauhaus-Universität Weimar, 3. überarbeitete Auflage, September 2009 SCHNEIDER, 2014
Schneider, F.
Vorlesungsskript Entsorgung (Abfall & Abwasser) für Master Urbane Infrastrukturplanung, Abwasserreinigung Beuth-Hochschule für Technik, Berlin, 2014
