Modeling and model-based control of membrane bioreactors

  • Modellierung und modellbasierte Regelung von Membranbioreaktoren / vorgelegt von Jan Busch

Busch, Jan; Marquardt, Wolfgang (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2008)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Kurzfassung

Wasser ist eine immer knapper werdende Ressource, die als Grundlage für das Leben auf der Erde ebenso wie für die meisten industriellen Prozesse unersetzbar ist. Die Aufbereitung von verschmutztem Wasser zur Rückführung in technische Kreisläufe, in Gewässer, oder zur Trinkwassernutzung gewinnt daher immer höhere soziale und wirtschaftliche Bedeutung. Membranbioreaktoren (MBR) stellen in diesem Zusammenhang eine viel versprechende Technologie zur Abwasseraufbereitung dar. Sie vereinen die klassische biologische Abwasserbehandlung zum Abbau z.B. von Substrat, Nitrat und Ammonium mit moderner Filtrationstechnik zur Abtrennung von Feststoffen wie z.B. Biomasse, partikulären Schmutzstoffen und Bakterien. MBR erzielen eine ausgezeichnete Wasserqualität und stellen eine physikalisch sichere Barriere für Feststoffe dar, die bei den sonst üblicherweise eingesetzten Sedimentationsbecken nicht gegeben ist. Dank dieser Barrierefunktion können in MBR hohe Biomassekonzentrationen und damit hohe Abbauleistungen auf kleinem Raum realisiert werden. Ein wesentliches Hindernis für den flachendeckenden Einsatz von MBR stellen die vergleichsweise hohen Betriebskosten dar, die vor allem aus der notwendigen Belüftung der Membranen und ihrer begrenzten Lebensdauer resultieren. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Betriebskosten von MBR in der kommunalen Abwasseraufbereitung mit Hilfe modell- und optimierungsgestützter Methoden zu minimieren und den komplexen Prozess zu jedem Zeitpunkt sicher am ökonomischen Optimum zu betreiben. Die größte Herausforderung stellt die Unsicherheit dar, unter der der Prozess betrieben wird: Die Vielzahl von physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen ist heute nur teilweise verstanden, die verfügbaren Prozessmodelle sind ungenau, Zulaufraten und Schmutzfrachten sind zeitlich variabel und schwer vorherzusagen, und viele Prozessgrößen sind nicht oder nur mit erheblicher Ungenauigkeit messbar. Darüber hinaus bedingt die Interaktion von Biologie und Filtration zwar ein Optimierungspotenzial, aber auch zusätzliche Herausforderungen. Durch systematisches Vorgehen und die stringente Zerlegung des Problems in handhabbare Teile und geeignete Koordinationsstrategien soll die Unsicherheit auf ein minimales Maß reduziert werden. Zunächst wird das System dazu in seinen für die Prozessführung wesentlichen Eigenschaften beschrieben. Darauf aufbauend wird ein Prozessführungskonzept entwickelt, das auf den Prinzipien der Zeitskalenseparation und der zunächst separaten Betrachtung von Biologie und Membranfiltration beruht. Das Konzept wird in einer modularen Softwarearchitektur umgesetzt. Um es in Simulationsstudien zu evaluieren, werden komplexe Prozessmodelle für die Biologie, die Membranfiltration und den Gesamtprozess entwickelt. Insbesondere für die Membranfiltration wird ein neuartiges und umfassendes Modell vorgestellt. Für die biologische Aufbereitung werden verschiedene modell-basierte Regelungsebenen vorgeschlagen, die jeweils auf verschiedenen Zeitskalen arbeiten: Zunächst werden für einen längeren Horizont Planungsentscheidungen ¸ber die optimale Betriebsstrategie getroffen und simultan optimale Trajektorien für die Regel- und Stellgrößen berechnet. Dies bedingt die Formulierung und Lösung von gemischt-ganzzahligen Optimierungsproblemen für komplexe nicht-lineare und dynamische Prozessmodelle. Die Trajektorien werden durch eine modell-prädiktive Ausgangsgrößenregelung unter Einfluss der Prozessstörungen realisiert. Methoden zur Parameter- und Zustandsschätzung berechnen aus den zur Verfügung stehenden Messgrößen die aktuellen Systemzustände und unsicheren Modellparameter, die für die Planung, Trajektorienoptimierung und Regelung benötigt werden. Hierfür werden bestehende Methoden implementiert und erweitert. Das Konzept wird in Simulationsstudien erprobt und erzielt sehr gute Betriebsergebnisse. Für die Membranfiltration wird ein so genannter Run-to-Run Regler entwickelt, der die zyklische Struktur des Prozesses bestehend aus Filtrations- und Reinigungsphasen optimal ausnutzt. Dieser Regler wird sowohl in Simulationsstudien als auch in einer industriellen Pilotanlage umfangreich erprobt. In beiden Anwendungen beweist er ausgezeichnete Eigenschaften in Hinblick auf Stabilität und Kostenreduktion. Die Integration der modell-basierten Regler für Biologie und Membranfiltration wird andiskutiert und es werden mögliche Lösungsansätze vorgestellt. Zusammengefasst ist das wesentliche Ergebnis dieser Arbeit die Entwicklung und Umsetzung eines systematischen modell-basierten Regelungskonzeptes für MBR. Alle Lösungsstrategien werden in Simulationsstudien und teilweise in einer industriellen Pilotanlage erprobt.

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