Stabile Regelkreise und Überwachung der Komponenten

Es ist eine zentrale Forderung der Regelungstechnik, dass Regelkreise stabil und robust auf Störeinflüsse reagieren [4]. Dabei ist zu beachten, dass ein Regelkreis immer nur so stabil regeln kann wie die schwächste Komponente im Regelkreis. Dies lässt sich z. B. anhand der Regelung der Sauerstoffkonzentration veranschaulichen. In Figur 5 ist die Belüftung der Belebungsbecken schematisch dargestellt und typische Störungen sind eingezeichnet:

a) Im elektromechanischen Teil sind die verschiedenen Zonen über eine Verteilleitung für die Luft (Kollektor) verbunden. Durch die gemeinsame Luftleitung werden die einzelnen Schieberregelkreise der Zonen miteinander verbunden und es kann zum Problem der gekoppelten Regelkreise kommen, was unnötiges Rauf-/Runterfahren von Gebläsen und Schiebern zur Folge haben kann.

b) In der Belebung unterliegen die Sensoren und Komponenten, anders als im elektromechanischen Teil, einer hohen Verschmutzung sowie einer erhöhten Alterung. Durch das sogenannte Fouling können die Membranen von Sauerstoffsensoren an der Oberfläche mit reaktivem Belebtschlamm bedeckt werden. Dadurch liegt die gemessene Sauerstoffkonzentration unter der effektiven Sauerstoffkonzentration im Belebtschlamm und es wird zu viel Luft eingetragen.

c) Ein weiteres, nicht zu unterschätzendes Problem beim Sauerstoffeintrag ist die Alterung der Belüftungsmembranen (Fig. 6). Die EPDM1-Membranen können verkalken, werden spröde oder verstopfen durch Fouling. Diese Effekte beeinflussen den Sauerstoffeintrag signifikant. Im Extremfall verstopfen einzelne Membranen vollständig, die gesamte Luft wird nur noch durch einen Bruchteil der Membranen gedrückt – mit entsprechender Einbusse beim Sauerstofftransfer in das Wasser und damit inhomogener Durchmischung respektive stark erhöhtem Luftbedarf.

Damit der Betreiber die oben beschriebenen Probleme lösen kann, braucht es eine geeignete Regelungs- und Überwachungsstrategie. Das Problem der gekoppelten Regelkreise kann mit geeigneten Reglerstrukturen gelöst werden. In Figur 7 ist – beispielhaft – die Reglerstruktur eines Gleitdruckreglers dargestellt. Der Gleitdruckregler kommt insbesondere bei grossen Kollektoren zum Einsatz. Er bietet einen guten Kompromiss zwischen einer stabilen Sauerstoffregelung in den Zonen und möglichst geringem Energieverlust bei den Schiebern: Der Gleitdruck wird im Kollektor so angepasst, dass die Schieber möglichst weit geöffnet sind.

Damit das Fouling an den Oberflächen der Sauerstoffsensormembranen vermieden werden kann, braucht es vonseiten des Betreibers ein Minimum an Reinigungs- und Pflegemassnahmen der Sensoren. Gefordert sind aber auch die Sensorhersteller, die sinnvolle, automatisierte Reinigungsmethoden entwickeln sollten (Luftspülung, Ultraschallreinigung usw.). Möglich ist auch die Sensorüberwachung durch geeignete Visualisierung der Betriebsdaten im Prozessleitsystem [5] oder gar durch eine automatisierte Überwachung der Sensoren.

Der Alterung von Belüftungsmembranen kann mit einer gezielten Strategie von Pflege und Überwachung entgegengewirkt werden. Wichtig ist unter anderem, dass die Luftvolumenströme in die einzelnen Zonen überwacht werden können. Diese Informationen sind sowohl für die Pflege der Membranen (bei den regelmässigen Luftspülungen der Membranfelder) als auch für die Überwachung der biologischen Prozesse wichtig. Im Idealfall werden die Membranen periodisch mit Abluftmessungen überwacht, dadurch kann die effektive Effizienz der Belüftung ermittelt werden [6].

Inhalt des Leitfadens

In den letzten vierzig Jahren wurden im Verständnis, wie Bakterien die Schmutzstoffe des Abwassers abbauen, viele Fortschritte gemacht. Deshalb wird in Kapitel 1 des Leitfadens eine Zusammenfassung verfahrenstechnischer Grundlagen vorgestellt. Die internationale Literatur dazu ist sehr umfangreich, insbesondere auch im Bereich der Modellierung der biologischen Prozesse. Im Ingenieurwesen haben sich die sogenannten ASM (Activated Sludge Models)-Modelle bewährt [7]. Diese können viele Prozesse recht gut vorhersagen. Ziel der verfahrenstechnischen Übersicht in Kapitel 1 ist es, die wichtigsten Erkenntnisse dieser Modelle darzustellen und insbesondere zu erläutern, welche Bedeutung diese für den Betrieb einer ARA und die Regelungstechnik haben. Neben dem Verständnis der biologischen Prozesse ist bei der Abwasserreinigung auch hydraulisches Wissen gefragt. Fragen der Verteilung von Wasser und Luft auf die verschiedenen Strassen und Zonen sind von erheblicher Bedeutung. Zudem spielt die Mischung des Abwassers in den Belebungsbecken eine wichtige Rolle beim Abbau der Schmutzstoffe. Auch diese Themen sind Teil von Kapitel 1.

Regelungstechnisch relevante Informationen zur Anlagentechnik bilden den Inhalt von Kapitel 2. Ein zentraler Parameter des Reinigungsprozesses ist die Versorgung der Bakterien mit Sauerstoff. Bei modernen Anlagen wird sie über eine feinblasige Tiefenbelüftung vorgenommen. Die Belüftungselemente sind von grosser Relevanz, denn die eingeblasene Luft soll möglichst am richtigen Ort, feinblasig und flächig homogen eingetragen werden. Um dies zu gewährleisten, müssen die eingesetzten Belüftungselemente mit der nötigen Sorgfalt geplant, gepflegt und überwacht werden. Wichtig für den Betrieb von Abwasserreinigungsanlagen sind zudem die Pumpen und deren aktuellen Förderleistungen.

Die Regelung von Abwasserreinigungsanlagen ist von messtechnischen Unsicherheiten geprägt. Umso wichtiger sind einfache und robuste Reglerstrukturen, die für den Betreiber nachvollziehbar sind. Kapitel 3 gibt eine Übersicht über die Grundlagen der Regelungstechnik, soweit diese für die Abwasserreinigung bedeutsam sind.

Kapitel 4 fasst die allgemeinen Grundlagen für die dynamische Regelung zusammen. Die Kapitel 5, 6 und 7enthalten verfahrensspezifische Vorschläge für eine dynamische Regelung: Kapitel 5 behandelt die konventionellen Anlagen, Kapitel 6 SBR-Anlagen und Kapitel 7 A/I-Anlagen. Im Weiteren enthalten die drei Kapitel jeweils auf die Anlagentypen abgestimmte Vorschläge für sinnvolle Sen­sorkombinationen, da die Prozessregelung und Prozessüberwachung eine adäquate Anzahl von Sensoren benötigen (Fig. 3).

Naturgemäss ist zu erwarten, dass mit mehr Sensoren eine feinere Prozessüberwachung erreicht werden kann. Zwingend notwendig ist jedoch eine gute und robuste Prozessregelung, und dies kann auch mit wenigen, aber richtig gewählten Sensoren erreicht werden. Der Übergang von Regelkreisen, bei denen jedem Aktor ein einzelner Sensor zugewiesen wird, zu Sensornetzwerken, die bei guter Konzeption den Prozess sehr robust und genau regeln können, erfordert entsprechende Reglerstrukturen. Diese sind Inhalt von Kapitel 8 und betreffen insbesondere Anlagen mit Druckluftverteilnetzen (sogenannten Kollektoren).

Bei einer robusten, dynamischen Betriebsweise, die eine angebrachte Komplexität aufweist, enthalten die Betriebsdaten wertvolle Informationen über den Anlagezustand und die Leistungsreserven einer ARA. Das bedeutet, dass der Betreiber seine Anlage besser überwachen und aufgrund der vorhandenen Leistungsreserven eine langfristige Ausbaustrategie anstreben kann. Methoden und Beispiele hierfür werden in Kapitel 9 aufgezeigt.

In Kapitel 10 werden schliesslich Vorschläge zum Planungsablauf von Projekten im Zusammenhang mit Sensormesstechnik und Automation von ARA formuliert. Für die dynamische Regelung ist es wichtig, dass die gewünschten Automationsziele bereits am Anfang eines Projektes bekannt sind und die nötigen Funktionstests der Trocken- und Nassabnahme der ARA schon vor der Ausschreibung der Lieferanten festgelegt werden.

Ausblick

Der Leitfaden liegt voraussichtlich ab Anfang März in Form eines geschützten pdf-Files im Online-Shop des VSA bereit [8]. Auf der Website des Labors für Umwelt-ingenieurwissenschaften findet man weitere Informationen zur dynamischen Regelung [9]. Man kann sich auf dieser Seite auch eintragen, um informiert zu werden, sobald der Leitfaden erhältlich ist.

Es ist damit zu rechnen, dass sich die Thematik der dynamischen Regelung in der nahen Zukunft schnell weiterentwickeln wird. Dementsprechend erwarten wir, dass die Grundideen in diesem Dokument Bestand haben werden, aber sich das Wissen über Teilgebiete schnell vergrössern wird. Insbesondere interessant wird es auch sein, wenn das vorhandene Speichervolumen im Kanalnetz genutzt wird zur dynamischen Bewirtschaftung des Gesamtsystems Kanalnetz und ARA.

Bibliographie

[1] Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (2000): DWA-Regelwerk. ATV-DVWK-A 131. Bemessung von einstufigen Belebungsanlagen. Hennef

[2] Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (2016): DWA-Regelwerk. DWA-A 268. Automatisierung von einstufigen Belebungsanlagen. Hennef

[3] Weber, P. et al. (2016): Sauerstoff – Treibstoff für die Nitrifikation. Aqua & Gas 7/8, 56–63

[4] Braun, D.; Sturzenegger, L.; Gresch, M.; Gujer, W. (2012): Robuste und leistungsfähige Regelungskonzepte für Kläranlagen, KA – Korrespondenz Abwasser Abfall Nr. 8, 725–729

[5] von Känel, L.; Braun, D. (2014): Prozessorientierte Datenvisualisierung. Aqua & Gas 12, 38–45

[6] Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. (2007): DWA-Regelwerk. Merkblatt DWA-M 209. Messung der Sauerstoffzufuhr von Belüftungseinrichtungen in Belebungsanlagen in Reinwasser und in belebtem Schlamm. Hennef

[7] Henze, M. et al. (2000): Activated sludge models ASM1, ASM2, ASM2d and ASM3, IWA Publishing, London, England

[8] www.vsa.ch/publikationen/shop/

[9] www.luiw.ethz.ch/projekte/dyrpa.html