Modellierung und optimierungsbasierte Prozessführung von kommunalen Abwasseraufbereitungsanlagen mit getauchten Membranmodulen

Abstract:
Abwasserreinigungsanlagen mit integrierten getauchten Membranen zur Rückhaltung partikulärer Substanzen sind attraktive Alternativen zu herkömmlichen Belebungsanlagen. Insbesondere kann eine höhere Betriebssicherheit und eine bessere Abwasserqualität auch bei stark schwankenden Abwasserfrachten erreicht werden. Der wirtschaftliche Einsatz solcher Anlagen erfordert aber eine Minimierung der Betriebskosten bei einer möglichst hohen Abwasserreinigungsleistung. In der vorliegenden Arbeit wird ein modellgestütztes Prozessführungskonzept, bei dem die wesentlichen betrieblichen Freiheitsgrade in Echtzeit mit Hilfe optimierungsbasierter Techniken so gewählt werden, dass möglichst zu jedem Zeitpunkt ein wirtschaftlich optimaler Betrieb erreicht werden kann, entwickelt.

Die Realisierung eines solchen Konzeptes erfordert die Rekonstruktion des Anlagenzustands aus verfügbaren Messgrößen. Dies wird durch das unvollständige Verständnis des biologischen Abbaus und durch die starken und unvorhersehbaren Schwankungen im Zulauf der Abwasserbehandlungsanlage beschränkt. Eine geeignete Parametrisierung dieser Unsicherheiten ist erforderlich, um mit Hilfe der verfügbaren Messgrößen eine ausreichend genaue Nachführung des Modells und eine Prädiktion der Zustände als Grundlage der Echtzeitoptimierung zu erreichen.

Die von der Prozessführung zu verfolgenden Ziele sind in dieser Arbeit definiert als die Sicherstellung des bestimmungsgemäßen Betriebes der Anlage, der Betrieb am ökonomischen Optimum sowie die Ausnutzung der Prozessstruktur. Aufgrund der starken Unterschiede in den Zeitkonstanten der betrachteten Prozesse bietet sich eine dezentrale Prozessführungsstrategie an. Für die Umsetzung der Prozessführungsstrategie wird sowohl für die langsamen Prozesse der biologischen Stufe, als auch für die schnellen Vorgänge an den Membranmodulen eine modellbasierte Echtzeitoptimierung eingesetzt.

Da sich je nach Belastungssituationen unterschiedliche Zielsetzungen für die Prozessführung ergeben, wird die Prozessführungsstrategie in Echtzeit angepasst. Sowohl die Sequenz der Prozessführungsstrategien als auch die Dauer werden entsprechend der Anlagenbelastung gewählt.

Die in einer Echtzeitumgebung realisierte optimierungsbasierte Prozessführung wird mit Hilfe eines Simulationsmodells hoher Komplexität getestet. Das Simulationsmodell der Referenzanlage wird aus Literaturangaben erstellt. Es bildet das Betriebsverhalten einer der heute betriebenen Anlagen der betrachteten Bauart mit ausreichender Genauigkeit qualitativ nach.

Der Test der entwickelten Prozessführung anhand unterschiedlicher Belastungsszenarien zeigt, dass die modellbasierte Prozessführungsstrategie auf die unterschiedlichen Belastungssituationen mit unterschiedlichen Prozessführungsstrategien reagiert. Weiterhin ist aus den Ergebnissen der Optimierung ersichtlich, dass das größte Einsparpotential in der Reduktion der Begasungsleistung zur Kontrolle des Deckschichtwachstums an der Membran liegt.