(Wastewater Treatment) Abwasserbehandlung

Einführung in die

dynamische Kläranlagensimulation mit dem Programmsystem STOAT

Abwasserbehandlung

(Wastewater Treatment)

Vorbemerkungen

Kanalnetz und Kläranlage(n) bilden immer eine Einheit. Sie dürfen und können nicht unabhängig voneinander betrachtet, bemessen oder betrieben werden!

Dennoch konzentrieren sich die LV im Teil Abwasser aus didaktischen Gründen auf die Abwasserbehandlung in Kläranlagen.

Es existieren sehr viele verschiedene Verfahren der

Abwasserbehandlung, ständig kommen neue hinzu oder werden vorhandene weiterentwickelt.

Die LV im Teil Abwasser konzentrieren sich auf die vorgeschaltete Denitrifikation, weil das die in D und auch im internationalen Maßstab am häufigsten anzutreffende Technologie ist.

Dynam. Kläranlagensimulation: STOAT

STOAT Sewage Treatment Operation and Analysis over Time

entwickelt von Water Research centre plc, Swindon/Großbritannien http://www.wrcplc.co.uk/

weltweit bewährt, seit 2010 Freeware (vorher: Lizenzgebühr 10.000 Pfund Sterling)

Zum kostenlosen Download von STOAT gelangen Sie nach Registrierung unter

http://www.wrcplc.co.uk/freeware/STOAT/downloadform.aspx

Dann erhalten Sie von WRc einen Freischaltcode zum Download der Software per E-Mail zugesandt.

Wettbewerber von STOAT

Weltweit zahlreiche Softwarelösungen verfügbar, darunter die meisten kostenpflichtig wie z.B.

BioWin™ http://envirosim.com/products/biowin

EFOR™ http://www.mpassociates.gr/software/environment/efor.html GPS-X™ http://www.hydromantis.com/GPS-X.html

Matlab/Simulink™ http://www.mathworks.de/

SIMBA® https://simba.ifak.eu/content/simba-sharp-water ASIM http://www.asim.eawag.ch/

WEST http://www.mikepoweredbydhi.com/products/west

aber auch kostenlose wie eben STOAT™ oder

City Drain http://www.hydro-it.com/extern/IUT/citydrain/

In einem groß angelegten Softwarebenchmark im Rahmen der COST-Projekte der EU wurden u. a.

BioWin™, EFOR™, GPS-X™, Matlab/Simulink™, Simba®, STOAT™ und WEST® miteinander verglichen.

http://apps.ensic.inpl-nancy.fr/benchmarkWWTP/Pdf/Simulator_manual.pdf

Alle Kandidaten mussten eine vorgegebene Anlage unter einer bestimmten Betriebssituation simulieren. Die Ergebnisse aller Programme waren praktisch identisch (COPP, 2000 – siehe Link).

STOAT Leistungsmerkmale

Alle marktgängigen Abwasserbehandlungsverfahren wie z. B.

• Vorgeschaltete Denitrifikation

• Kaskadendenitrifikation

• Simultane Denitrifikation

• Alternierende Denitrifikation

• Intermittierende Denitrifikation

• Nachgeschaltete Denitrifikation

• SBR-Anlage (Sequencing Batch Reactor)

• Tropfkörper

• Biofilter

können abgebildet werden. Zuzüglich

• vor- oder nachgelagerte Prozesse (z. B. Regenüberlaufbecken, Ausgleichsbecken, Abwasserfiltration/-desinfektion, Schlammbehandlung)

• Steuerung und Regelung (PID-Regler, PLC und Fuzzy-Logic-Controller).

Erste Schritte

STOAT läuft nur ordnungsgemäß, wenn der im Englischen übliche Punkt als Dezimal-

trennzeichen verwendet wird.

Bevor STOAT gestartet wird, sollte also

sichergestellt sein, dass als Regionaleinstellung des Betriebssystems „Englisch (Großbritannien)“

gewählt wurde.

 Systemsteuerung  Region und Sprache  Formate  Englisch (Großbritannien)

Erste Schritte

Der allererste Start von STOAT nach der Installation sollte sicherheitshalber

„als Administrator“ erfolgen, weil sonst evtl. Windows (das gilt zumindest für Windows 7 und 8.1) die Ausführung des Programms verweigert und abbricht.

Jeder weitere Start von STOAT kann ganz normal erfolgen.

Erste Schritte

Logo während des

Hochfahrens von STOAT…

… mit File  Database  Change Database kann eine Datenbank ausgewählt werden, die unter STOAT generiert wurde …

… dann ist aber erst einmal der Bildschirm leer…

Erste Schritte

… der Windows Explorer öffnet sich.

Gehen Sie nun in dem Verzeichnis, auf dem die entpackten Dateien von DN_vorg.zip liegen, zu Unterpfad

…\DN_vorg\Runs …

… öffnen Sie DN_vorg.mdb und

bestätigen Sie die Sicherheitsabfrage …

… dann ist der Bildschirm erst einmal wieder leer…

Erste Schritte

… mit File  Open works

öffnet sich ein Fenster, in dem ein Modell ausgewählt werden kann …

… und damit erscheint das Modell auf dem digitalen

„Zeichenbrett“.

Erste Schritte

Schauen wir uns einmal an, was die

dynamische Kläranlagensimulation bietet …

… mit File  Open run kommen wir zu den hinterlegten Rechnerläufen …

Statisch versus dynamisch

Vergleichen Sie den stationären Ansatz der Bemessung einer

Kläranlage nach ATV-DVWK-A 131 mit dem dynamischen Ansatz der Simulation unter STOAT! Nennen Sie die wichtigsten Vor- und

Nachteile der jeweiligen Herangehensweise! Welcher Methode ist

somit Vorzug zu geben?

Statisch versus dynamisch

Statischer (stationärer) Ansatz:

Bei der statischen Berechnung spielt die Zeit keine Rolle. Es wird nur ein repräsentativer Systemzustand betrachtet.

• So beruht z. B. die Bemessung von Kläranlagen nach DWA-A 131 auf „…der an 85 % der Trockenwettertage im Zulauf zur Kläranlage unterschrittenen BSB₅-Fracht zuzüglich einer eingeplanten Kapazitätsreserve…“ – die Bemessung ist somit statisch.

Dynamische Simulation:

Bei der dynamischen Simulation werden sämtliche Systemzustände betrachtet, die im Verlauf der jeweils untersuchten Zeitspanne auftreten. Somit werden auch sämtliche Belastungsspitzen und andere Extremzustände berücksichtigt (z. B. kritische

Lastwechselsituationen).

• Bei der Kläranlagensimulation werden die wichtigsten Transport- und

Umwandlungsprozesse entlang der Fließwege von Abwasser und Klärschlamm

abgebildet und Frachten und Konzentrationen aller maßgeblichen Stoffparameter (z.B.

CSB, BSB, NH₄-N, org. N, NO_x-N, P) im gesamten Verfahrensablauf berechnet.

STOAT Bits („Bausteine“)

 Window  Processes toolbox

Übersicht:

Öffnen der Einzelverzeichnisse:

STOAT Bits („Bausteine“)

STOAT Bits („Bausteine“)

Activated Sludge Models unter STOAT ^(Auszug)

ASAL ASM#1 ASM#2D ASM#3 AOX Industrial

Kohlenstoffabbau X X X X X X

Nitrifikation X X X X X X

Denitrifikation X X X X X X

Biologische Phosphatelimination - - X - - -

Phosphatfällung/-flockung - - X - - -

AOX-Eliminierung - - - - X X

Inhibierende Wirkungen von Einzelstoffen - - - - - X

Heterotrophe X X X X X X

Autotrophe X X X X X X

Phosphor akkumulierende Organismen - - X - - -

*.BOD *.COD

*.AOX

*.INF

*.IND

*.INF

*.IND

*.COD

*.AOX

*.INF

*.IND

*.AOX

*.IND

*.IND

*.AOX

8 20 47 20 34 67

4 26 79 46 26 121

gering normal hoch sehr hoch normal sehr hoch

gering normal hoch hoch hoch hoch

minimal normal sehr hoch hoch hoch sehr hoch Rechenzeit

Aufwand bei der Kalibrierung

Aufwand zum Erstellen der Inputdateien

Akteure

Parameter zur Modellkalibrierung Influent-Dateien, Typ

Influent-Dateien, Anzahl Parameter

Prozesse

STOAT Arbeitsebenen

Run-Ebene (Run = Rechnerlauf)

Abbildung der Betriebsweise einer Anlage

(Menge und Beschaffenheit des Abwasserzulaufs und ggf. der dosierten Chemikalien, Belüftung, Rücklaufschlammförderung,

Überschussschlammentnahme, interne Rezirkulation usw.

Modell kann nicht mehr geändert werden!) File  New run / Open run  Runname

Je Modell sind bis zu 256 Runs möglich

Works-Ebene (Works = Modell)

Abbildung des vorhandenen oder geplanten Designs einer Anlage (Fließweg des Abwassers, Anzahl und Volumina der Reaktoren,

anzuwendende mathematische Modelle usw.) File  New works / Open works  Worksname)

Je Modell sind bis zu 4.096 STOAT-“Bau- steine“ möglich

Report-Ebene

Einsichtnahme in die Ergebnisse eines Rechnerlaufs

(keinerlei Änderungen, weder am Run noch am Modell möglich!)

Jeder Baustein und Teilstrom kann unter- sucht werden

«Build»-Menü zum Umbau eines Modells

1. Öffnen des Modells, das die Grundlage für das neue Modell bilden soll (z.B. Works #3) 2. Anlegen eines «New run» - um die gewünschten Einstellungen zu übernehmen z.B.

als «Start of old run (repeat run)» mit jenem run, der als Ausgangspunkt für die Arbeit mit dem Folgemodell dienen soll (z. B. jener Rechnerlauf, der bisher die beste

Simulationsgüte aufwies) 3. «Build» aktivieren

4. Basis-Modell entsprechend dem gewünschten Design verändern

5. «Save works As» (neuer Name für das geänderte Modell, z.B. Works #4)

6. STOAT bietet an, den Rechnerlauf unter dem neuen Modell sofort zu sichern: «Save run as New run» („Run 1“)

7. «Build» deaktivieren

Diese Schritte sind exakt zu befolgen, anderenfalls droht Datenverlust!

STOAT’s Datenspeicherung

Die Datensicherung der „works“ und „runs“ von STOAT erfolgt in einer Microsoft® Access Datei, Version MS Access 97.

Beispiel Datenbank: …\DN_vorg\Runs\DN_vorg.mdb

Einige besonders wichtige Tabellen zur Verwaltung der „works“ sind:

Works enthält die ID-Nr. (Works number), Bezeichnung (Works name) sowie die Notizen des Projektbearbeiters (Memo, Author, Notes, LegendName) und weitere Informationen zu den verschiedenen Modellen

Process enthält Bezeichnungen und Koordinaten der process icons

Node verwaltet die erforderlichen Informationen über die Knoten an den process icons (Inputs, Outputs, ID-Nr. der Links)

Link enthält Namen und Verknüpfungen der verschiedenen Abwasserströme der „works“

Segment enthält ID-Nr. und Koordinaten der verschiedenen Segmente innerhalb von Verbindungen zwischen den process icons

STOAT’s Datenspeicherung

Wichtige Tabellen in der STOAT-Datenbank zur Verwaltung der

„runs“ und für das Handling der Inputdaten :

Run enthält die ID-Nr. (ID), Bezeichnung (Name) sowie einige weitere Informationen zu den verschiedenen Rechnerläufen der jeweiligen Modelle (WorksID)

InfluentRun enthält Pfad und Dateinamen aller Inputfiles der verschiedenen „runs“

FlowStreamInitial enthält die Start- und Endzustände der jeweiligen Teilströme

FlowstreamReport enthält Angaben zur Ergebnisausgabe, z.B. in den Dateien *.flw, *.asa, *.psd,

*.ssd, *.bln

Weil sich alle Bezeichnungen in den Tabellen aus dem Kontext der

jeweiligen „Bausteine“ gut nachvollziehen lassen, kann man in der

STOAT-Datenbank regelrecht lesen und auch editieren. Allerdings

sollte dies nur tun, wer mit MS Access hinreichend vertraut ist!

STOAT’s Datenspeicherung

Die Ergebnistabellen (z.B. *.flw, *.asa, *.psd, *.ssd, *.bln) werden von STOAT immer in den Pfad geschrieben, in dem sich die jeweilige Datenbank befindet.

*.flw – Ergebnistabellen für Flow streams (bis einschließlich Version STOAT 4.3),

*.fl5 – Ergebnistabellen für Flow streams (ab STOAT 5.0),

*.asa – Ergebnistabellen für Activated sludge tanks,

*.psd – Ergebnistabellen für Primary settlement tanks,

*.ssd – Ergebnistabellen für Secondary settlement tanks,

*.bln – Ergebnistabellen für Balancing tanks

Der Benennung der Ergebnisdateien liegt folgende Konvention zugrunde:

Die Angabe der ID’s erfolgt als Hexadezimalzahlen. Somit können je Simulation 16 ³ = 4.096

„works“ und je „work“ 16 ² = 256 „runs“ mit je bis 4.096 „items“, d.h. „Bausteinen“

abgebildet werden

Modellkalibrierung

Bis ein gut kalibriertes Modell einer Kläranlage vorliegt, ist ständig zu “feilen” an

• Modelldesign

• Inputdateien für die “Zuflüsse” zum Modell

• Inputdateien zur Abbildung des Anlagenbetriebs (z.B. Zeitreihen der Rücklaufschlammförderung und Überschussschlammentnahme)

• Einstellungen zur Kalibrierung der Modellbausteine

Neben der Fraktionierung von CSB, N- und Phosphorverbindungen ist die

Modellkalibrierung jener Teil der Arbeiten bei der dynamischen Kläranlagensimulation, wo besonders viele Fehlerquellen “lauern”. Die zahlreichen Einstellungsmöglichkeiten der Activated Sludge Modelle sind in der Praxis eher Fluch als Segen. Als “eherne Regel” bei der Kalibrierung gilt:

Verändern Sie Wachstumsraten und/oder Koeffizienten der «Acti-

vated Sludge Modelle» erst, wenn Sie sicher sind, dass Abweichun-

gen zwischen Modellvorhersage und Messwerten nicht auf fehler-

hafte oder unvollständige Inputs zurückzuführen sind. Belassen Sie

im Zweifelsfalle alles bei den Standardwerten!

Modellkalibrierung

Hinsichtlich der parameterbezogenen Rang- und Reihenfolge der Arbeiten bei der Kalibrierung wird folgendes empfohlen:

1. Kalibrierung der Abwasservolumenströme («Flow»)

2. Kalibrierung der abfiltrierbaren Stoffe («Suspended solids») 3. Kalibrierung der CSB-Fraktionen («COD, BOD»)

4. Kalibrierung der Stickstofffraktionen («Ammonia, Nitrates») 5. Kalibrierung der Phosphorfraktionen («Phosphates etc.»)

Erst nachdem ein Modell hinsichtlich der Abwasservolumenströme vernünftig kalibriert ist, kann mit der Kalibrierung der Feststoffe begonnen werden. Mit der Kalibrierung des CSB lohnt es erst dann zu beginnen, wenn die Simulationsergebnisse sowohl beim

Abwasservolumenstrom als auch bei den Feststoffen hinreichend

gut mit den Messwerten übereinstimmen usw. – ansonsten besteht

die Gefahr, dass mehrmals ganz von vorn angefangen werden muss!

Modellkalibrierung

Bilanzen BB und NKB (Beispiel Volumenstrom / Feststoffe):

𝑄_𝑍𝐵

𝑄_𝑅𝑆

𝑇𝑆_𝐵𝐵

𝑇𝑆_𝑅𝑆

𝑄_Ü𝑆,𝑑 𝑋_{𝑇𝑆,𝐴𝑁} 𝑄_𝑍𝐵 − 𝑄_Ü𝑆

𝑇𝑆_𝑅𝑆 𝑄_𝑍𝐵 + 𝑄_𝑅𝑆 ∗ 𝑇𝑆_𝐵𝐵 = 𝑄_𝑅𝑆 + 𝑄_Ü𝑆 ∗ 𝑇𝑆_𝑅𝑆 + 𝑄_𝑍𝐵 − 𝑄_Ü𝑆 ∗ 𝑋_{𝑇𝑆,𝐴𝑁}

𝑄_𝑍𝐵 + 𝑄_𝑅𝑆

𝑇𝑆_𝐵𝐵

Modellkalibrierung

Beispiel Feststoffbilanz BB und NKB:

𝐼𝑛𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑡 𝑓𝑙𝑜𝑤 + 𝑅𝐴𝑆 𝑓𝑙𝑜𝑤 ∗ 𝑀𝐿𝑆𝑆 = 𝑅𝐴𝑆 𝑓𝑙𝑜𝑤 + 𝑊𝐴𝑆 𝑓𝑙𝑜𝑤 ∗ 𝑅𝐴𝑆 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑠 + 𝐼𝑛𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑡 𝑓𝑙𝑜𝑤 − 𝑊𝐴𝑆 𝑓𝑙𝑜𝑤 ∗ 𝐸𝑓𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑡 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑠

wobei:

Symbol Bedeutung STOAT-

in A 131 Bezeichnung

𝑄

Abwasserzulauf zum BB Influent flow

𝑄

Rücklaufschlammförderung RAS flow

𝑄

Überschussschlammentnahme WAS flow

𝑇𝑆

Feststoffgehalt im BB MLSS

𝑇𝑆

Feststoffgehalt im Rücklaufschlamm RAS solids 𝑋

Feststoffgehalt im Ablauf des NKB Effluent solids

𝑄_𝑍𝐵 + 𝑄_𝑅𝑆 ∗ 𝑇𝑆_𝐵𝐵 = 𝑄_𝑅𝑆 + 𝑄_Ü𝑆 ∗ 𝑇𝑆_𝑅𝑆 + 𝑄_𝑍𝐵 − 𝑄_Ü𝑆 ∗ 𝑋_{𝑇𝑆,𝐴𝑁}

Modellkalibrierung

Messwerte STOAT

Becken 3/4 Becken 3/4

MLSS 11857 g/m³

7.8 t/h ~ 10.0 t/h

MLSS 11782 g/m³

7.7 t/h = 7.7 t/h

RAS flow 400 m³/h RAS flow 400 m³/h

WAS flow 5.33 m³/h WAS flow 6.40 m³/h

Influent 255 m³/h Influent 255 m³/h

RAS solids 24660 g/m³ RAS solids 18867 g/m³

EFF solids 179 g/m³ EFF solids 183 g/m³

Becken 5/6 Becken 5/6

MLSS 7560 g/m³

5.4 t/h ~ 5.0 t/h

MLSS 7776 g/m³

5.6 t/h = 5.6 t/h

RAS flow 397 m³/h RAS flow 398 m³/h

WAS flow 6.17 m³/h WAS flow 7.95 m³/h

Influent 319 m³/h Influent 320 m³/h

RAS solids 12490 g/m³ RAS solids 13728 g/m³

EFF solids EFF solids 10 g/m³

𝐼𝑛𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑡 𝑓𝑙𝑜𝑤 + 𝑅𝐴𝑆 𝑓𝑙𝑜𝑤 ∗ 𝑀𝐿𝑆𝑆

𝑅𝐴𝑆 𝑓𝑙𝑜𝑤 + 𝑊𝐴𝑆 𝑓𝑙𝑜𝑤 ∗ 𝑅𝐴𝑆 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑠

+ 𝐼𝑛𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑡 𝑓𝑙𝑜𝑤 − 𝑊𝐴𝑆 𝑓𝑙𝑜𝑤 ∗ 𝐸𝑓𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑡 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑠

Modellkalibrierung

»Mass balance« enthält alle Mittelwerte für

„steady state“-Bilanzen

STOAT Anwendungsgebiete

Mit STOAT können folgende Aufgaben gelöst oder zumindest maßgeblich unterstützt werden:

• Vorausberechnung der zu erwartenden Ablaufqualität End-Of-The-Pipe unter Berücksichtigung wechselnder Befunde im Zulauf des Klärwerks

• Berücksichtigung von Abbauhemmungen für organisches Substrat oder Störungen der Nitrifikation durch einzelne Substanzen

• „De-Bottlenecking“

• Untersuchungen zur Verfahrensweise bei Störungen oder Havarien (z.B. ob und wenn ja in welcher Menge hochbelastete Abwässer in das Klärwerk übernommen werden können)

• Minimierung der Betriebskosten bei sicherer Einhaltung der vorgegebenen Überwachungswerte

STOAT Leistungsmerkmale

• Untersuchungen zur Optimierung der Anlagen (z.B. Steuerstrategien im Zusammenhang mit Stapeltanks, Vorbehandlungsanlagen oder zur

Energieeinsparung)

• Untersuchungen zur Verfahrensweise/Betriebsweise der Anlage, wenn bestimmte Anlagenteile vorübergehend außer Betrieb genommen werden müssen (z.B. für planmäßige Revisionen oder Instandsetzungsarbeiten)

• Untersuchungen zur Erweiterung der Kläranlage oder Änderungen von Verfahrensstufen

• Verbesserung der Energieeffizienz und der Verfahrenssicherheit der Anlage

Zukünftige Aufgaben betr. Abwasser in D

In D derzeit ca. 10.000 kommunale und ca. 3.000 Industriekläranlagen in Betrieb. Für neue Anlagen „auf der grünen Wiese“ existiert deshalb kaum noch Bedarf. Ganz anders sieht es aus hinsichtlich der Ertüchtigung dieser Anlagen: Hier ist ein enormer Bedarf vorhanden!

Das betrifft z. B.

• Verbesserung der Energieeffizienz

• Verringerung der End-of-the-Pipe abgeleiteten Schadstofffrachten

(schwer abbaubare Stoffe, Reste von Pharmaka, pathogene Keime/Viren usw.)

• Anpassung der Reinigungskapazitäten kommunaler Anlagen an veränderte demografische Gegebenheiten (das kann auch Rückbau bedeuten!)

• Automatisierung des Kläranlagenbetriebs (Steuerung und Regelung)

• Verbesserung der Schlammbehandlung

• Zuverlässige Eliminierung neuer Stoffe und Stoffgruppen, die z. B. in der Chemie- oder Halbleiterindustrie entwickelt und zum Einsatz gebracht werden

Literaturhinweise

STOAT Handbücher, werden mit dem

Programm automatisch installiert

Literaturhinweise

STOAT Handbücher, werden mit dem

Programm automatisch installiert

Literaturhinweise

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 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 SCHNEIDER, 2014

Schneider, F.

Vorlesungsskript Entsorgung (Abfall & Abwasser) für Master Urbane Infrastrukturplanung, Abwasserreinigung Beuth-Hochschule für Technik, Berlin, 2014

WRc, 2002

STOAT Manuals

Installation and User Guide Process Model Descriptions Tutorials Guide

Unit Process Descriptions