Ermittlung der CSB-Behandlungskapazität
eines Klärwerks

Anwendungsbeispiele

• Simulationsqualität
• Zusätzlicher Abwasserstrom
• Steuerung Stapeltanks
• Optimierung Vorbehandlung
• Aktuelle Seite
• 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
• Scenario-Analysen
• «Build»-Menü
• «Link processes» «Batch run»
• «Sensitivity analysis»
• Inhibierende Stoffe
• «Chart control»
• Data handling

Aufgabenstellung, Vorgehensweise bei der Simulation

Die Betriebserlaubnis eines Klärwerks für einen Chemiestandort limitierte die CSB-Fracht im Zulauf auf 15 t pro Tag. Damit waren Kapazitätserweiterungen bei vorhandenen Anlagen oder die Ansiedlung neuer Anlagen praktisch ausgeschlossen. Die Aufgabe bestand darin, im Wege der dynamischen Kläranlagensimulation mit dem Programmsystem STOAT zu untersuchen, inwieweit von der bestehenden Anlage auch höhere Zulauffrachten ohne aufwendige Investitionen und ohne Gefahr der Verletzung gültiger Überwachungswerte geschultert werden können.

Auf der Grundlage der vom Auftraggeber bereitgestellten Informationen wurde zunächst ein Modell der Anlage mit allen relevanten Behandlungsstufen, deren Verschaltung und Bemessung (z.B. Reaktorgeometrie) erstellt.

Als zweiter Schritt wurden mit diesem Modell Rechnerläufe durchgeführt, die den Betrieb der Anlage im Verlaufe eines gesamten Jahres nachvollziehen. In Abstimmung mit der zuständigen Behörde wurde dabei ein Jahr mit für die Untersuchungen repräsentativer Ausgangs- und Datenlage gewählt.

Die Vorbereitung der Rechnerläufe war mit dem größten Arbeitsaufwand verbunden, weil zuvor aus den Messwerten der Abwassereigenkontrolle und den Aufzeichnungen der Prozessleitsysteme/SPS bzw. Online-Messgeräte die Input Dateien für das Modell zu generieren sowie die erforderlichen Einstellungen zur Abbildung der Fahrweise der Anlage zu bestimmen waren (z.B. Leistung der Belüftungsaggregate, Rücklaufschlammmenge und Überschussschlammentnahme). Bei den Input Dateien war der erforderlichen Aufteilung des CSB und des Gesamtstickstoffs im Abwasserzulauf auf die verschiedenen Fraktionen entsprechend den Anforderungen des zugrunde liegenden Modells besonderes Augenmerk zu widmen.

Der dritte Schritt bestand darin, das Modell an Hand der Messwerte aus dem Betrieb der Anlage zu kalibrieren (Gegenüberstellung Simulationsergebnisse der Rechnerläufe mit STOAT und der Messwerte aus der Abwassereigenkontrolle des Unternehmens). Bestimmte Voreinstellungen, wie zum Beispiel Wachstumsraten der heterotrophen und autotrophen Organismen wurden dahingehend angepasst, dass die Simulationsergebnisse mit den real gemessenen Abbauleistungen der Anlage hinreichend genau übereinstimmen.

Mit dem so kalibrierten Modell wurden anschließend Rechnerläufe gefahren, wobei die CSB-Zulauffracht schrittweise erhöht wurde, um die maximal aufnehmbare CSB-Zulauffracht zu bestimmen.

Erläuterungen zum Modell

Im Kern besteht das Klärwerk aus drei Stufen:

1. Kohlenstoffbiologie
2. Nitrifikation
3. Nachgeschaltete Denitrifikation

Die folgende Abbildung zeigt das STOAT-Modell der untersuchten Prozesse.

Abb. 1 STOAT Modell der Untersuchungen zur CSB-Kapazität einer Kläranlage

Das Abwasser des Chemiestandorts wird der ersten Biostufe, der Kohlenstoffbiologie, zugeführt. Das auf der Kläranlage mitbehandelte Kommunalabwasser ist geringer belastet und wird deshalb gleich in die zweite Biostufe, die Nitrifikation geführt. Einige Teilströme des Chemieabwassers durchlaufen noch eine Vorbehandlung, bevor sie in die biologischen Behandlungsstufen des Klärwerks übernommen werden. Diese Vorbehandlungsschritte sind im Modell nicht abgebildet. Im Modell ebenfalls nicht abgebildet ist die nachgeschaltete Denitrifikation, weil der CSB in dieser Stufe nicht mehr verändert wird.

Die schrittweise Erhöhung des CSB erfolgte in Szenarien. In enger Abstimmung mit dem Betreiber des Klärwerks wurden die Szenarien so angelegt, dass die Dynamik innerhalb der CSB-Messreihe des zugrunde gelegten Betrachtungszeitraums erhalten blieb. Das heißt, es wurde eine Art “Parallelverschiebung der Messwerte nach oben” vorgenommen. Formelmäßig läßt sich das wie folgt ausdrücken:

CSB_Lastfall = gemessener CSB x gewählte Fracht des Lastfalls (Mittelwert) ⁄ Mittelwert der Fracht der Jahresreihe gemäß Messung

Zum besseren Verständnis soll dies am konkreten Beispiel der Ermittlung eines einzelnen CSB-Werts innerhalb eines Szenarios noch einmal erläutert werden:

Bei den Rechnerläufen mit den so ermittelten Szenarien zeigte sich, dass die biologischen Behandlungsstufen des Klärwerks allein nicht ausreichten, um Belastungsspitzen aus Szenarien mit höheren CSB-Frachten abzufedern. Das Klärwerk verfügte jedoch über ausreichend große Stapelkapazitäten, die im Falle des Auftretens einer Belastungsspitze zur vorübergehenden Aufnahme von Abwasser genutzt werden konnten. Dies wurde mit behördlicher Zustimmung bei den Rechnerläufen zur Ermittlung der CSB-Behandlungskapazität der Anlage berücksichtigt.

Der «Overflow» dient der Abbildung von Befüllungen des Stapeltanks, die in dem der Untersuchung zugrunde gelegten Zeitraum aus betrieblichen Gründen vorgenommen wurden. Die zuständige Wasserbehörde hatte zu Recht verlangt, dass diese Inanspruchnahme der Stapeltanks “herausgerechnet” werden müsse, weil sie die zum Frachtausgleich verfügbare Stapelkapazität beschränkte. Die zutreffenden Ereignisse wurden aus dem Betriebstagebuch übernommen und STOAT entsprechend übergeben (siehe folgende Abbildung).

Abb. 2 Inputdaten «Overflow»

Die Daten in obiger Abbildung sind wie folgt zu “lesen”:

Steuerung der Befüllung des Stapeltanks

Je nachdem wie hoch die aus der Kohlenstoffbiologie ablaufende Fracht ist, wird das Abwasser entweder vollständig oder nur teilweise der zweiten Biostufe übergeben. Ist die CSB-Fracht nach der ersten Biostufe höher, als die Nitrifikation “verkraften” kann, wird jener Teil der CSB-Fracht, der die für die zweite Biostufe zulässige Größe überschreitet, ausgekreist und im Stapeltank gespeichert. Die Steuerung des Splitters wird im Modell mit einem «Programmable Logic Controller» umgesetzt.

Abb. 3 Einstellung PLC 1, «Connectivity»

PLC 1 hat nur einen Input: Die CSB-Fracht vor dem Splitter. Ausgehend davon wird gesteuert, wieviel % der Splitterzulaufmenge an jenen Ablauf übergeben wird, der zur zweiten Biostufe führt. Die Differenz zu 100% geht zum Stapeltank.

Abb. 4 Einstellung PLC 1, «Operation data»

Diese Einstellungen können in der Excel-Tabelle «Operation data» PLC Splitter besser eingesehen und nachvollzogen werden.

Steuerung der Entleerung des Stapeltanks

Der Stapeltank ist so ausreichend bemessen, dass das Abwasser über längere Zeit gespeichert werden kann. Außerdem verfügt er über Umwälzeinrichtungen, so dass ein Absetzen von Feststoffen vermieden wird. Dennoch muß der Stapeltank natürlich immer so schnell wie möglich wieder freigemacht werden. Dazu wird das gespeicherte Abwasser ein zweites Mal der Kohlenstoffbiologie übergeben. Um zu vermeiden, dass dabei die erste Biostufe überlastet wird, darf die Entlastung des Stapeltanks nur dann erfolgen, wenn die CSB-Zulauffracht aus dem Werk gering ist. Die Ablaufsteuerung des Tanks wird deshalb im Modell ebenfalls mit einem «Programmable Logic Controller» bewerkstelligt.

Abb. 5 Einstellung PLC 2, «Connectivity»

Abb. 6 Einstellung PLC 2, «Operation data»

PLC 2 hat zwei Inputs:

• Die CSB-Fracht im Chemieabwasser, das der Kohlenstoffbiologie zuläuft
• Das Füllvolumen des Stapeltanks

Die gewählten Einstellungen können im Detail in der Excel-Tabelle «Operation data» PLC Stapeltank eingesehen und nachvollzogen werden. Sie sind wie folgt zu verstehen:

1. Solange die CSB-Fracht im Chemieabwasser < 800 000 g/h (= 800 kg/h) und der Füllungsstand des Tanks < 11 000 m³, soll aus dem Tank eine Fracht von 700 kg/h CSB abgegeben werden. Die Maximalfracht im Zulauf zur Biostufe 1 beträgt dann 1,5 t/h CSB. (Setting 0).
2. Wenn die CSB-Fracht im Chemieabwasser < 800 kg/h, aber der Füllungsstand des Tanks ≥ 11 000 m³, soll aus dem Tank eine Fracht von 1000 kg/h CSB abgegeben werden. Die Maximalfracht im Zulauf zur Biostufe 1 beträgt dann 1,8 t/h CSB. (Setting 1).
3. Beträgt die CSB-Fracht im Chemieabwasser ≥ 800 und < 1000 kg/h und der Füllungsstand des Tanks < 11 000 m³, soll aus dem Tank eine Fracht von 500 kg/h CSB abgegeben werden. Die Maximalfracht im Zulauf zur Biostufe 1 beträgt dann 1,5 t/h CSB. (Setting 2).
4. Beträgt die CSB-Fracht im Chemieabwasser ≥ 800 und < 1000 kg/h und der Füllungsstand des Tanks ≥ 11 000 m³ ist, soll aus dem Tank eine Fracht von 800 kg/h CSB abgegeben werden. Die Maximalfracht im Zulauf zur Biostufe 1 beträgt dann 1,8 t/h CSB. (Setting 3).
5. Beträgt die CSB-Fracht im Chemieabwasser ≥ 1000 und < 1300 kg/h und der Füllungsstand des Tanks < 11 000 m³, soll aus dem Tank eine Fracht von 200 kg/h CSB abgegeben werden. Die Maximalfracht im Zulauf zur Biostufe 1 beträgt dann 1,5 t/h CSB. (Setting 4).
6. Beträgt die CSB-Fracht im Chemieabwasser ≥ 1000 und < 1300 kg/h und der Füllungsstand des Tanks ≥ 11 000 m³ ist, soll aus dem Tank eine Fracht von 500 kg/h CSB abgegeben werden. Die Maximalfracht im Zulauf zur Biostufe 1 beträgt dann 1,8 t/h CSB. (Setting 5).
7. Beträgt die CSB-Fracht im Chemieabwasser ≥ 1300 und < 1500 kg/h und der Füllungsstand des Tanks < 11 000 m³, soll aus dem Tank eine Fracht von 100 kg/h CSB abgegeben werden. Die Maximalfracht im Zulauf zur Biostufe 1 beträgt dann 1,6 t/h CSB. (Setting 6).
8. Beträgt die CSB-Fracht im Chemieabwasser ≥ 1300 und < 1500 kg/h und der Füllungsstand des Tanks ≥ 11 000 m³ ist, soll aus dem Tank eine Fracht von 350 kg/h CSB abgegeben werden. Die Maximalfracht im Zulauf zur Biostufe 1 beträgt dann 1,85 t/h CSB. (Setting 7).
9. Beträgt die CSB-Fracht im Chemieabwasser ≥ 1500 und < 1800 kg/h und der Füllungsstand des Tanks < 11 000 m³, soll aus dem Tank eine Fracht von 50 kg/h CSB abgegeben werden. Die Maximalfracht im Zulauf zur Biostufe 1 beträgt dann 1,85 t/h CSB. (Setting 8).
10. Beträgt die CSB-Fracht im Chemieabwasser ≥ 1500 und < 1800 kg/h und der Füllungsstand des Tanks ≥ 11 000 m³ ist, soll aus dem Tank eine Fracht von 100 kg/h CSB abgegeben werden. Die Maximalfracht im Zulauf zur Biostufe 1 beträgt dann 1,9 t/h CSB. (Setting 9).
11. Sobald die CSB-Fracht im Chemieabwasser ≥ 1800 kg/h (bis 9 999 999, d.h. ∞) beträgt, darf aus dem Tank nichts abgegeben werden, völlig unabhängig davon, wie hoch das Füllvolumen des Tanks ist (> 0 und < 9 999 999 m³). (Setting 10).

Der «CSB-Wandler»

Der «CSB-Wandler» zwischen ZKB und dem 2-Wege-Mixer vor der Nitrifikation dient dazu, den inerten gelösten CSB im Ablauf der Kohlenstoffbiologie den Verhältnissen in der Nitrifikation anzugleichen, d.h. zugunsten des gelösten abbaubaren CSB zu verschieben. Es handelt sich dabei um die modellmäßige Abbildung des Phänomens, dass ein nicht geringer Teil des “refraktären CSB” im Ablauf der Biostufe 1 nach Vermischung mit Kommunalabwasser in der zweiten Biostufe nachweisbar eliminiert wird.

Ergebnisse

STOAT stellt mehrere leicht verständliche Formen der Ergebnisausgabe zur Verfügung. Eine besonders einfach zugängliche Übersicht über die Stoffströme bieten die Sankey-Diagramme. Abb. 7 zeigt als Beispiel das Szenario mit der höchstmöglichen CSB-Fracht. Es ist gut zu erkennen, dass das Chemieabwasser eine höhere CSB-Fracht liefert als das Kommunalabwasser. Besonders hohe CSB-Frachten zirkulieren mit dem Rücklaufschlamm, aber auch der Überschussschlamm beider Biostufen weist erwartungsgemäß hohe CSB-Frachten auf.

Der Zulauf zum Stapeltank speist sich aus zwei Teilströmen, die aus dem Ablauf der ersten Biostufe ausgekreist werden. Der erste Teilstrom kommt vom «Overflow», der zweite vom «Splitter», der wiederum vom PLC 1 gesteuert wird. Der Teilstrom vom «Overflow» repräsentiert die betriebsbedingte Inanspruchnahme des Stapelvolumens im realen Betrieb des Klärwerks. Diese war nach den Vorgaben der Behörde bei der Steuerung insoweit zu berücksichtigen, als damit die für eine Steuerung nutzbare Stapelkapazität vermindert wurde.
Die CSB-Fracht, die dem Stapeltank über den «Overflow» zufließt, ist deutlich geringer, als jene, die aus dem Ablauf der ersten Biostufe mittels Steuerung ausgekreist wird. Die dem Stapeltank zugeführte CSB-Fracht wird wieder dem Zulauf der ersten Biostufe zugeführt. Die oben erläuterte Steuerung sorgt dafür, dass die Entlastung des Tanks immer erst dann einsetzt, wenn die Fracht im Prozesswasserzulauf einen bestimmten Schwellenwert unterschreitet.

Abb. 7 Sankey-Diagramm CSB-Frachten entlang der Fließwege des Modells

Mit der STOAT-Simulation konnte belastbar und nachvollziehbar nachgewiesen werden, dass die Anlage allein durch Veränderungen in der Betriebsweise (höhere Überschussschlammentnahme, Puffern von Belastungsspitzen in einem vorhandenen Rückhaltebecken) eine deutlich höhere CSB-Zulauffracht bewältigen kann, als bis dahin in der Betriebserlaubnis genehmigt. Die Behörde hat daraufhin die Betriebserlaubnis entsprechend angehoben.