Input-Dateien für Scenario-Analysen

Anwendungsbeispiele

• Simulationsqualität
• Zusätzlicher Abwasserstrom
• Steuerung Stapeltanks
• Optimierung Vorbehandlung
• Kapazitäts-
  ermittlung
• Optimierung Belüftung

Rüstzeug
zum Einstieg

• Erforderliche Eingangsdaten
• Grundsätzliche Vorgehensweise
• Essentials der «ASM»
• Fraktionierung CSB
• Arbeitsebenen von STOAT
• Modellentwurf «process tools»

Praxistipps
zu STOAT

• Input-Dateien Teilströme
• Input-Dateien Fahrweise
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• «Chart control»
• Data handling

Ein typischer Anwendungsfall der dynamischen Kläranlagensimulation (vgl. Dynamische Kläranlagensimulation mit STOAT, Startseite) sind Untersuchungen zum Verhalten der Anlage bei veränderten Randbedingungen

• bezüglich Menge und/oder Beschaffenheit der Abwasserströme im Zulauf zum Klärwerk
• bezüglich der Fahrweise der Anlage

In beiden Fällen werden mit einem gut kalibrierten Modell des Klärwerks Rechnerläufe “gefahren”, wobei im Vergleich zum Realbetrieb veränderte Inputdaten übergeben werden.

Nicht selten wird dabei auf den sogenannten “worst case” abgestellt. Es wird jenes Szenario untersucht, mit dem im ungünstigsten Fall zu rechnen ist. Welche Inputwerte dann im Einzelnen zu verändern sind, ergibt sich i.d.R. aus der jeweiligen Aufgabenstellung.
Für viele Untersuchungen sind die Wahl des Scenarios und die Manipulation der Inputdateien jedoch nicht ganz so einfach. Dies gilt insbesondere dann, wenn mit Hilfe der Simulation zu ermitteln ist, ab welchem Maß der Veränderung im Vergleich zum Realbetrieb bestimmte Grenzen überschritten werden oder eine Situation “kippt”. Die folgenden Ausführungen sind als Beispiel zu verstehen, wie hier vorgegangen werden kann.

Inputdateien für Abwasserteilströme

Eine immer wieder anzutreffende Aufgabenstellung besteht darin, mittels Simulation heraus zu finden, welche zusätzliche Fracht eine Anlage verkraften kann, ohne dass gültige Überwachungswerte überschritten und kostspielige Investitionen erforderlich werden (siehe Beispiel zur Ermittlung der maximalen CSB-Behandlungskapazität einer Kläranlage). In diesen Fällen liegen in aller Regel ausreichende Betriebsdaten für eine gute Kalibrierung vor.

Das Modell muss in der Szenarioanalyse mit Inputfiles “gefüttert” werden, die eine entsprechend höhere – oder auch niedrigere – Belastung beim Abwasservolumenstrom und/oder der Konzentration der Abwasserinhaltsstoffe unterstellen, als in der für die Kalibrierung zugrunde gelegten Simulationsperiode (z.B. Jahresreihe) gemessen wurde. Eine höhere (oder auch niedrigere) Fracht muss – je nach Aufgabenstellung – jedoch nicht unbedingt für alle Zuläufe einer Anlage gelten. Eine Aufgabenstellung kann durchaus auch erfordern, nur einzelne Teilströme zu verändern und die übrigen Zuläufe bei den “alten” Werten zu belassen (siehe Beispiel Untersuchung, ob ein Klärwerk einen mit NH4-N hochbelasteten Abwasserstrom zusätzlich aufnehmen kann.

Der besondere Vorteil der dynamischen Kläranlagensimulation im Vergleich zu Berechnungen auf der Basis von Mittel- oder anderen Fixwerten besteht darin, dass die im Verlaufe einer Simulationsperiode in solchen Parametern wie Abwasservolumenstrom, CSB oder TKN zu verschiedenen Zeiten auftretenden Höhen und Tiefen originalgetreu berücksichtigt werden. Dies ist vor allem deshalb von Interesse, weil Minderleistungen oder Ausfälle von technischen Anlagen zuerst in Grenzsituationen zu beobachten sind. Es wäre daher wenig sinnvoll, anstelle der sich im Verlaufe der Simulationsperiode ständig ändernden Größen einen festen Wert zu setzen. Vielmehr sollte auch beim Verändern von Inputdateien für Scenario-Analysen die Charakteristik der Messreihe erhalten werden. Dies wird mit der im folgenden erläuterten Vorgehensweise gewährleistet.

Die produktionsbedingten Schwankungen in einer Messreihe der Konzentration der Abwasserinhaltsstoffe, werden beibehalten, indem der arithmetische Mittelwert der Konzentration des betrachteten Zeitraums verändert wird. Mittels Dreisatz wird dann errechnet, wie hoch die Konzentration zum Zeitpunkt t ausgefallen wäre, wenn der zugrunde gelegte Mittelwert des jeweiligen Lastfalls für die Messreihe zutreffen würde.
Analoges gilt für den Abwasservolumenstrom: Die charakteristische Dynamik einer Messreihe des Abwasservolumenstroms bleibt erhalten, indem der arithmetische Mittelwert des Abwasservolumenstroms des betrachteten Zeitraums verändert wird. Der Abwasservolumenstrom zum Zeitpunkt t errechnet sich als Produkt aus dem tatsächlich gemessenen Wert mit dem Mittelwert des Lastfalls, geteilt durch den Mittelwert der Messreihe.
Dies lässt sich mit folgender allgemeiner Formel ausdrücken:

Anstelle der Mittelwerte können auch die Relationen anderer statistischer Eckwerte wie Minimum, Maximum oder bestimmte Perzentile zur Umrechnung herangezogen werden.
Wenn in einem neuen Scenario die Fracht verändert werden soll, ist zu entscheiden, ob diese Veränderung

• infolge Veränderung des Abwasservolumenstroms
• infolge Veränderung der Konzentration der Abwasserinhaltsstoffe
• oder infolge Veränderung beider Faktoren

eintreten soll. Im zuletzt aufgezählten Fall sind die “Anteile” der beiden Faktoren an der Frachtveränderung zu wählen. Dies kann zu einer recht kniffligen Aufgabe werden!

Zur Erläuterung der oben genannten Formeln hier noch ein Beispiel:
Gegeben sei die Messreihe des Abwasservolumenstroms für ein halbes Jahr im 2-h-Intervall. Der Mittelwert der Messreihe beträgt 511,13 m³/h. Es wird erwartet, dass sich der Abwasservolumenstrom im Mittel auf 700 m³/h erhöht. Der erste Messwert der Reihe ist 635,37 m³/h. Für das Scenario Mittelwert = 700 m³/h errechnet sich der Wert an dieser Stelle nach der oben aufgeführten Formel wie folgt:

Abwasservolumenstrom _{700, 0} = 635,37 m³/h • 700 ⁄ 511,13 = 870,15 m³/h

Analog werden alle anderen Messwerte der Halbjahresreihe umgerechnet. Es ist offensichtlich, dass damit alle “Peaks” der zugrunde liegenden Messreihe exakt an der gleichen Stelle im Scenario – erhöht im Verhältnis der Mittelwerte Lastfall zu Messreihe – auftauchen.
Bei einer Erhöhung des Abwasservolumenstroms wie im o.g. Beispiel ist allerdings immer auch zu prüfen, inwieweit das gewählte Scenario hydraulisch beherrscht werden kann.

Die Berechnung der Werte für den Lastfall des Scenarios erfolgt sinnvollerweise mit Hilfe eines Tabellenkalkulationsprogramms.
Das vorgenannte Beispiel kann vollständig in einer Excel-Tabelle nachvollzogen werden.

Bevor Sie auf den Verweis zur Excel-Tabelle klicken, bitten wir Sie zu brücksichtigen, dass die Referenzseite aufgrund ihrer Größe (ca. 2150 kB) eine deutlich längere Ladezeit erfordert und dass Ihr Internet-Browser für eine korrekte Wiedergabe evtl. ein entsprechendes Plug-in von Microsoft benötigt!

Eine weitere Möglichkeit zum Generieren von Inputdateien für Scenarioanalysen unter Beibehaltung der charakteristischen Dynamik von Messreihen betsteht darin, Zulaufsituationen, in denen der nachzubildende Lastfall kurzzeitig aufgetreten ist, auf eine gesamte Simulationsperiode zu übertragen.

Sofern die Dynamik einer Messreihe bei der Untersuchung des jeweiligen Lastfalls vernachlässigt werden kann, sind auch die STOAT “Bordmittel” eine gute Wahl. Für viele Zwecke können damit Inputdateien auf schnelle Weise generiert werden.

Inputdateien zur Anlagenfahrweise

Um bestimmte Szenarien einer veränderten Fahrweise des Klärwerks auszuleuchten, ohne die Anlage selbst riskanten Manövern auszusetzen, hat sich die Offline-Simulation bewährt. Dem kalibrierten Modell werden hierzu entsprechend veränderte Inputdateien der Fahrweise übergeben. Ein allgemeingültiger Hinweis analog dem o.g. für die Inputdateien der Klärwerkszuläufe kann nicht gegeben werden, dazu sind die Möglichkeiten der Fahrweise einer Anlage zu unterschiedlich. Nur so viel kann hier gesagt werden:

Veränderungen der Einstellungen zur Betriebsweise sollten immer ausgehend von der Fahrweise im realen Betrieb der Anlage her gedacht werden. Rechnerläufe mit einer um 50% oder 100% höheren oder niedrigeren Rücklaufschlammmenge oder Überschussschlammentnahme – zum Beispiel – erlauben eine erste Einschätzung der damit verbundenen Auswirkungen und geben damit die Richtung für aussichtsreiche Untersuchungen in weiteren Rechnerläufen vor.

Untersuchungen zum Einsatz und zur Optimierung von Steuer- und Regelgliedern sind besonders interessant. Mit den “Prozessbausteinen” «PID-Controller» und «Ladder Logic Controller» bietet STOAT hierfür alle erforderlichen Werkzeuge. Um lange Datenreihen zur Betriebsweise zu übergeben, empfiehlt sich der Einsatz eines «Parameter Setters».