DE10231908A1 - Self-regulating parametric process for oxygenation of activated sludge in waste water treatment plant based on redox potential and/or pH value and waste water plant load - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lastabhängigen, selbstparamentrierenden Regelung der Belüftung von Kläranlagen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for load-dependent, self-parameterizing regulation of the ventilation of sewage plants according to the generic term of claim 1.
Eine optimale Prozessführung für Kläranlagen mit vorgeschalteter oder simultaner Denitrifikation setzt eine ständige bedarfsgerechte Konzentration von Gelöstsauerstoff im Nitrifikationsbecken bzw. in den belüfteten Zonen voraus.Optimal process control for sewage plants with upstream or simultaneous denitrification sets a constant need-based Concentration of dissolved oxygen ahead in the nitrification tank or in the ventilated zones.
Problematisch ist bei der vorgeschalteten Denitrifikation, dass das nitrat- und sauerstoffhaltige Abwasser-/Schlammgemisch aus dem Nitrifikationsbecken und der nitrathaltige Rücklaufschlamm in einer internen Rezirkulation dem Denitrifikationsbecken bzw. der Denitrifikationszone zugeführt wird, wobei es sich hier mit dem Zulauf mischt.The problem with upstream denitrification is that the nitrate and oxygen-containing wastewater / sludge mixture from the nitrification basin and the nitrate-containing return sludge in an internal recirculation to the denitrification tank or fed to the denitrification zone is, where it mixes with the inlet.
Bei der simultanen Denitrifikation strömt der nitrat- und sauerstoffhaltige Belebtschlamm aus der Nitrifikationszone der Denitrifikationszone direkt zu.With simultaneous denitrification flows the activated sludge containing nitrate and oxygen from the nitrification zone directly to the denitrification zone.
In beiden Fällen wird die Denitrifikation durch die Verschleppung des Gelöstsauerstoffs aus der Nitrifikations- in die Denitrifikationszonen erheblich behindert. Dabei wird kohlenstoffzehrende Substanz verbraucht, was zu einer Minderung des vor allem für die Denitrifikation dringend benötigten Biologischen Sauerstoffbedarf (BSB) führt. Gleichzeitig bedeutet der verschleppte Gelöstsauerstoff eine Vergeudung der Belüftungsenergie.In both cases, denitrification through the carryover of the dissolved oxygen from the nitrification into the denitrification zones significantly hampered. Carbon-consuming substance is consumed, resulting in a Abatement especially for those Denitrification urgently needed Biological oxygen demand (BOD) leads. At the same time it means entrained dissolved oxygen a waste of ventilation energy.
Weit verbreitet sind heute vorwiegend konventionelle Regler mit fest eingestellten Sollwerten. Geregelt werden z.B. Ammonium-, Nitrat- und Phosphatkonzentrationen, oder der organischen Summenparameter wie Totaler Organischer Kohlenstoff (TOC), Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB), Biologischer Sauerstoffbedarf (BSB), wobei als Stellgröße die Sauerstoffzufuhr benutzt wird.Are prevalent today conventional controller with fixed setpoints. controlled e.g. Ammonium, nitrate and phosphate concentrations, or the organic sum parameters such as total organic carbon (TOC), Chemical oxygen demand (COD), biological oxygen demand (BOD), with the supply of oxygen being the manipulated variable is used.
Eingesetzt werden dabei kontinuierlich messende Analysatoren zur Istwertbestimmung. Ein wesentlicher Nachteil bei der Verwendung dieser Parameter besteht in den hohen Anschaffungs- und Betriebskosten der Analysatoren. Ein zweiter funktioneller Nachteil besteht darin, dass der erforderliche Zeitraum zwischen Probenahme aus dem Belebungsbekken und Bereitstellung des Messwertes für die Regelung, so gross ist, dass das der ermittelte Istwert für die Regelung schon nicht mehr mit den tatsächlichen Zustandsbedingungen im Belebungbecken übereinstimmt. Ein prozessoptimales Reagieren der Regelung ist durch diese Totzeit nicht möglich.They are used continuously measuring analyzers for actual value determination. A major disadvantage when using these parameters there is a high purchase price and operating costs of the analyzers. A second functional disadvantage is that the required period between sampling from the activation tank and provision of the measured value for the control, is so great that the determined actual value for the control is not more with the actual Condition conditions in the aeration tank matches. A process-optimal This dead time means that it is not possible to react to the control.
Die weitere Variante der Belüftungsregelung arbeitet mit fest vorgegebenen Sollwerten für die Sauerstoffkonzentration in der Nitrifikationszone bzw. des Belebungsbeckens. Dabei beruht die Sollwertvorgabe (wie auch im ersten Falle) auf Erfahrung und ist damit in hohem Maße subjektiver Beur teilung unterworfen. Entsprechend unterschiedlich ist das Ergebnis der Regelung und der der Abstand zum Optimum der Regelung.The further variant of the ventilation control works with fixed target values for the oxygen concentration in the nitrification zone or the aeration tank. It is based the setpoint specification (as in the first case) is based on experience with it to a great extent subject to subjective judgment. Accordingly different is the result of the regulation and the distance to the optimum of Regulation.
Auch unter Anwendung aufwendiger und komplizierter Regelungsmodelle ist man nicht in der Lage, auf die komplexen und komplizierten Prozesse der Abwasserreinigung optimal zu reagieren, solange feste Sollwerte vorgegeben werden müssen (Korrespondenz Abwasser Nr. 4/1994, Seite 556–563). Solche Strategien sind mit erheblichen Problemen behaftet, da die den Abwasserreinigungsprozeß bestimmenden Faktoren nicht nur ein unterschiedliches dynamisches Verhalten aufweisen, sondern es ergeben sich bei multivariater Regelung z.T. entgegengesetzte Regelungsziele (z.B. zu hohe NH4-Ablaufkonzentrationen durch Hemmung der Nitrifikanten aufgrund eines zu geringen pH-Wertes). Seit einigen Jahren wird daher an der Anwendung wissensbasierter Regelungssysteme und adaptiver Regelungen auf Modellbasis für die Prozeßregelung von Abwasserbehandlungsanlagen gearbeitet (Schriftenreihe WAR 109/56. Darmstädter Seminar-Abwassertechnik-1997, Seite 81–107). Bisher sind diese Modelle nur in sehr eingeschränktem Maße in der Lage, die Komplexität des Prozesses abzubilden. Fuzzy-Logic-Regelungen zeigen eine Vereinfachung der Modellbildung, da nur auf der Ebene des Prozesswissens modelliert werden kann. Dazu bedient man sich unscharfer (fuzzy) "wenn- dann-Regeln", die aus Expertenerfahrungen gewonnen werden. Bei allen Vorteilen der Fuzzy- Technologien hat diese Strategie unter sehr komplexen Anwendnugsbedingungen den Nachteil, dass die Anzahl der Eingangsgrößen und der Regeln sehr hoch ist. So ist bekannt, dass allein zur Regelung der Belüftung einer intermittierenden Kläranlage insgesamt 48 "wenn/dann-Regeln" auf der Basis von 6 Eingangsgrößen erforderlich sind. Damit ist die Basisforderung für regelbasierte Syste me nach Vollständigkeit und Widerspruchsfreiheit der Regeln kaum zu erfüllen. Wesentlich ist weiterhin die Tatsache, dass die Effektivität der Fuzzy-Logic-Regelungen maßgeblich durch die Qualität des Expertenwissens, aus dem diese Regeln erstellt werden und aus den konkreten durch Experten vorgegebenen Einstellbedingungen (z.B. Wahl der Form und Zahl der Zugehörigkeitsfunktionen, der Fuzzy-Operatoren und der Ausgangsgewichtsberechnung), bestimmt wird. Einsatzerfahrungen zeigten, dass Regelungen auf Basis von Fuzzy-Logic unter bestimmten Umständen zu schlechteren Betriebsergebnissen führten, als die herkömmlich eingesetzten Regelungen mit fest vorgegebenem Sollwert.Even when using complex and complicated control models, you are not able to react optimally to the complex and complicated processes of wastewater treatment, as long as fixed setpoints have to be specified (Correspondence Wastewater No. 4/1994, pages 556–563). Such strategies are associated with considerable problems, since the factors determining the wastewater treatment process not only show different dynamic behavior, but with multivariate control there are sometimes opposite control objectives (e.g. excessive NH 4 run- off concentrations due to inhibition of the nitrifiers due to insufficient pH value). For some years now, the use of knowledge-based control systems and adaptive controls based on models for the process control of wastewater treatment plants has been worked on (publication series WAR 109/56. Darmstädter Seminar-Abwassertechnik-1997, pages 81-107). So far, these models have only been able to reflect the complexity of the process to a very limited extent. Fuzzy logic regulations show a simplification of the modeling, since modeling can only be carried out at the level of process knowledge. To do this, you use fuzzy "if-then rules" that are gained from expert experience. With all the advantages of fuzzy technologies, this strategy has the disadvantage under very complex application conditions that the number of input variables and the rules is very high. It is known, for example, that a total of 48 "if / then rules" based on 6 input variables are required to regulate the ventilation of an intermittent sewage treatment plant. This means that the basic requirement for rule-based systems for completeness and freedom from contradiction of the rules can hardly be met. It is also essential that the effectiveness of the fuzzy logic rules is largely determined by the quality of the expert knowledge from which these rules are created and by the specific setting conditions specified by experts (e.g. choice of the form and number of membership functions, the fuzzy operators) and the initial weight calculation). Practical experience has shown that controls based on fuzzy logic in certain circumstances lead to poorer operating results than the controls used conventionally with a fixed setpoint.
Selbstlernende Regelungssyteme auf
der Basis neuronaler Netze befinden sich derzeit erst in den Anfängen. Bisher
wurden sie hauptsächlich
zur Simulation, Klassifikation und Voraussage von Zulauf- parametern
eingesetzt (
Modellbasierte Regelungen auf der
Basis von Prozesssimulationen haben zum Ziel, auf der Basis von
online-Messungen die aktuelle Reinigungskapazität zu ermitteln und aus den
vorausgegangenen und gegenwärtigen
Meßdaten
die zu erwartenden Ablaufkonzentrationen zu ermitteln. Diese Regelungen
erfordern eine ständige
Anpassung der Modellparameter an die realen Bedingungen. Da im Regelfall
nicht alle zur Berechnung der Modellparameter erforderlichen Messgrößen kontinuierlich
bestimmt werden können,
sind z.T. starke Vereinfachungen in der Modellbildung nötig (Schriftenreihe
WAR 108/9. Gemeinsames Seminar -Abwassertechnik- Darmstadt
Aus der Analyse des Standes der Technik geht hervor, dass die Aufgaben einer prozessoptimalen Belüftungsregelung in der Praxis bisher nur unzureichend gelöst worden sind.From the analysis of the state of the art shows that the tasks of a process-optimal ventilation control have so far been insufficiently solved in practice.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die stickstoffabhängige Regelung des Sauerstoffeintrages in das Nitrifikationsbekken in der Weise zu verändern, dass bei hohem Ammoniumstickstoffwert (NH4-N) und gleichzeitig niedrigem Nitratstickstoffwert (NO3-N) im Ablauf des Nitrifikationsbeckens der Sauerstoffgehalt erhöht und bei entgegengesetzten Verhältnissen abgesenkt wird.It is the object of the invention to change the nitrogen-dependent regulation of the oxygen input into the nitrification tank in such a way that with a high ammonium nitrogen value (NH 4 -N) and at the same time a low nitrate nitrogen value (NO 3 -N) in the course of the nitrification tank, the oxygen content increases and at opposite relationships is lowered.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The task is solved with the characterizing part of claim 1. Further training in the subclaims specified.
Die Regelung der Belüftung bei Kläranlagen mit vorgeschalteter oder simultaner Denitrifikation sollte so vorgenommen werden, dass eine optimale Energienutzung unter sich ändernden Lastbedingungen möglich wird. Dabei handelt es sich um eine bedarfsgerechten Regelung des Sauerstoffeintrags in die Nitrifikationszone in der Weise, dass Sauerstoff je nach anfallender Fracht bereitgestelt wird. Eine solche bedarfsgerechte Regelung des Sauerstoffeintrages in Abhängigkeit von der Fracht führt zur Senkung der Betriebskosten durch Minimierung des erforderlichen Aufwandes an Belüftungsenergie.The regulation of ventilation at Wastewater treatment plants with upstream or simultaneous denitrification should be carried out in this way be that optimal energy use among changing Load conditions possible becomes. This is a need-based regulation of the Oxygenation in the nitrification zone in such a way that Oxygen is provided depending on the cargo. Such regulation of the oxygen input depending on the need from the cargo leads to reduce operating costs by minimizing the required Ventilation energy expenditure.
So ist das erfindungsgemäße Verfahren zur lastabhängigen, selbstparamentrierenden Regelung der Belüftung von Kläranlagen, bei denen das Nitrifikationsbecken oder einzelne Zonen desselben kontinuierlich belüftet werden, vorzugsweise Kläranlagen, die nach den Verfahren der vorgeschalteten oder simultanen Denitrifikation arbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Parametern Redoxpotential und/oder pH-Wert ein je nach Belastung der Kläranlage variabler Sollwert für eine an sich bekannte Sauerstoffregelung berechnet wird, wobei der variable Sauerstoffsollwert aus der Differenz des gemessenen aktuellen Redoxpotentialistwertes und/oder aktuellen pH-Wertes und des für die jeweilige Kläranlage spezifischen Normals des Redox- und/oder pH-Wertes berechnet wird.This is the method according to the invention for load-dependent, self-parameterizing regulation of the ventilation of sewage treatment plants, where the nitrification basin or individual zones of the same continuously ventilated are, preferably sewage treatment plants that according to the process of upstream or simultaneous denitrification work, characterized in that from the parameters redox potential and / or A pH value that is variable depending on the load on the sewage treatment plant for one known oxygen control is calculated, the variable oxygen setpoint from the difference of the measured actual redox potential actual value and / or current pH value and that for the respective sewage treatment plant specific standard of the redox and / or pH value is calculated.
Für die Ermittlung des für die jeweilige Kläranlage spezifischen Normals des Redox- und/oder pH-wertes wird ein Mittelwert aus dem Langzeitverhalten der Meßwerte, Redoxpotential und/oder pH-Wert in einer Weiterbildung der Erfindung herangezogen.For the determination of the for the respective wastewater treatment plant specific norm of the redox and / or pH value becomes an average from the long-term behavior of the measured values, redox potential and / or pH value used in a development of the invention.
Vorteilhafterweise erfolgt die Mittelwertbildung über einen Zeitraum gleich oder größer der mittleren Verweildauer des Klärgutes in der Kläranlage.The averaging is advantageously carried out via a Period equal to or greater than the average residence time of the sewage material in the sewage treatment plant.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausbildung der Erfindung erfolgt die Bestimmung der Mittelwerte zur Berechnung des Redox- und/oder pH-Wertes durch die Bildung einer Amplitudenhäufigkeit, wobei der Mittelwert ein wählbares Quantil der Amplitudenhäufigkeit ist.In another advantageous one Embodiment of the invention is used to determine the mean values Calculation of the redox and / or pH value by forming a Amplitude frequency, where the mean is a selectable Quantile of the amplitude frequency is.
In einer weiteren, zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung wird der Sollwert der Sauerstoffkonzentration aus der Summe des mathematischen Produktes einer einstellbaren Konstante und aus der Differenz des Redox- und/oder pH-Wertes und eines vorgegebenen Sauerstoffgrundwertes gebildet.In a further, appropriate further training According to the invention, the target value of the oxygen concentration is determined the sum of the mathematical product of an adjustable constant and from the difference between the redox and / or pH value and a predetermined one Basic oxygen value formed.
Durch messende Beobachtung von relevanten
Prozeßgrößen in der
Nitrifikationszone über
einen langen Zeitraum wird das Normalverhalten der Kläranlage
erfasst, aus der Differenz dieses Normals mit dem aktuellen Wert
der aktuellen Belastungszustand der Kläranlage ermittelt und aus diesem
Zustandswert ein optimaler Sauerstoffsollwert für die Sauerstoffregelung berechnet.
Der Sauerstoffsollwert wird einem an sich bekannten Regler (z.B. PID-Regler)
zugeführt.
Erfindungsgemäß werden
als relevante Prozeßgrößen das
Redox-Potential und/oder
der pH-wert herangezogen. Mit dem Verfahren zur Regelung der Belüftung für intermittierende
Klärwerke
(
Das Verfahren soll im Folgenden an einem Beispiel und den zugehörigen Zeichnungen näher erläutert werden: Es zeigen:The procedure is set out below an example and the related Drawings closer explained will show:
Ein beispielhafter Aufbau einer Kläranlage mit
vorgeschalteter Denitrifikation ist in
Das Redoxpotenzial, der pH-Wert und
der Gelöstsauerstoff
werden in den Kaskaden
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung der
Belüftung
ist in
Das Redoxpotenzial bzw. der pH-Wert
werden von entsprechenden Sensoren als Analogwerte
Es wird ein Referenzwert
Bei Abweichen des Redoxistwertes
+3 mg/l je –100mV Redoxdifferenz zwischen Ist-
und Sollwert.). Der ermittelte Sauerstoffwert wird geglättet und
nach oben und unten begrenzt und an einen PID-Regler
- 11
- Sandfang/FettfangSand trap / grease trap
- 22
- Vorklärbeckenprimary clarifier
- 2a2a
- Verteilerdistributor
- 33
- Straßeroad
- 44
- Straßeroad
- 55
- Straßeroad
- 66
- Kaskadecascade
- 77
- Kaskadecascade
- 88th
- Kaskadecascade
- 99
- Kaskadecascade
- 1010
- Kaskadecascade
- 1111
- Kaskadecascade
- 1212
- Kaskadecascade
- 1313
- ZusammenflußConfluence
- 1414
- Nachklärbeckensecondary clarifier
- 1515
- Nachklärbeckensecondary clarifier
- 1616
- innere Rezirkulationinner recirculation
- 1717
- RücklaufschlammförderungReturn sludge promotion
- 1818
- Analogwertanalog value
- 1919
- Vorverarbeitungsmodulpreprocessing
- 2020
- Normalübertragungnormal transmission
- 2121
- Modul für die Ermittlung des Kläranlagennormalsmodule for the Determination of the sewage treatment plant standard
- 2222
- Redox- bzw. pH-Sollwertredox or pH setpoint
- 2323
- ReglermodulControl module
- 2424
- Redox- bzw. pH-Istwertredox or actual pH value
- 2525
- Referenzwertreference value
- 2626
- SauerstoffsollwertOxygen setpoint
- 2727
- PID-ReglerPID controller
- 2828
- GelöstsauerstoffistwertGelöstsauerstoffistwert
- 2929
- LuftschieberstellungswertAir slide position value
- 3030
- ZweipunktreglerTwo-point controller
- 3131
- Zeitreihetime series
- 3232
- Zeitreihetime series
- 3333
- AmplitudenhäufigkeitsverteilungAmplitude frequency distribution
- 3434
- AmplitudenhäufigkeitsverteilungAmplitude frequency distribution
- 3535
- mittleres Kläranlagennormalaverage normal treatment plant
Claims (5)
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- 2002-07-09 DE DE10231908A patent/DE10231908A1/en not_active Ceased
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Legal Events
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