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

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1 Dynamische Schlammalterregelung mit Fuzzy-Logic DWA/VDI Tagung Mess- und Regelungstechnik in abwassertechnischen Anlagen Fulda 2011 Dr. Martin Michel

2 Mensch Beckentiefe Hydraulik C N Kohlenstoff, Stickstoff Energieverbrauch 20 und 100 kwh/ew/a η Wirkungsgrad Biomasse

3 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 )

4 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)

5 TS-Gehalt g/l Temperaturabhängige Schlammalterregelung TS-Gehalt

6 Zusammenhang Schlammalter TS-Gehalt 3,5 TS g t V t BBl BB TS TS6 g Q130m ÜS ÜS 3 l 4.000m 3 18d TS BB : TS-Gehalt Belebung [g/l] V BB : Volumen BB [m 3 ] TS ÜS : TS-Gehalt Überschussschlamm (Rücklaufschlamm) [g/l] Q ÜS : zu entnehmende Überschussschlammmenge [m 3 /d] t TS : Schlammalter [d]

7 Erforderliches Schlammalter in d (nach ATV) t TS min SF 3,4 1,103 (15 T ) 1 1 V ( V D BB ) t TSmin : erforderliches Mindestschlammalter [d] SF: Stoßfaktor (Sicherheitsfaktor) [] T: Temperatur Belebung [ C] V D : Unbelüftetes Volumen [m 3 ] V BB : Volumen Belebung [m 3 ]

8 Erforderliches Schlammalter [d] Temperaturabhängige Schlammalterregelung Erforderliches Schlammalter in d (nach ATV) 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 14 d 8 d SF = 1,8 V D /V BB = 0,3 0,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 Temperatur Belebung [ C]

9 relativer Sauerstoffverbrauch Temperaturabhängige Schlammalterregelung Einsparpotential (nach DWA) 118% 110% 100% Schlammgehalt TS BB in g/l

10 O 2 Regelung des Schlammalters Regelstrategie: Atmungsaktivität Gebläse O 2 O 2 t Zeit

11 Regelung des Schlammalters Regelstrategie: Ammonium-Nitrat-Umsatz Ammonium Nitrat Nitrat t Zeit

12 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

13 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

14 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)

15 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

16 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

17 Fuzzy-Logic bringt komplexes auf den Punkt

18 scharfe Eingangsgröße O2 = 3 mg/l Linguistische, umgangssprachliche Attribute Fuzzifizierung (Umwandlung) Inferenz (Regel-Abarbeitung) Sauerstoff ist sehr hoch Verarbeitung mittels WENN-DANN-Regeln WENN Sauerstoff sehr hoch, DANN schalte Gebläse sehr viel zurück Defuzzifizierung (Rücktransformation) scharfer Stellwert Gebläseleistung = -50 %

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

20 Schlammalter Temperaturabhängige Schlammalterregelung Regelung des Schlammalters Schlammabtrieb Erschwerte O 2 -Aufnahme Reinigungsleistung sinkt rapide Nitrifikationsleistung sinkt rapide Temperatur

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29 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

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