DE4415602A1 - Prozeßführung der aeroben Abwasserbehandlung mit Hilfe eines Verfahrens und einer Anlage, die eine an der Substratabbaurate der Organismen ausgerichtete Steuerung/Regelung ermöglicht - Google Patents

Description

Aerobe biologische Abwasserbehandlungsanlagen sind dazu bestimmt, Abwässer verschiedener Zusammensetzung und Menge mikrobiell weitgehend von organischen (kohlenstoffhaltigen) sowie stickstoffhaltigen Bestandteilen zu reinigen. Dazu ist es nötig, die Organismen mit reinem Sauerstoff oder mit Luftsauerstoff zu versorgen. Die Mikroorganismen setzen die Bestandteile im Abwasser in Kohlendioxid, Stickstoff und Mikroorganismenmasse um. Die Prozeßführung solcher Anlagen ist darauf ausgerichtet, die gesetzlich vorgegebenen Grenz­ werte für den Ablauf des Abwassers aus der Anlage sicher zu erreichen, auch wenn die Menge des Abwassers sowie die Konzentration und die Art der zu entfernenden Bestandteile schwankt. Ein besonderes Problem dabei ist es, daß die Stickstoffentfernung von einem Konsortium meh­ rerer, gegenüber Belastungsschwankungen sehr empfindlicher Organismen bewerkstelligt wird. Da Menge, Art und Aktivität der einzelnen Organismengruppen sowie deren Tot- und Lebend­ anteile mit den heute verfügbaren Meßverfahren online nicht voneinander getrennt bestimmt werden können, ist man für den Routinebetrieb der Abwasserbehandlungsanlagen nach wie vor auf empirische Erfahrung angewiesen.

Das herkömmliche Mittel zur Gewährleistung der Betriebssicherheit sind große Anlagenvo­ lumina, mit denen lange Aufenthaltszeiten (Verweilzeiten) des Abwassers in der Anlage er­ möglicht werden. Typische Werte sind Verweilzeiten von 6 bis 24 Stunden, wobei der erste Wert eher für kommunale Abwässer, der zweite eher für hochbelastete Abwässer aus dem In­ dustriebereich gilt. Weitere bekannte Maßnahmen zur Stabilisierung des Betriebs solcher An­ lagen sind z. B. das Einstellen einer möglichst hohen Konzentration der Organismen oder das Einstellen eines bestimmten Konzentrationsniveaus des im Abwasser gelösten Sauerstoffs.

Die Betriebskosten der Anlagen werden vor allem bestimmt durch die Kosten für die Besei­ tigung des Schlamms (also der aus der Anlage ausgeschleusten Organismenmasse), für die Begasung (das energieverbrauchende Einblasen von Luft oder Sauerstoff in das Abwasser), die Abschreibung (also Gestehungskosten in Folge der Größe und Ausstattung der Anlage), und die personalintensive Analytik. Kleinere, hoch automatisierte Anlagen mit der Möglich­ keit, die Begasung auf die jeweils benötigte Aktivität der Organismen einzustellen und die Schlammbildung zu begrenzen, bringen deutliche Kostenvorteile, wenn die gesetzlich gefor­ derten Ablaufwerte nach wie vor sicher erreicht werden. Dies erfordert jedoch eine recht komplexe Prozeßführung.

Es sind mehrere Fahrweisen und Regelstrategien für aerobe Abwasserbehandlungsanlagen bekannt. Auf eher empirischen Erfahrungen beruhen z. B. folgende Methoden [1]:

• - konstante Schlammkonzentration (empfiehlt sich bei geringen Schwankungen der Zulaufqualität)
• - konstante Schlammbelastung (die Menge an Fracht, bezogen auf die Schlamm­ konzentration wird konstant gehalten)
• - konstantes Schlammalter (die Aufenthaltszeit des Schlamms in der Anlage wird kon­ stant gehalten) [2].

Letztlich zeigen alle Verfahren gleichermaßen Nachteile, weil sie sehr oft Korrekturen durch einen erfahrenen Anlagenbediener erfordern, worauf in den entsprechenden Untersuchungen [1] ausdrücklich hingewiesen wird.

Es lassen sich mindestens vier Pfade identifizieren, die zur Verbesserung dieser Situation be­ schritten wurden:

1. Nutzung der Erfahrung der Anlagenbediener

Seit Bekanntwerden der modernen Methoden, die Expertensysteme bieten, wurde versucht, das unstrukturierte Wissen erfolgreicher Anlagenbediener in Regeln abzubilden und auf einem Computer zu implementieren, um mit dessen Hilfe die Anlage automatisch zu führen. Hier­ über liegt eine umfangreiche Untersuchung vor [3], ohne daß es zu einer konkreten Anwen­ dung gekommen wäre.

Ebenso hat man versucht, die Regeln mit Hilfe von Fuzzy-Algorithmen zu fassen [4]. Auch hier sind konkrete Anwendungen für die Führung des Gesamtprozesses unter Alltagsbeding­ ungen nicht bekannt; erfolgreich eingesetzt wurde ein Fuzzy-Verfahren zur Steuerung der Zugabe von Antischaummittel der Firma Andritz, Graz.

2. Verwendung deterministischer mathematischer Modelle

Komplexe und verwickelte Vorgänge lassen sich häufig verstehen, wenn ihre wichtigsten Elemente mit Hilfe mathematischer Modelle beschrieben werden. Gerade für die Abwasser­ behandlung wurden viele solcher Modelle entwickelt. Diese Modelle folgen üblicherweise einem bestimmten Grundaufbau, in dem Bilanzgleichungen für die Konzentrationen der wich­ tigsten Substanzen und für die Mikroorganismen in den Belebungsbecken einer Anlage auf­ gestellt werden. Gemäß diesem Schema ergibt sich die Änderung der Konzentration einer Substanz in einer Anlage aus der Differenz der Mengen im Zulauf und Ablauf, vermindert um den Anteil, der von den Organismen umgesetzt wurde. Außerdem kann die Konzentration ei­ ner Substanz auch durch Ausscheidungen der Organismen erhöht werden. Die Änderung der Organismenmenge in der Anlage ist gleich der Differenz aus der Menge der zugeführten und abgeführten Organismen, vermehrt um den Zuwachs in Folge des Substratabbaus. Die Zu­ wachsgeschwindigkeit ist dabei an die Abbaugeschwindigkeit gekoppelt. Schließlich muß noch in einem kinetischen Ansatz eine Beziehung hergestellt werden zwischen der Geschwin­ digkeit, mit der die Organismen das Substrat abbauen und der jeweiligen Konzentration des Substrats im Abwasser. Die Abbaugeschwindigkeit (Substratabbaurate) wird meistens als proportional zur Konzentration der aktiven Mikroorganismen und zu deren Wachstumsrate angenommen. Bisweilen wird die Stoffwechselaktivität der Organismen ihrerseits wiederum an interne Zustände der Organismen, etwa an die ATP Konzentration gebunden.

Solche Modelle sind deterministisch in dem Sinne, daß bei vorgegebenen Mengenströmen und vorgegebener Konzentration des Zulaufs das Modell vollständig bestimmt ist, weil die Abhängigkeit der Aktivität der Organismen von der Substratkonzentration und evtl. weiteren Einflußgrößen durch die unveränderlichen Parameter der kinetischen Beziehungen fest vor­ gegeben ist.

Die Unterschiede der bekannten Modelle beziehen sich vor allem auf die Anzahl der betrach­ teten Arten von Mikroorganismen und Substraten sowie die Art der postulierten kinetischen Zusammenhänge.

Bekannt ist beispielsweise der Ansatz von Wiesmann [5]. Er benutzt eine einzige Art von Or­ ganismen für den aeroben Abbau aller kohlenstoffhaltigen Verbindungen und faßt diese Ver­ bindungen unter der üblichen Kenngröße des CSB (chemischer Sauerstoffbedarf) zu einer einzigen Größe zusammen. Die Kinetik folgt dem bekannten Ansatz von Monod, demzufolge die Aktivität der Organismen zunächst mit steigender Substratkonzentration zunimmt, um ab einer gewissen Konzentration praktisch konstant zu bleiben.

Ebenso definiert Wiesmann je eine Organismenart für die Umwandlung von Ammonium zu Nitrit, sowie für die Umwandlung von Nitrit zu Nitrat. Somit umfaßt der Ansatz drei Substrat- und drei Mikroorganismenarten, wobei in der Kinetik zusätzlich der Einfluß des im Abwasser gelösten Sauerstoffs berücksichtigt wird. Gujer [6] beschreibt auch die Denitrifikation des bei der Nitrifkation entstandenen Nitrates durch eine weitere Organismenart. Allerdings geht man i.A. davon aus, daß die Umwandlung von Nitrat in Stickstoffgas von den gleichen Organis­ men bewerkstelligt wird, die auch die Kohlenstoffverbindungen abbauen; allerdings muß da­ bei für ein sauerstofffreies Milieu gesorgt werden. Als weitere Variante ist noch die direkte Re­ duktion von Nitrit zu Stickstoffgas bekannt [7].

Solche Modelle sind geeignet, um biologische Abwasserbehandlungsanlagen nach Durch­ schnittswerten überschläglich auszulegen. Sie sind aber nicht geeignet, bei schwankenden Zulaufbedingungen den beobachteten Verlauf der Umsetzung wiederzugeben.

Ein weitergehender Ansatz wird von einem Konsortium verschiedener Autoren [8] vorge­ schlagen. Anstatt eine summarische Größe für die Konzentration der kohlenstoffhaltigen Substrate zu verwenden, teilt man die Kohlenstoffverbindungen in verschiedene Klassen ein, die zu einem unterschiedlichen Umsatzgrad abgebaut werden. Noch weiter geht ein Ansatz [9], bei dem nicht nur verschiedene Substratklassen vorkommen, sondern auch jeder Klasse eine eigene Organismenart zugeordnet wird. Beide Ansätze beeinhalten die Schwierigkeit, daß es unklar ist, wie die einzelnen Klassen voneinander abzugrenzen sind angesichts der Tatsa­ che, daß keine eindeutigen Meßverfahren zur Bestimmung der verschiedenen Mikroorganis­ men- und Substratklassen bekannt sind.

3. Identifikation der in den Modellen verwendeten Parameter

Will man ein mathematisches Modell zur Simulation einer bestimmten biologischen Abwas­ serbehandlungsanlage einsetzen, sind die im Modell verwendeten Parameter so zu bestimmen, daß das Modell die spezifischen Gegebenheiten der Anlage und der darin ablaufenden Prozes­ se genau genug wiedergibt. Dazu werden die im Modell verwendeten Parameter so gewählt, daß die Abweichung zwischen gemessenem und simuliertem Verlauf der Substrate und der Gesamtbiomasse im Mittel über einen gewissen Zeithorizont minimal wird. Die zur Identifi­ kation benötigten Meßdaten haben für den betrachteten Zeitraum vorab und vollständig zur Verfügung zu stehen. Es können also nur Meßwerte aus einem vergangenen Zeitraum ver­ wendet werden, aktuelle Messungen finden in diese Art der Parameteridentifikation keinen Eingang. Einen Überblick über die bekannten Methoden der sog. "Identifikation von dynami­ schen Systemen" geben die Bücher von Rolf Isermann "Identifikation dynamischer Systeme", Band I und II [10]. Ihre Anwendung auf die Identifikation von Parametern eines Modells einer biologischen Abwasserbehandlung wird prinzipiell als möglich [11] erachtet, Beispiele zur konkreten Ausführung werden allerdings nicht angegeben.

Grundsätzlich erhält man bei dieser Vorgehensweise einen konstanten Parametersatz. Ein ge­ messener Prozeßverlauf kann mit dieser Methode über eine gewisse Zeit zwar im Mittel gut wiedergegeben werden, zu einzelnen Zeitpunkten ergeben sich aber beträchtliche positive und negative Abweichungen vom realen Verlauf des Prozeßgeschehens.

Damit ist es ein prinzipieller Nachteil dieser Methode, daß aktuelle Änderungen des Abbau­ verhaltens der Organismen, die in der Kinetik nicht explizit erfaßt sind, auch nicht wiederge­ geben werden können. So gibt es immer wieder Zustände auf Abwasserbehandlungsanlagen, z. B. verursacht durch die Wirkung toxischer Substanzen, die nur sehr schlecht erfaßbar sind. Viele Autoren, z. B. [12, 13] weisen daher daraufhin, daß letztlich die Aktivität der Organis­ men und damit die Substratabbaurate nicht deterministisch vorgegeben werden kann, sondern jeweils dem aktuellen Zustand der Anlage gemäß bestimmt werden sollte.

4. Verwendung modellgestützter Meßverfahren

Es ist praktisch unmöglich, die Aktivität der Mikroorganismen direkt auf einer Abwasser­ behandlungsanlage selbst zu messen. Auch eine umfassend brauchbare deterministische Beschreibung der Abhängigkeit der Aktivität von den herrschenden Einflußgrößen ist auf­ grund der Vielzahl unbekannter Wirkzusammenhänge nicht möglich. Deshalb wird versucht [14], sog. modellgestützte Meßverfahren anzuwenden.

Diese Verfahren ermöglichen es, Meßwerte in ein Prozeßmodell aktuell einzuspeisen und an­ hand veränderlicher Größen, die mit diesen Meßwerten verbunden sind, den Prozeßzustand praktisch online zu charakterisieren. Bekannte Verfahren sind die sogenannten Beobachter (z. B. Luenberger-Beobachter [15, 16]) oder, falls statistische Störungen, die ein Rauschen der Meßwerte oder des Prozeßverlaufs bewirken, berücksichtigt werden sollen, das sogenannte Kalman-Filter [17, 18].

Man hat damit die Möglichkeit von der Abnahme der zeitlichen Invarianz der Parameter abzu­ gehen, so daß auch Änderungen des Prozeßverhaltens wiedergegeben werden können, die nicht in Form von Kinetiken explizit beschrieben sind. Allerdings verliert das mathematische Modell dadurch seine Autonomie; es muß durch die Messungen gestützt werden. Man wird damit in die Lage gesetzt, z. B. aufgrund von toxischen Einflüssen veränderte Abbauaktivi­ täten online zu rekonstruieren und für die Prozeßführung der Abwasserbehandlungsanlage zu berücksichtigen.

Eine Alternative zu den mathematischen Modellen wäre der Aufbau von Versuchs -Modell­ anlagen, auf denen aus charakteristischen Versuchen auf das Verhalten der Organismen ge­ schlossen werden kann. Bekannt sind z. B. die Messung der Atmungsaktivität der Organismen, die mit deren augenblicklicher Abbauaktivität zusammenhängt. Es ist auch denkbar, parallel zur Betriebsanlage eine kleine Modellanlage zu betreiben, die mit einem Standardsubstrat be­ schickt wird. Vergleicht man die Atmungsaktivitäten der Organismen dieser beiden Anlagen, so erhält man Hinweise z. B. auf den Grad der Hemmung. Auch hier sind keine Anlagen be­ kannt geworden, die praktisch einsetzbar wären.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß zwar die Idee, die Prozeßführung einer biologi­ schen aeroben Abwasserbehandlungsanlage an der Aktivität der Organismen zu orientieren, seit längerem diskutiert wird, daß aber bis heute keine Möglichkeit bekannt ist, diese Idee für den Betriebsalltag üblicher Abwasserbehandlungsanlagen umzusetzen.

Gegenstand der Erfindung

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, mit dem eine biologische aerobe Abwasserbehandlungsanlage an der Substratabbaurate der Mikroorganismen orientiert auto­ matisch geführt wird, sowie eine Anlage, auf der das erfindungsgemaße Verfahren zur An­ wendung kommt. Dieses Verfahren ist, wie im folgenden näher beschrieben werden soll, ge­ bunden an einen bestimmten Aufbau der Anlage, eine bestimmte Ausstattung der Anlage mit Meß- und Stellinstrumenten, an den Anschluß dieser Instrumente an ein herkömmliches Pro­ zeßautomatisierungssystem, das seinerseits mit einem Programm zusammenarbeitet, welches nach bestimmten Regeln abläuft, gemaß derer die Identifikation der Substratabbaurate der Or­ ganismen so vorgenommen wird, daß eine Prozeßführung möglich wird. Insbesondere kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens unterschieden werden, ob eine Änderung der Abbaurate lediglich mit Schwankungen der Menge bzw. Konzentrationen im Zulauf verbun­ den ist, oder ob eine physiologische Beeinträchtigung der Organismen vorliegt. Das Verfahren ist in der Lage, simultan die Substratabbauraten der Organismen des Kohlenstoffabbaus und des Stickstoffabbaus zu verfolgen.

Das erfindungsgemaße Verfahren kann auf jeder konventionellen Abwasserbehandlungsan­ lage angewandt werden, die in ihrem Aufbau mindestens aus folgenden Teilen besteht (Fig. 1):

Einem Pufferbehälter (1), um zu behandelndes Abwasser zu speichern, einem Belebungs­ becken (2), in dem die Organismen mit Luft oder Sauerstoff versorgt werden und in dem der Abbau stattfindet, und einem Abscheider (3), in dem der vorwiegend aus Mikroorganismen bestehende Schlamm vom gereinigten Abwasser getrennt wird, wobei die Behälter (1), (2) und (3) miteinander über Leitungen verbunden sind und vom Abscheider (3) in einer Leitung (4) Schlamm zum Belebungsbecken (2) zurückgeführt wird.

Die Anlage weist mindestens folgende Meß- und Stellinstrumente auf (die Instrumente sind gemäß ihrer Funktion mit Buchstaben nach DIN gekennzeichnet; dabei steht C für Regler, F für Durchfluß, I für Anzeige, L für Niveau, Q für die rechts unten neben dem Symbolkreis angegebene Qualitätsgröße und T für Temperatur):

Der Pufferbehälter (1) besitzt eine Füllstandsanzeige (5). Am Ausfluß (7) vom Pufferbehälter (1) zum Belebungsbecken (2) sind eine Durchflußmessung (9) und eine Möglichkeit (10), die Konzentration an Kohlenstoffverbindungen und an Stickstoff zu messen, angebracht. Außer­ dem befindet sich in der Leitung am Ausfluß (7) ein Stellelement (8), beispielsweise eine Klappe oder ein Ventil, mit dem die Menge des in das Belebungsbecken (2) fließenden Ab­ wassers kontrolliert werden kann.

Im Belebungsbecken (2) sind Einrichtungen zum Messen der Temperatur (11) und der Kon­ zentration an im Abwasser gelöstem Sauerstoff (12) angebracht, ferner eine Einrichtung zum Messen und zur Kontrolle des pH-Werts (13) sowie zur Bestimmung der organischen Trockensubstanz (14). In der Zuluftleitung (17) ist eine Vorrichtung zur Messung (15) und Kontrolle (6) der Zuluftmenge angebracht. Der Sollwert der Kontrolle der Zuluftmenge wird von der Konzentration an gelöstem Sauerstoff (12) abgeleitet (16). In der Zulaufleitung (18) des Abscheiders (3) befindet sich eine Möglichkeit (19) zur Bestimmung der Konzentration von Kohlenstoffverbindungen und von Stickstoff. In der Schlammrücklaufleitung (4) befinden sich eine Einrichtung zur Messung der durch die Leitung fließenden Menge (20) sowie der Konzentration an organischer Trockensubstanz (21). Außerdem befindet sich in dieser Lei­ tung (4) ein Stellelement (22) zur Kontrolle des Mengenstroms. In der Leitung (25) zur Ab­ führung des Überschußschlamms befinden sich eine Einrichtung zur Messung der durch die Leitung fließenden Menge (23) und ein Stellelement (24) zur Kontrolle des Mengenstroms. Bei manchen Bauarten könnte sich eine Einrichtung zur Messung der durch die Leitung flie­ ßenden Menge sowie der Konzentration an organischer Trockensubstanz und ein Stellelement zur Kontrolle des Mengenstroms in der Ablaufleitung (26) des Abscheiders befinden. In die­ sem Fall lassen sich die entsprechenden Einrichtungen entweder in der Rücklaufleitung (4) oder in der Überschußschlammleitung (25) einsparen.

Alle erwähnten Einrichtungen zur Messung und zum Stellen sind mit einem System verbun­ den, das die Meßdaten aufnehmen, verarbeiten und die entsprechenden Kontrollbefehle aus­ senden kann. Typischerweise wird hierzu ein auf dem Markt erhältliches Prozeßleitsystem, eine speicherprogrammierbare Steuerung oder ein Prozeßrechner eingesetzt. Dieses System wiederum ist verbunden mit einem weiteren System, auf dem drei modellgestützte Program­ me ablaufen:

• a) ein Programm (I), mit dem On-line die Substratabbaurate der Mikroorganismen aus den zur Verfügung stehenden Messungen bestimmt werden kann,
• b) ein Programm (II), das aus Meßwerten, die über einen längeren Zeitraum der Vergangen­ heit gesammelt wurden, diejenigen Parameter zur Berechnung der Substratabbaurate be­ stimmt, bei denen über diesen Zeitraum die mittlere Abweichung von Meß- und Rechen­ werten minimal ist, und
• c) ein Programm (III), das mit den aus b) ermittelten Parametern, den aktuellen Werten der auf der Anlage eingestellten Mengenstrome sowie der Zulaufkonzentrationen den Abbau für ungestörte Organismen simuliert. Dieses Programm liefert sozusagen die "Leitlinie" des Substratabbaus durch die Organismen für die Prozeßführung.

Als Programm (I) wird vorzugsweise ein Luenbergerbeobachter oder ein Kalmanfilter ver­ wendet. Bei dem Programm (II) handelt es sich vorzugsweise um ein Optimierungsprogramm, mit dessen Hilfe aus vorgegebenen Daten der statistisch beste Parametersatz bestimmbar ist.

Das Programm (III) stellt vorzugsweise ein übliches numerisches Programm zum Lösen von Differentialgleichungen dar.

Unter Programm wird jede Art einer Folge geplanter und damit geordnet ablaufender Aktivi­ täten verstanden. Bevorzugt handelt es sich um Programme, die in Form von Software auf Computern implementiert sind, es kann z. B. aber auch eine Folge von Meßaktivitäten sein oder eine Kombination aus Messungen und Berechnungen, wobei es unerheblich ist, ob die Messungen automatisch oder auch von Hand ausgeführt werden.

Es hat sich nun überraschenderweise herausgestellt, daß sich, wenn man die mitgeteilten Einrichtungen benutzt, eine stabil reproduzierbare Möglichkeit ergibt, die verschiedenen Ur­ sachen von Schwankungen der Abbauraten wie folgt zu differenzieren:

Wirkt das Substrat nicht hemmend oder aktivierend auf die Organismen, so ergeben die Pro­ gramme (I) und (III) im wesentlichen die gleichen Ablaufwerte bei gleichen Abbauraten. Wer­ den dagegen die Organismen vergiftet oder besonders aktiviert, so unterscheiden sich die Ab­ bauraten signifikant. Im ersten Fall läßt sich die Anlage allein mit den im Fig. l gezeigten Stellgrößen auf Betriebspunkte einstellen, die bei vorgegebenem Ablaufwert günstige Be­ triebsbedingungen bieten. Dies könnte z. B. eine energiesparende Fahrweise sein, aber auch ein Vorbereiten auf abzusehende Zulaufänderungen. Im zweiten Fall, wenn die Organismen gehemmt werden, hat man auf physiologische Änderungen der Aktivität zu reagieren. Hier bietet es sich an, eine Strategie zu fahren, bei der der Minderung der Abbaurate durch Er­ höhung der Mikroorganismenmenge im Belebungsbecken, durch Verdünnung des Zulaufs oder durch Verminderung der Zulaufmenge gegengesteuert wird.

Funktionsweise des Verfahrens

Im Pufferbehälter (1) wird das anfallende Abwasser gesammelt. Der Behälter ist durch­ schnittlich etwa zur Hälfte gefüllt, da Abwasser darin je nach Bedarf entweder gestapelt wird oder mehr abgelassen wird, als zuläuft. Im Belebungsbecken (2) wandeln Organismen die In­ haltsstoffe des Abwassers um. Dabei werden die kohlenstoffhaltigen Verbindungen in Koh­ lendioxid und Mikroorganismenmasse umgewandelt, die Stickstoffverbindungen, insbeson­ dere der Ammoniak, zu Nitrit und zu Nitrat oxidiert. Hierfür nehmen die Organismen aus dem belüfteten Abwasser den Sauerstoff auf. In anoxen (nicht belüfteten) Zonen des Beckens wird schließlich das Nitrat von Organismen zu Stickstoffgas weiter reduziert. Die Mikroorganis­ men (Schlamm) werden in einen Abscheider (3) geleitet, wo der Schlamm sedimentiert, also nach unten sinkt und sich dabei aufkonzentriert. Der klare und von den belastenden Bestand­ teilen gereinigte Überlauf verläßt die Anlage. Ein Teil des sedimentierten Schlamms wird wieder in das Becken zurückgeführt, ein anderer Teil verläßt als Überschußschlamm die Anla­ ge und muß weiter entsorgt werden.

In bestimmten Zeitabständen werden nun die folgenden Meßgrößen registriert: die Sauer­ stoffkonzentration im Becken, die Zulauf- und Ablaufmengen, die Konzentrationen von Koh­ lenstoff und Stickstoff im Zulauf, das Niveau im Pufferbehälter und die Begasungsmenge kontinuierlich; möglichst oft (vorzugsweise alle 6 Stunden bis täglich) werden Feststoffgehalt (Schlamm), Kohlenstoff (als "total organic carbon" TOC, oder CSB), Ammoniak, Nitrit und Nitrat im Becken bestimmt. Außerdem ist stets eine pH - Kontrolle aktiv. Diese Daten werden gespeichert und stehen so für weitere Auswertungen, für die Dokumentation und für die oben erwähnten Programme (I) bis (III) zur Verfügung.

Entscheidend für das erfindungsgemäße Verfahren ist, daß

• a) mit Hilfe eines Programms (I) aus aktuellen Daten der oben genannten Meßgrößen on-line ein aktueller Parametersatz für die Substratabbaurate der Mikroorganismen bestimmt wird,
• b) mit Hilfe eines Programms (II) aus Daten dieser Meßgrößen, die über einen längeren Zeit­ raum der Vergangenheit gesammelt wurden, ein Parametersatz zur Beschreibung der durch­ schnittlichen Substratabbaurate der Mikroorganismen bestimmt wird,
• c) mit Hilfe eines Programms (III) aus nach b) bestimmten Parametern, den aktuellen Werten der auf der Abwasserbehandlungsanlage eingestellten Mengenströme und der Konzentratio­ nen von Kohlenstoff und Stickstoff im Zulauf deterministisch diejenige Substratabbaurate der Mikroorganismen bestimmt wird, die für ungestörte Mikroorganismen charakteristisch ist (Leitlinie des ungestörten Abbaus),

wobei die Programme (I) und (III) im wesentlichen die gleichen Ablaufwerte bei gleichen Abbauraten ergeben, wenn das Substrat weder hemmend noch aktivierend auf die Mikroor­ ganismen wirkt, während im Falle der Vergiftung oder Aktivierung der Mikroorganismen sich signifikant unterschiedliche Substratabbauraten ergeben, und die Differenz der mit Hilfe der Programme (I) und (III) ermittelten Werte zur Regelung der Stellgrößen der Anlage dienen.

Dabei ist es unerheblich, ob die Stellgrößen manuell durch einen Anlagenbediener oder auto­ matisiert eingestellt werden.

In den Programmen (I) bis (III) werden zweckmäßigerweise mathematische Modelle ver­ wendet, die die Raten des Abbaus von Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen beschreiben, wobei in den mathematischen Modellen die Änderungen der Substratabbauraten durch Ände­ rungen der spezifischen Wachstumsraten der Organismen, ihr Ertrags- oder Umsatzverhalten oder durch mit diesen gekoppelte Größen, z. B. die ATP-Konzentration, charakterisiert werden.

Bevorzugt wird der Abbau der Kohlenstoffverbindungen durch die Wirkung einer einzigen Mikroorganismenkonzentration und einer einzigen Substratkonzentration modelliert, dagegen wird der Stickstoffabbau modelliert durch die drei Abbauschritte, [1] Ammoniak zu Salpe­ triger Säure, [2] von Salpetriger Säure zu Salpetersäure und [3] von Salpetersäure zu Stick­ stoffgas, wobei die ersten beiden Schritte [1] und [2] jeweils von einer eigenen Mikroorga­ nismenart, der letzte Schritt [3] von den kohlenstoffabbauenden Organismen unter Sauer­ stoffausschluß durchgeführt wird.

Im Programm (I), welches teilweise oder ausschließlich modellgestützte on-line-Meß­ verfahren zur Bestimmung der Rate des Substratverbrauchs durch die Mikroorganismen umfaßt, wird bevorzugt ein Kalmanfilter oder ein Luenbergerbeobachter verwendet.

Im Programm (III) wird die Abbauleistung der Organismen deterministisch an die im Abwasser herrschende Temperatur angepaßt.

Sind die Organismen nicht gestört, so stimmen die von Programm (III) und (I) errechneten Parametersätze überein. In diesem Fall kann ohne weiteres ein für den Betrieb der Anlage wirtschaftlich besonders günstiger Zustand eingestellt werden. Stimmen die beiden Parame­ tersätze nicht überein, so wird die Prozeßführung vor allem darauf gerichtet, die Ablaufqua­ lität nicht zu gefährden. Insbesondere bietet es sich an, die Belastung der Anlage zurückzu­ nehmen und die Schlammkonzentration zu erhöhen. Diese Maßnahmen können wiederum so durchgeführt werden, daß die Betriebskosten der Anlage möglichst günstig bleiben. Auch solche Regelstrategien lassen sich automatisieren. So kann ein weiteres Programm (IV) z. B. einen ungestörten Betriebszustand aufgrund der Gleichheit der Ergebnisse von Programm (I) und (III) erkennen und dann automatisch eine gewünschte kostengünstige Prozeßführung ein­ stellen, oder ein weiteres Programm (V) kann z. B. einen gestörten Betriebszustand erkennen und den Prozeß so führen, daß die Ablaufkonzentrationen vorgegebene Grenzwerte nicht überschreiten. Um die Erfahrungen des Anlagenfahrers mit zu berücksichtigen, können die Programme (IV) und (V) auch heuristische Regeln beinhalten oder Expertensysteme oder Fuzzy-Algorithmen benutzen.

Zur Veranschaulichung der Struktur des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Fig. 2 das vereinfachte Blockschaltbild der modellgestützten Prozeßführung einer biologischen Ab­ wasserbehandlungsanlage gezeigt. Unterschieden wird zwischen der Welt der realen Anlage und der Modellwelt der Programme (I) und (III). Der realen Anlage werden als Eingangs­ größen die Zulaufvolumenströme und die Zulaufkonzentrationen aufgegeben. In der Anlage werden als Meßgrößen bestimmt die Temperatur, die Sauerstoffkonzentration, die Konzentra­ tionen von Kohlenstoff und Stickstoff, das Niveau im Pufferbehälter und die Begasungs­ menge, der Feststoffgehalt (Schlamm), Kohlenstoff (als TOC oder CSB), Ammoniak, Nitrit und Nitrat. Außerdem ist stets eine pH-Kontrolle aktiv. Ausgangsgrößen sind die Volumen­ ströme und die Konzentrationen am Auslaß der Anlage. Die Eingangsgrößen der Anlage wer­ den online den Programmen (I) und (III) der Modellwelt zugeführt. Bestehen Abweichungen zwischen den von Programm (I) errechneten und den auf der Anlage gemessenen Ausgangs­ größen, so korrigiert Programm (I) charakteristische, die Aktivität der Organismen charakteri­ sierende Modellparameter so lange, bis die Abweichungen verschwinden. Diese Modellpara­ meter bleiben in Programm (III) unverändert. Stimmen diese Modellparameter in den Pro­ grammen (I) und (III) überein, so ist der Prozeß ungestört. Aus der Größe des Abstands und der Geschwindigkeit, mit der sich dieser entwickelt, kann im anderen Fall auf die Heftigkeit oder das Ausmaß einer Störung geschlossen werden.

Beispiel

Das vorliegende Beispiel beschreibt die ausgeführte Installation dieses Verfahrens auf einer industriellen Abwasserbehandlungsanlage (Fig. 3), in der gemäß dem bekannten Verfahren der vorgeschalteten Denitrifikation praktisch vollständige Stickstoffentfernung möglich ist. Ein Pufferbehälter (1), der groß genug ist, um die Abwassermenge mehrerer Verweilzeiten des größten Belebungsbeckens aufnehmen zu können, ist mit einem ersten belüfteten Be­ lebungsbecken (2b) über eine sog. anoxe Zone (2a) verbunden. Dies ist ein unbelüfteter Bereich eines Beckens oder ein unbelüftetes Becken. Dem ersten belüfteten Becken (2b) ist ein zweites Becken (2c) nachgeschaltet, das ebenfalls belüftet wird. Im nachfolgenden Ab­ scheider (3) wird der Schlamm vom gereinigten Abwasser getrennt. Das gereinigte Abwasser (26) wird - gegebenenfalls über weitere, für die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung nicht relevante Behandlungsstufen - in einen Vorfluter geleitet. Ein Teil des Schlamms wird über die Rücklaufleitung (4) wieder in die Anlage zurückgegeben, der Rest wird über die Überschußschlammleitung (25) einer Entsorgung zugeführt.

Diese Anlage ist mit folgenden Meßeinrichtungen ausgestattet:

Im Pufferbehälter (1) befindet sich eine Einrichtung zur Messung (5) des Füllgrads. Im Ablauf (7) des Pufferbehälters (1), in der Schlamm-Rücklaufleitung (4) und in der Überschuß­ schlammleitung (25) sind Geräte zur On-Line-Messung des Mengendurchsatzes (9, 20, 23) angebracht. In der Zuluftleitung (17) befindet sich eine Mengenmessung (15) für die Bega­ sungsluft. Jedes belüftete Becken (2b, 2c) ist mit einer Einrichtung zur On-Line-Messung des im Abwasser gelösten Sauerstoffs (12a, 12b) und des pH-Wertes ausgestattet. Es besteht die Möglichkeit, zur Bestimmung der Schlammkonzentration in den Becken oder am Ablauf (18) des Beckens (2c) und im Rücklauf (4) intermittierend Proben (19, 21) zu ziehen. Des weiteren stehen Vorrichtungen (10, 19) zur Verfügung zur Messung der Konzentration an zu entfernenden Kohlen- und Stickstoffbestandteilen im Zulauf (7) und im Ablauf (18) der An­ lage, gegebenenfalls auch in den einzelnen Becken selbst.

Die Anlage ist ferner ausgestattet mit Einrichtungen zum Einstellen des Zulaufstroms (8), des Rücklaufstroms (22) sowie der Menge (15) der den Becken zuzuführenden Begasungsluft (6a, 6b).

Zur Prozeßführung ist die Anlage ausgerüstet mit einem System zur automatischen Erfassung der Meßwerte und zum Bedienen der Stellelemente, vorzugsweise einer sog. speicherpro­ grammierbaren Steuerung (SPS) oder einem Prozeßleitsystem, und einem System zur Spei­ cherung der Meßwerte, vorzugsweise einer elektronischen Datenbank.

Auf dieser Anlage sind die drei Programme (I), (II) und (III) auf Rechnern installiert. Pro­ gramm (I) entspricht einem Kalmanfilter, Programm (II) einem Optimierungsprogramm, mit dessen Hilfe der statistisch beste Parametersatz über einen längeren, vergangenen Zeitraum bestimmt wird, und Programm (III) einem üblichen numerischen Programm zum Lösen für Differentialgleichungen. Die Substratabbaurate der Organismen entspricht in diesem Beispiel konkret der Zuwachsgeschwindigkeit der Mikroorganismen in Folge des Substratabbaus; un­ sere Erfahrung hat gezeigt, daß etwa der Zuwachs der Mikroorganismenmasse in Folge des Substratabbaus, der sog. Ertragskoeffizient, keine brauchbaren Resultate zur Kennzeichnung der Abbauaktivität lieferten. Dies ist aber eine spezielle, hier mitgeteilte Erfahrung für das vorliegenden Beispiel und bedeutet keinesfalls, daß nicht auch andere Größen zur Charakteri­ sierung der Abbauaktivität in Frage kommen können, die auf genau die gleiche Weise über modellgestützte Meßverfahren identifizierbar sind.

Prinzipielle Ergebnisse zeigen die Fig. 4 bis 6. In Fig. 4 sind die Substratabbauraten der verschiedenen Mikroorganismenarten aufgetragen, die von Programm (I) mit Hilfe der Meß­ werte während eines Zeitraums von 41 Wochen errechnet wurden. Zunächst erkennt man die für die aerobe Abwasserreinigung typische starke Schwankung der Abbauraten, von denen nach dieser Methode allein nicht gesagt werden kann, ob sie Folge von Störungen oder von unkritischen Schwankungen der Zulaufmengen oder -konzentrationen sind. Fig. 5 zeigt die Abbauraten, die das Programm (III) aus kinetischen Parametern der Vergangenheit (berechnet von Programm II) und den aktuellen Zulaufwerten erzeugt. Fig. 6 zeigt nun die Differenz der Ergebnisse beider Programme. Ist die Differenz klein, so sind die beobachteten Schwan­ kungen von den Zulaufmengen verursacht worden, und die Prozeßführung ist mit Hilfe der vorhandenen Stellgrößen optimierbar. Dort, wo in Fig. 6 Abweichungen auftreten, herrschen physiologische Einflüsse auf die Stoffwechselaktivität der Organismen vor. Ein wichtiges Ereignis war offenbar nach Woche 21 eingetreten, wo eine bestimmte Substanz eingeleitet wurde, die sich hemmend auf jene Organismen auswirkte, die Ammoniak in Nitrit umwan­ deln. Nachdem diese Substanz nicht mehr eingeleitet wurde, erholten sich die Organismen wieder. Interessant ist auch, daß die kohlenstoffabbauenden Organismen praktisch unbeein­ flußt von dieser Substanz blieben und über den gesamten Zeitraum offenbar ihre Aktivität stetig erhöhten.

Literatur

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[8] IAWPRC, Task Group on Mathematical Modelling for Design and Operation of Biolo­ gical Wastewater Treatment, M.Henze, C.P.L.Grady Jr, W.Gujer, G.v.R.Marais, T.Matsuo, Activated Sludge Model No. 1, Scientific and Technical Reports No. 1, Report published by IAWPRC, London, International Association on Water Pollution Research and Control
[9] V.B.Vasiliev, V.A.Vavilin, A Multispecies Model of Biological Treatment with Seqüntial Pollutant Oxidation, Biotechnology and Bioengineering, Vol. XXVII, Pp. 490-497 (1985)
[10] Rolf Isermann, Identifikation dynamischer Systeme, Band I und II, Springer-Verlag Berlin 1988
[11] M. Köhne, K. Hoen, G. Seibert, Regelung der Schlammrückführung - Neue Strategien entwickeln, Chemische Industrie 9/90, S. 25-30
[12] John C.Kabouris, Aris P.Georgakakos, Antonio Camara, Optimal Control of the Activa­ ted Sludge Process: Effect of Sludge Storage, Wat. Res. Vol. 26, No. 4 pp.507-517, 1992
[13] R.M.Tong, M.B.Beck, A.Latten, Fuzzy Control of the Actvated Sludge Wastewater Treatment Process, Automatica, Vol 16 pp 659-701
[14] Stefano Marsili-Libelli, Modelling, Identifikation and Control of the Activated Sludge Process, Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology Vol. 38 pp. 89-148
[15] O. Foellinger, Regelungstechnik, 5. Auflage, 1985, Dr.Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg
[16] M. Zeitz, The extended Luenberger observer for nonlinear systems, System and Control Letters 9 (1987)
[17] Arthur Gelb, Applied Optimal Estimation, THE M.I.T. PRESS Cambridge, Massachusetts and London
[18] K.Brammer, G.Siffling, Kalman-Bucy-Filter, Deterministische Beobachtung und sto­ chastische Filterung, 2. Auflage 1985, R.Oldenburg Verlag, München Wien

Claims (14)

1. Verfahren zur Führung einer biologischen aeroben Abwasserbehandlungsanlage, welches sich an der Substratabbaurate der Mikroorganismen orientiert, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) mit Hilfe eines Programms (I) aus aktuellen Daten von Meßgrößen on-line ein aktueller Parametersatz für die Substratabbaurate der Mikroorganismen bestimmt wird,
• b) mit Hilfe eines Programms (II) aus Daten von Meßgrößen, die über einen längeren Zeit­ raum der Vergangenheit gesammelt wurden, ein Parametersatz zur Beschreibung der durch­ schnittlichen Substratabbaurate der Mikroorganismen bestimmt wird,
• c) mit Hilfe eines Programms (III) aus den nach b) bestimmten Parametern und den aktuellen Werten der auf der Abwasserbehandlungsanlage eingestellten Mengenströme und der Kon­ zentrationen von Kohlenstoff und Stickstoff im Zulauf deterministisch diejenige Substratab­ baurate der Mikroorganismen bestimmt wird, die für ungestörte Mikroorganismen charakte­ ristisch ist,

wobei die Programme (I) und (III) im wesentlichen die gleichen Ablaufwerte bei gleichen Abbauraten ergeben, wenn das Substrat weder hemmend noch aktivierend auf die Mikroorga­ nismen wirkt, während im Falle der Vergiftung oder Aktivierung der Mikroorganismen sich unterschiedliche Substratabbauraten ergeben, und die Differenz der mit Hilfe der Programme (I) und (III) ermittelten Werte zur Regelung der Stellgrößen der Anlage dienen.

2) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der folgenden Meßgrößen verwendet wird:
die Sauerstoffkonzentration im Becken, die Zulauf- und Ablaufmengen, die Konzentrationen von Kohlenstoff und Stickstoff im Zulauf, das Niveau im Pufferbehälter, die Begasungs­ menge, der Feststoffgehalt, der Gehalt an Kohlenstoff, Ammoniak, Nitrit und Nitrat sowie der pH-Wert im Becken.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Programmen (I) bis (III) mathematische Modelle verwendet werden, die die Raten des Abbaus von Kohlenstoffverbin­ dungen und Stickstoffverbindungen beschreiben.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den mathematischen Mo­ dellen die Änderungen der Substratabbauraten durch Änderungen der spezifischen Wachs­ tumsraten der Organismen, ihr Ertragsverhalten oder mit diesen gekoppelte Größen charak­ terisiert werden.

5. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abbau der Kohlenstoffver­ bindungen durch die Wirkung einer einzigen Mikroorganismenkonzentration und einer einzi­ gen Substratkonzentration modelliert wird und der Stickstoffabbau modelliert wird durch die drei Abbauschritte [1] Ammoniak zu Salpetriger Säure, [2] von Salpetriger Säure zu Salpe­ tersäure und [3] von Salpetersäure zu Stickstoffgas, wobei die ersten beiden Schritte [1] und [2] jeweils von einer eigenen Mikroorganismenart, der letzte Schritt [3] von den kohlenstoff­ abbauenden Organismen unter Sauerstoffausschluß durchgeführt wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Programm (I) teilweise oder ausschließlich modellgestützte on-line-Meßverfahren zur Bestimmung der Rate des Substratverbrauchs durch die Mikroorganismen umfaßt.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Programm (I) ein Kalman­ filter oder ein Luenbergerbeobachter verwendet wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbauleistung der Orga­ nismen in Programm (III) deterministisch an die im Abwasser herrschende Temperatur an­ gepaßt wird.

9. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Programm (IV) einen ungestörten Betriebszustand aufgrund der Gleichheit der Ergebnisse von Programm (I) und (III) erkennt und automatisch eine gewünschte Prozeßführung einstellt.

10. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Programm (V) einen gestörten Betriebszustand erkennt und den Prozeß so führt, daß die Ablaufkonzen­ trationen vorgegebene Grenzwerte nicht überschreiten.

11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Programme (IV) oder/und (V) heuristische Regeln beeinhalten, Expertensysteme oder Fuzzy-Algorithmen benutzen.

12. Biologisch aerobe Abwasserbehandlungsanlage, deren Meß- und Stellinstrumente mit ei­ nem ersten System verbunden sind, das Meßdaten aufnehmen, verarbeiten und Kontrollbe­ fehle aussenden kann, dadurch gekennzeichnet, daß dieses System mit einem zweiten System verbunden ist, auf dem die folgenden drei modellgestützte Programme ablaufen:

• a) ein Programm (I), mit dem on-line die Substratabbaurate der Mikroorganismen aus den zur Verfügung stehenden Messungen bestimmt werden kann,
• b) ein Programm (II), das aus Meßwerten, die über einen längeren Zeitraum der Vergangen­ heit gesammelt wurden, diejenigen Parameter zur Berechnung der Substratabbaurate be­ stimmt, bei denen über diesen Zeitraum die mittlere Abweichung von Meß- und Rechen­ werten minimal ist, und
• c) ein Programm (III), das mit den aus b) ermittelten Parametern, den aktuellen Werten der auf der Anlage eingestellten Mengenströme sowie der Zulaufkonzentrationen den Abbau für ungestörte Organismen simuliert.

13. Abwasserbehandlungsanlage gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem ersten System um ein Prozeßleitsystem, eine speicherprogrammierbare Steuerung oder einen Prozeßrechner handelt.