SIMBA - Simulation biologischer Abwassersysteme

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1 SIMBA 6 SIMBA - Simulation biologischer Abwassersysteme Das Simulationssystem SIMBA ist eine vielseitig einsetzbare Software für die Modellierung und dynamische Simulation in der Abwassertechnik. In der Version 6.0 ermöglicht SIMBA eine ganzheitliche Betrachtung von Kanalnetz, Kläranlage, Schlammbehandlung und Fließgewässer. Alle erforderlichen Komponenten für eine fundierte Analyse der Teilsysteme als auch des Zusammenspiels aller Systeme sind in anwenderfreundlicher Weise und unter Nutzung von State-of-the-Art Modellen in einem Simulationssystem vereinigt.

2 Übersicht Anwendungsgebiete Mit SIMBA lassen sich Anwendungen in der Ingenieurpraxis und in Forschung und Lehre realisieren: Auslegung von Kläranlagen unter Einbeziehung von Verfahrensoptionen inklusive Steuerung und Regelung Optimierung von Verfahrensgestaltung und Betriebsführung existierender Kläranlagen Analyse von Prozesswasserbewirtschaftung, Schlammbehandlung und Energieverbrauch Analyse von Abflussgeschehen in urbanen Gebieten Entwicklung und Test von Strategien zur Kanalnetzbewirtschaftung Untersuchungen des Zusammenwirkens von Abwasserabfluss, -reinigung und Gewässergüte Einfaches Kläranlagenmodell, Beschreibung Zulauf Tagesgang Modellbibliotheken SIMBA setzt auf die allgemeine numerische Software Matlab /SIMULINK der MathWorks Inc. auf und läuft unter dem Betriebssystem MS-Windows (XP, Vista). Der Aufbau von Simulationsmodellen beruht auf der grafischen Verschaltung von Modell-Blöcken, die jeweils eine Verfahrenskomponente (z.b. Kanalabschnitt, Vorklärung, Belebungsbecken) repräsentieren. Die zentrale Blockbibliothek bildet damit den Startpunkt für jedes Simulationsprojekt. Hier finden sich universelle Blöcke, um Abwasserund Schlammströme zu definieren, zu verteilen und zusammenzuführen. Weiterhin finden sich Absetzbecken und verschiedene Reaktormodelle (Rührkesselreaktor, Batch-Reaktor) zur Abbildung von beliebigen chemischen und biologischen Reinigungsprozessen. SIMBA Blockbibliothek Von hier aus kann man viele weitere spezielle Blockbibliotheken öffnen, in denen sich weitere Modellblöcke befinden. Dies sind u.a. Blockbibliotheken zur Simulation von: Belebungsverfahren der Abwasserreinigung (ASM1, ASM2d, ASM3, ASM3biop) Biofilmverfahren der Abwasserreinigung Anaeroben Abbauprozessen (Faulung), Schlammbehandlung Abwassertransport, Rückhalt und Stoffumwandlung in Kanalnetzen Wassertransport und Wassergüte in natürlichen Fließgewässern Steuerungs- und Regelungsfunktionen Animierte Darstellungen von Ergebnissen

3 Kläranlagen Kläranlagensimulation Für die Simulation von Kläranlagen stehen vielfältige Kombinationen von Transport-/Reaktormodellen und Belebtschlammmodellen zur Verfügung. Unter Transport- und Reaktormodellen werden hier z.b. Modellblöcke zur Beschreibung eines Belebtschlammgemisches in Becken mit intensiver Durchmischung und/oder Belüftung durch Oberflächenbelüfter und Druckbelüftungssystem sowie Vor- und Nachklärbecken verstanden. Beckenkaskaden und Batchreaktoren stehen ebenfalls zur Verfügung. Unabhängig von diesen Reaktormodellen kann gewählt werden, mit welchem sogenannten Belebtschlammmodell der Anwender arbeiten möchte. Ein solches Belebtschlammmodell definiert eine Anzahl von Stoffgruppen von Abwasserinhaltsstoffen und Mikroorganismen sowie eine Anzahl chemischer und biologischer Prozesse, die für die jeweiligen Verfahren als wichtig erachtet werden. Für die Beschreibung des Abbaus organischer Verschmutzungen (CSB) und der Entfernung von Stickstoff (Nitrifikation/Denitrifikation) stehen z.b. die Standardmodelle ASM1 (Activated Sludge Model No.1) und ASM3 der IWA zu Verfügung. Modelle können frei mit einem einfach zu bedienenden Editor in Petersen-Matrix Notation editiert bzw. modifiziert werden. Standardmodelle (ASM1, ASM2d, ADM1, RWQM1,...) sind in SIMBA bereits enthalten. Weitere werden durch die Anwendergemeinschaft auf dem Anwenderportal bereitgestellt. Modelleditor mit ASM3 Die folgenden Belebtschlammmodelle sind standardmäßig in SIMBA implementiert: ASM1tm Standardmodell der IWA mit etablierten Modifikationen zur Verbesserung der Anwendbarkeit ASM1sbr Spezielle Version des ASM1 für SBR Anlagen (geringfügig modifiziert für Ruhephasen) ASM2d Das ASM2d der IWA mit erweiterter biologischer P-Elimination ASM3m Version des ASM3 der IWA mit einer Parametrierung entsprechend Vorschlägen der Hochschulgruppe Simulation ASM3biop Das ASM3 der IWA mit einer EAWAG-Erweiterung zur biologischen P-Elimination Unterbiblotheken für Belebtschlammmodelle Anwender haben die Möglichkeit, Modellblöcke basierend auf eigenen Belebtschlammmodellen zu entwerfen. Modellblöcke für die Vor- und Nachklärung Für die Abbildung von Absetzvorgängen in der Vor- und Nachklärung ist eine Palette unterschiedlich komplexer Modelle vorhanden: Einfaches Vorklärmodell nach Otterpohl/Freund mit vorgegebener CSB-Elimination als Funktion der Aufenthaltszeit 3-Schichten-Vorklärmodell (variables Schlammbett) Ideales Absetzbecken (ideale Fest/Flüssig Trennung, kein Speicher) Ideales Absetzbecken mit Speicher (vorgebbare Fest/Flüssig Trennung und einfacher Speicher) Nachklärbeckenmodell nach Takács (10 Schichten-Modell, spezielle Absetzfunktion) Nachklärbeckenmodell nach Otterpohl/Freund (10 Schichten, Macro/Micro-Flocken) 3-Schichten-Nachklärmodell mit variablen Schlammbett

4 Kanalnetze Hydrologische und hydrodynamische Modellierungsansätze SIMBA6 bietet eine hohe Flexibilität bei der Auswahl von Modellierungsansätzen für Kanalnetze: hydrodynamisch Vollständige Lösung der Saint-Venant-Gleichungen Nahtlose Integration und Erweiterung des Rechenkerns von SWMM5 (siehe hydrologisch Vereinfachte, konzeptionelle Modellierung Transportstrecken im Kanalnetz Sonderbauwerke nach DWA A128 Schmutzfrachtberechnung und Langzeitsimulationen Unterbibliothek für Kanal- und Gewässermodelle Beliebige Kombinationen beider Ansätze Integriertes Kanalnetz- und Kläranlagenmodell In SIMBA6 ist es beispielsweise auch möglich, Teile eines Kanalnetzes hydrodynamisch zu simulieren (z.b. flache Hauptsammler), während für andere Teile desselben Kanalnetzes (z.b. oberhalb liegende Einzugsgebiete) ein schnellerer hydrologischer Ansatz zur Anwendung kommt. Damit kann die Komplexität eines Kanalnetzmodells den individuellen Anforderungen der jeweiligen Aufgabenstellung entsprechend gewählt werden. Jeder der beiden Ansätze erlaubt darüber hinaus: Gleichmäßige und ungleichmäßige Überregnung Beliebige biochemische Transformationsprozesse im Kanal Einfache und komplexe Steuerungs- und Regelungsalgorithmen Analyse des Steuerungspotenzials nach DWA M180 Insgesamt ist mit SIMBA die nahtlose Integration der Kanalnetzsimulation mit Modellen anderer Teilsysteme (Kläranlage, Gewässer) möglich. Benutzerfreundliche Ein- und Ausgabe, Animation Die Benutzerein- und ausgabe, wie z.b. die Systemdefinition, werden graphisch unterstützt Frei konfigurierbare Auswerteroutinen erlauben schnelle und einfache Auswertung in Text- und Bildform: Summeninformationen (Niederschläge, Ablauf- und Überlaufvolumina und frachten, Speicherauslastungen), Entlastungsdauern und häufigkeiten Animierte Darstellungen beliebig wählbarer Ergebnisvariblen (z.b. Durchflüsse, Wasserstände, Konzentrationen) in Längsprofil- und Grundrissdarstellung bei hydrodynamischer Simulation Längsschnitt- und Grundrissdarstellung für Kanalnetz

5 Anaerobe Verfahren Anaerobe Verfahren Der Modellierung anaerober Verfahren (anaerobe Abwasserbehandlung, Klärschlammfaulung) wird seit den anhaltenden Forderungen nach energetisch optimalem Betrieb mehr Beachtung geschenkt. Weiter angetrieben wird der Einsatz anaerober Modelle durch die aktuellen Entwicklungen in der Biogasbranche. Die Unterbibliothek Anaerob eignet sich zu der Modellierung von Anlagen zur anaeroben Klärschlammfaulung, anaeroben Abwasserbehandlung und anaeroben Vergärung organischer Stoffe. Dafür enthält die Bibliothek: Verschiedene Anaerobmodelle (Siegrist, ADM1) Vorklärblöcke mit Schlammabzug Blöcke zur Schwerkrafteindickung und maschinellen Eindickung und Entwässerung Anaerobe Reaktorblöcke (Überlaufreaktor, Speicher) mit Gasphase Schnittstellenmodelle zur Kopplung mit Belebtschlammmodellen Integrierte Modellierung von Abwasserreinigung und Schlammbehandlung Anaerobmodelle ermöglichen die Prognosen von: CSB-, TS-Abbau Gasproduktion/Gaszusammensetzung (Kohlendioxid, Methan,Wasserstoff) Stickstoffrücklösung organische Säuren und ph-wert Unterbibliothek Anaerob Modell einer Kläranlage mit anaerober Schlammbehandlung Sankey-Diagramme für Gesamtstickstoff und CSB Energie Parallel zur Simulation der verfahrenstechnischen Modelle bietet es sich an, den hohen Informationsgehalt zu nutzen und Energieverbräuche, bzw. die Energieproduktion, zu berechnen. Dafür stehen verschiedene Modelle zur Verfügung, die die Energieverbräuche einzelner Verfahrensschritte bzw. Anlagenteile beschreiben. Unterbibliothek Energie Der Konfigurationsaufwand ist gering, da zu jedem Verfahrensblock automatisch nur die geeigneten Energiemodelle zur Auswahl angeboten werden und nur noch parametriert werden müssen. Darüber hinaus werden für die Energieerrechnung die benötigten Daten automatisch aufgezeichnet. Bei geringem zusätzlichen Aufwand können damit weitergehende Informationen mit einem Modell generiert werden.

6 Fließgewässer Gewässergütesimulation SIMBA6 ermöglicht ebenfalls die Simulation von Abfluss und Wassergüte in Vorflutern. Hierbei können beliebige biochemische Transformationsmodelle verwendet werden. Eine nahtlose Integration mit Kanalnetz- und Kläranlagenmodulen sowie mit Steuerungsalgorithmen ist auch hier möglich. Abflussberechnung Hydrologische Abflussberechnung Hydrodynamische Abflussberechnung Qualitätsmodelle Vom Benutzer in beliebiger Komplexität frei definierbar Vordefinierte Modelle (z.b. RWQM1, Lijklema) Anwendungen Gewässergütesimulation Analyse von Einleitungen aus Kanalnetz und Kläranlage Integrierte Steuerung Sequentielle und parallele integrierte Simulation Modelleditor mit Gewässergütemodell nach Lijklema Lagrange-Modellierungsansatz Ein neues, zusätzliches Modul beinhaltet den Lagrange-Modellierungsansatz und erlaubt somit die Gewässergütesimulation ohne Verfälschungen durch numerische Dispersionseffekte: Basierend auf dem Grundprinzip von sich im Gerinne bewegenden Wasserpaketen werden Transport- und Umwandlungsprozesse modelliert. Routinen für Zusammenfassen und Aufteilen dieser konzeptionellen Wasserpakete ermöglichen eine geschwindigkeitsoptimierte Simulation. Auswertung: BWK-M7, Urban Pollution Management Manual Neue Auswerteroutinen für die Gewässergütesimulation frei konfigurierbare textliche und bildliche Ausgabe Abfluss und Wasserqualität Häufigkeits-Dauer-Grenzwerte für Sauerstoff und Ammonium ( Neuner-Matrizen ) nach BWK-M7 und britischem Urban Pollution Management (UPM) Manual Darstellung der Ammoniumkonzentration im Gewässer Gewässergüteauswertung nach BWK-Merkblatt M7

7 Steuerung/Regelung Simulationsgestützter Entwurf von Steuerung und Regelung Dadurch, das SIMBA auf dem System Matlab/SIMULINK basiert, ergeben sich besonders leistungsfähige Möglichkeiten, Steuerungen und Regelungen in der Simulation zu untersuchen. In der Simulation ist ein systematischer und besonders transparenter Vergleich vieler Varianten in kurzer Zeit möglich, kann die Analyse unter definierten, wiederholbaren und in Realität nur selten auftretenden Lastsituationen erfolgen und kann Verfahren und Automatisierungskonzept gemeinsam betrachtet werden um besonders ökonomische Lösungen zu finden. Typische Regelungsaufgaben sind: Belüftungsregelung (Sauerstoff, Leistung, Luftverteilung,...) Intermittierende Belüftung (Stickstoff-Eliminationsregler) Verfahrensregler Stickstoff-Elimination für vorgeschaltete Denitrifikation, Kaskadenanlagen Phosphat-Fällung Bewirtschaftung von Speichern (Prozesswasser, Regenüberläufe, ) Schlammhaushalt (Rücklaufschlamm, Überschussschlamm,...) Tuning sehr langsamer Regelkreise (Zeitkonstante im Wochenbereich) Modell einer SBR-Anlage mit Regelung Nutzung der Beschreibungssprache IEC Nach dem Entwurf einer Steuerung/Regelung und der simulativen Erprobung erfolgt die Übertragung in die Praxis. Die praktische Implementierung ist abhängig von dem zur Verfügung stehenden Laufzeitsystem und ist bereits beim Entwurf zu berücksichtigen. Hierbei kann es leicht zu Übertragungsfehlern kommen, die entweder auf Schreibfehlern oder funktionalen Unterschieden zwischen SIMULINK-Blöcken und Funktionen der Laufzeitumgebung beruhen. Um Übertragungs- und Implemetierungsprobleme zu vermeiden, wurde für SIMBA6 ein Block entworfen, der zur Beschreibung von Steuerungs- und Regelungsalgorithmen den Standard IEC ST (Structured Text) verwendet. IEC ST ist eine standardisierte Programmiersprache für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS). Für Prozessleitsysteme, die diesen Standard unterstützen, wird damit eine 1-zu-1 Übertragung ermöglicht. Sollte dies nicht möglich sein, so ist zumindest eine Erleichterung erreicht, da die Übertragung aus einem SIMULINK Blockschaltbild entfällt und die Sprache Structured Text an konventionelle Programmiersprachen (FORTRAN, PASCAL, JAVA,...) angelehnt ist. Unterbibliothek IEC ST

8 SIMBA 6 ifak e.v. Das gemeinnützige und unabhängige Forschungsinstitut ifak e.v. betreibt angewandte Forschung auf den Gebieten der Leit-und Automatisierungstechnik, der industriellen Kommunikation, der Mess- und Analysentechnik, des Informationsmanagements für Umwelt und Automation, der Mechatronik und der Verkehrstelematik. Das ifak als anerkanntes An-Institut der Otto-von-Guericke-Univesität Magdeburg ist eines der führenden Kompetenzzentren auf dem Gebiet der Modellierung und Steuerung/Regelung urbaner Abwasserentsorgungs- und -reinigungssysteme. ifak system GmbH Die ifak system GmbH ist auf dem Gebiet der industriellen Kommunikation, verteilten Automation und dynamischen Simulation tätig. Innerhalb kürzester Zeit entwickelte sich das Unternehmen zu einem erfolgreichen Lieferanten von Feldbusanschaltungen und Softwarewerkzeugen. ifak system ist Partner führender Produzenten von Automatisierungsund Umwelttechnik des In- und Auslandes. Durch eine aktive und kontinuierliche Mitarbeit in Forschung und Entwicklung erwächst ein Technologievorsprung, der frühzeitig an die Kunden weitergegeben werden kann. Vertrieb: ifak system GmbH Oststr Magdeburg Tel: Entwicklung: ifak e.v. Magdeburg Werner-Heisenberg-Str Magdeburg Tel:

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