Dynamische Schlammalterregelung mit Fuzzy-Logic DWA/VDI Tagung „Mess- und Regelungstechnik in abwassertechnischen Anlagen“ Fulda 2011

Dr. Martin Michel

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

Mensch Beckentiefe

Hydraulik

Energieverbrauch 20 und 100 kWh/EW/a

η Wirkungsgrad

CN Kohlenstoff, Stickstoff Biomasse

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

 Einsatz von energiesparenden Aggregaten und Belüftungseinrichtungen (Drehkolbengebläse, Verdichter, Rührwerke, Oberflächenbelüfter)  Verbesserte Auslegung der Membranbelüftersysteme in d. R. höhere Membranflächen und Räumliche Verteilung der Belüfter  Verbesserte Eigenstromerzeugung durch neue BHKWs oder Mikrogasturbinen.  Erhöhung der Eigenstromerzeugung durch Co-Vergärung  Reduzierung der Rückbelastung durch separate Prozesswasserbehandlung (z. B. Annamoxverfahren „Anaerobic ammonium oxidation“)

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

 Einsatz von neuer schneller Messtechnik  Einsatz von Regelungstechnik (dynamische Nitratrezirkulation, dynamischer Sauerstoffsollwert)  Umstellung der Verfahrenstechnik (intermittierende Betriebsweise, alternierende Betriebsweise)  Bessere Energieausnutzung durch belastungsabhängige Regelung der Belüftung

 Angepasstes Schlammalter (TS-Gehalt) für die jeweiligen Temperaturverhältnisse (Sommer / Winter)

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

TS-Gehalt g/l

TS-Gehalt

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

Zusammenhang Schlammalter ←→ TS-Gehalt

TS 3 ,5 V 4.BB000m ttTS  18 d TS  3 TS6 Q 130 ÜS m g BB l g ÜSl

3

TSBB:

TS-Gehalt Belebung [g/l]

VBB:

Volumen BB [m3]

TSÜS:

TS-Gehalt Überschussschlamm (Rücklaufschlamm) [g/l]

QÜS:

zu entnehmende Überschussschlammmenge [m3/d]

tTS:

Schlammalter [d]

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

Erforderliches Schlammalter in d (nach ATV)

tTS min  SF  3,4  1,103

(15T )

1  VD 1 ( ) VBB

tTSmin:

erforderliches Mindestschlammalter [d]

SF:

Stoßfaktor (Sicherheitsfaktor) []

T:

Temperatur Belebung [°C]

VD:

Unbelüftetes Volumen [m3]

VBB:

Volumen Belebung [m3]

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

Erforderliches Schlammalter [d]

Erforderliches Schlammalter in d (nach ATV) 25,00 20,00 15,00

14 d SF = 1,8 VD/VBB = 0,3

10,00

8d 5,00 0,00 0,00

5,00

10,00

15,00

Temperatur Belebung [°C]

20,00

25,00

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

118% 110% 100%

relativer Sauerstoffverbrauch

Einsparpotential (nach DWA)

Schlammgehalt TSBB in g/l

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

Regelung des Schlammalters O2

Regelstrategie: Atmungsaktivität Gebläse

O2 ∆O2

Zeit

∆t

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

Regelung des Schlammalters Regelstrategie: Ammonium-Nitrat-Umsatz

Ammonium

Nitrat ∆ Nitrat Zeit

∆t

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

Problemstellungen  Anlagen mit aerober Schlammstabilisierung nur bedingt geeignet  Bei Regenereignis können vermehrt Feststoffe in die Belebung kommen

 Industrieeinleiter mit erhöhten BSB-Frachten, zu viel Schlammabzug, Nitrifikation kann leiden  Sommer/Winterübergang  Starkregenereignisse/Schneeschmelze kurzzeitigen Reduzierung oder Erhöhung der Temperatur in der Belebung  Verhältnis unbelüftetes Volumen / gesamten Volumen

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

Messeinrichtungen  TS-Messung in der Belebung  TS-Messung im Rücklaufschlamm

 Temperatur Belebung  Ammonium-Nitrat-Messung in der Belebung (bzw. Ablauf BB/KA)  Zulaufmengenmessung (Ablaufmenge)

 ÜSS-Mengenmessung bzw. Ist-Signal der ÜSS-Pumpen

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

Rahmenbedingungen  Anlage muss verfahrenstechnisch geeignet sein  Ausreichende ÜSS-Entnahmemöglichkeiten

 Ausreichende Schlammspeicherkapazitäten bzw. Verarbeitung  Kapazität der Nachklärung (Begrenzung des max. möglichen TS-Gehaltes)  Schlammeigenschaften (Schlammindex, Entwässerbarkeit)

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

Kernprozess

 Schlammalter berechnen Das erforderliche Schlammalter ist von der Temperatur und dem Verhältnis unbelüftetes Volumen / gesamtes Volumen abhängig. Die Berechnung erfolgt im Normalfall 1x täglich  Abzugsdaten weitergeben Die berechnete Menge wird an die SPS weitergegeben und von dieser über den Tag verteilt abgezogen

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

Sicherheitsmechanismen  Plausibilität der Messwerte sicherstellen  Winterbetrieb

 Überwachung der Ablaufwerte Ammonium und Nitrat  Sonderbehandlung Regenereignis  Überwachung des TS-Gehaltes in der Belebung  Begrenzung der maximalen Abzugsmenge  Festlegung einer minimalen Abzugsmenge

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

Fuzzy-Logic

– bringt komplexes auf den Punkt

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

scharfe Eingangsgröße

O2 = 3 mg/l Fuzzifizierung (Umwandlung)

Linguistische, umgangssprachliche Attribute

Sauerstoff ist sehr hoch

Inferenz (Regel-Abarbeitung) Verarbeitung mittels WENN-DANN-Regeln

WENN Sauerstoff sehr hoch, DANN schalte Gebläse sehr viel zurück

Defuzzifizierung (Rücktransformation)

scharfer Stellwert

Gebläseleistung = -50 %

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

ideal geeignet für biologische Systeme, die meist schwer durch mathematische Algorithmen beschrieben werden können

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

Regelung des Schlammalters Schlammabtrieb

Schlammalter

Erschwerte O2-Aufnahme

Reinigungsleistung sinkt rapide Nitrifikationsleistung sinkt rapide Temperatur

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

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Temperaturabhängige Schlammalterregelung

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

Temperaturabhängige Schlammalterregelung

Kläranlage Scharzfeld

• Sommer von ca. 4,0 g/l auf ca. 2,7 g/l • Schlammindex von ca. 150 ml/g auf ca. 120 ml/g • Energieeinsparung von ca. 5% der Gebläsestation

• Höherer Energieertrag aus der Faulung nicht bestimmbar Ergebnisse 2011 im Vergleich zu 2010