| EnviaTec | Grundsätzliche Vorgehensweise |
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Bei der Herangehensweise an die dynamische Kläranlagensimulation hat man sich naturgemäß nach der zu lösenden Aufgabe zu richten. Vom Grundsatz her können mit Hilfe von STOAT sowohl neue Anlagen bemessen als auch vorhandene Anlagen optimiert werden. Planung neuer oder Optimierung vorhandener Anlagen?Im Schrifttum wird hin und wieder über den Einsatz der dynamischen Kläranlagensimulation bei der Planung neuer Anlagen berichtet HOEN et al., 1994 / HARTWIG, 1997 / ANONYMUS, 2002. Für die Berechnung des Designs von Anlagen “auf der grünen Wiese” stehen i.d.R. aber nur relativ wenige Eingangsdaten zur Verfügung. Üblicherweise handelt es sich dabei um sachkundige Schätz- oder Mittelwerte, wobei oft auch das Parameterspektrum stark eingeschränkt ist. Zeitreihen über Menge und Beschaffenheit der Abwasserströme über drei Monate, die als erforderliche Eingangsdaten für die dynamische Kläranlagensimulation unverzichtbar sind, stehen bei der Anlagenplanung kaum zur Verfügung. Mit derartigen Inputwerten kann aber keine Simulation, die den Namen “dynamisch” verdient, durchgeführt werden. Im übrigen sind bei unzureichender Ausgangsdatenlage Lösungen zu bevorzugen, die deutlich weniger Aufwand erfordern (z.B. die Bemessung nach DWA-Arbeitsblatt A 131 oder die Softwarelösung Plan-It STOAT). Haupteinsatzgebiet der dynamischen Kläranlagensimulation mit STOAT ist deshalb die Optimierung bestehender Anlagen. Die folgenden Erläuterungen gelten diesem Einsatzgebiet. ArbeitsschritteRein formal betrachtet, läßt sich die Arbeit in folgende Schritte gliedern:
Bei den in Klammern gesetzten Prozentangaben handelt es sich um die Anteile der oben genannten Schritte am zeitlichen Gesamtaufwand einer dynamischen Simulation nach den Erfahrungen der EnviaTec GmbH. Am Anfang steht die Sammlung, Sichtung und erste Aufarbeitung der Eingangsinformationen. Die Gewinnung und Verarbeitung von Informationen über den Betrieb des zu simulierenden Klärwerks ist aber keine einmalige Aktion zu Beginn der Arbeiten, sondern begleitet auch alle weiteren Schritte. Im Zuge der Arbeiten tauchen i.d.R. immer Fragen auf, die anfangs einfach noch nicht absehbar waren. Auf der Grundlage der verfügbaren Informationen wird ein Modell der Anlage mit allen relevanten Behandlungsstufen, deren Verschaltung und Bemessung (z.B. Reaktorgeometrie) erstellt. Dabei steht – wie bereits erwähnt – immer auch die Abgrenzung des Modells im Fokus. Das in diesem Arbeitsschritt erstellte Modell wird dennoch nur in den seltensten Fällen mit dem endgültigen Design des Modells übereinstimmen: Unzulänglichkeiten oder Fehler des Modells werden meist erst nach den Rechnerläufen sichtbar und können deshalb erst im Zuge der Kalibrierung beseitigt werden. Als nächster Schritt werden mit diesem Modell Rechnerläufe durchgeführt, die den Betrieb der Anlage im Simulationszeitraum nachvollziehen. Dieser Schritt ist üblicherweise 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 sind (z.B. Leistung der Belüftungsaggregate, Rücklaufschlammmenge und Überschussschlammentnahme). Bei den Input Dateien ist der erforderlichen Aufteilung des CSB und des Gesamtstickstoffs im Abwasserzulauf auf die verschiedenen Fraktionen entsprechend den Anforderungen der jeweils gewählten Modelle besonderes Augenmerk zu widmen. Der nächste Schritt besteht darin, das Modell an Hand der Messwerte aus dem Betrieb der Anlage zu kalibrieren (Gegenüberstellung der Simulationsergebnisse der Rechnerläufe mit STOAT und der Messwerte aus der Abwassereigenkontrolle). Bestimmte Voreinstellungen, wie zum Beispiel Wachstumsraten der heterotrophen und autotrophen Organismen werden dabei dahingehend angepasst, dass die Simulationsergebnisse mit den real gemessenen Abbauleistungen der Anlage hinreichend genau übereinstimmen. Auch hierfür ist ein nicht unerheblicher Zeitaufwand erforderlich. Der letzte Schritt besteht darin, Rechnerläufe mit dem kalibrierten Modell zu fahren, wobei die Einstellungen der Inputdateien und/oder der Betriebsweise des Modells entsprechend den jeweils zu untersuchenden Szenarien angepasst (d.h. “manipuliert”) werden (z.B. Einstellung eines “worst case”). Kalibrierung und erforderliche Arbeiten im “Hintergrund”Bis ein gut kalibriertes Modell einer Kläranlage vorliegt, ist ständig zu “feilen” an
Neben der Fraktionierung von CSB, N- und Phosphorverbindungen ist die Modellkalibrierung jener Teil der Arbeiten bei der dynamischen Kläranlagensimulation, wo besonders viele Fehlerquellen “lauern”. Dies ergibt sich allein schon durch die schier unendlich vielen Einstellmöglichkeiten der Modelle. Mit 46 Wachstumsraten bzw. Koeffizienten bietet das «Activated Sludge Model #3, Sewage calibration data» besonders viele “Stellschrauben”. Das ist aber in der Praxis eher Fluch als Segen. Deshalb dazu noch einige spezielle Hinweise. Als “eherne Regel” bei der Kalibrierung gilt: Verändern Sie Wachstumsraten und/oder Koeffizienten der «Activated Sludge Modelle» erst, wenn Sie sicher sind, dass Abweichungen zwischen Modellvorhersage und Messwerten nicht auf fehlerhafte oder unvollständige Inputs zurückzuführen sind. Letzteres gilt insbesondere, solange Sie nicht hinreichend genau über die Auswirkungen einer Veränderung Bescheid wissen. Mit der Methode “Versuch und Irrtum” ist nichts zu gewinnen, sondern nur Zeit zu verlieren. Hinsichtlich der parameterbezogenen Rang- und Reihenfolge der Arbeiten bei der Kalibrierung wird folgendes empfohlen:
Auch wenn es vielleicht abschreckt: Erst nachdem das Modell hinsichtlich der Abwasservolumenströme vernünftig kalibriert ist, kann mit der Kalibrierung der Feststoffe begonnen werden. Mit der Kalibrierung des CSB lohnt es erst dann zu beginnen, wenn die Simulationsergebnisse sowohl beim Abwasservolumenstrom als auch bei den Feststoffen hinreichend gut mit den Messwerten übereinstimmen usw. – ansonsten besteht die Gefahr, dass mehrmals ganz von vorn angefangen werden muß! Zur Kontrolle, ob das Modell hinreichend korrekt simuliert, sind zu den oben genannten Parametern Bilanzen auf der Grundlage von Mittelwerten hilfreich. STOAT erlaubt für sämtliche Teilströme die Ausgabe von Stofffrachten, die unmittelbar zum Vergleich herangezogen werden können (siehe Abb. 1).
Fortgeschrittene Anwender werden sich die komplette Massenbilanz («Mass balance») des jeweiligen Rechnerlaufs ausgeben lassen und mit den Aufzeichnungen aus dem Betrieb vergleichen.
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