Economic model-predictive control of membrane bioreactors for wastewater treatment

• Ökonomische Modell-Prädiktive-Regelung von Membran-Kläranlagen

Elixmann, David; Marquardt, Wolfgang (Thesis advisor); Nopens, Ingmar (Thesis advisor)

Aachen : Shaker Verlag (2015, 2016)
Buch, Doktorarbeit

In: Berichte aus der Verfahrenstechnik
Seite(n)/Artikel-Nr.: xvii, 171 Seiten : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird die Optimierung des Betriebs von Membran-Kläranlagen mittels nichtlinearer Modell-prädiktiver Regelung (engl. nonlinear model-predictive control, NMPC) basierend auf Aktivschlamm-Modellen untersucht. Zu diesem Zweck werden verschiedene NMPC-Methoden auf Simulationsmodelle von einstraßigen MBR-Anlagen angewandt, um die technische Machbarkeit des Ansatzes zu zeigen, und das wirtschaftliche Potential in der Anwendung zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass die Anwendung von NMPC auf einstraßige MBR-Anlagen in der Simulation eine Reduzierung der Elektrizitätskosten um 7-10% und der Kosten für Kohlenstoffdosierung um bis zu 15% gegenüber gut eingestellten konventionellen (proportional-integralen) Reglern reduzieren kann. Es wird gezeigt, dass das NMPC bei der Regelung von Membran-Kläranlagen mit strengen Ablaufspezifikationen und vielen verschiedenen Steuergrößen das vergleichsweise größte Potential aufweist. Die Machbarkeit von ökologisch-ökonomischem NMPC für Membran-Kläranlagen wird in Simulation durch die Anwendung auf ein Regelungsproblems mit Ausgangsrückführung und realistisch simuliertem Sensorverhalten untersucht. Die ökonomische und ökologische Optimierung des Anlagenbetriebs wird durch einen hybriden diskret-kontinuierlichen NMPC-Algorithmus realisiert, dessen Zielfunktion Energieverbrauch, Anlagenflexibilität und Nährstoffausstoß berücksichtigt, und für jedes Regelziel eine angepasste Strategie verfolgt. Der Algorithmus berechnet optimale Zeitpunkte zum Wechseln von einer Strategie zur anderen sowie dazu passende, optimale Steuerschritte, so dass die aus der Priorisierung der einzelnen Regelziele abgeleitete Gesamt-Zielfunktion des hybriden Optimalsteuerungsproblems minimiert wird. Der gewählte NMPC-Ansatz erweist sich in Kombination mit einem passend eingestellten erweiterten Kalman-Filter (EKF) und einem schnellen Trajektorien-Folgeregler in Simulation als robust gegenüber Schätzfehlern in der Zustandsbeobachtung und ungenauen Störgrößenvorhersagen. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion des verbleibenden Forschungsbedarfs für die Anwendung von NMPC-Technologie in der Membran-Klärtechnik.