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Das erste umfassende mathematische Modell zur Beschreibung der Vorgänge bei der biologischen Abwasserreinigung auf der Grundlage des Belebungsverfahrens wurde im Jahre 1987 veröffentlicht (HENZE et al., 1987). Seitdem ist eine ganze “Modellfamilie” entstanden, die alle wichtigen Vorgänge bei der biologischen Abwasserreinigung beschreibt. Dies sind insbesondere:
Zahlreiche weitere Veröffentlichungen zeugen davon, dass diese Modelle eine schnelle Aufnahme und Verbreitung in der Fachwelt gefunden haben. Mit dem «Mathematical Model for Meso- and Thermophilic Anaerobic Sewage Sludge Digestion» (SIEGRIST et al., 2002) liegt inzwischen auch ein Modell für die anaeroben Prozesse vor, das allerdings bisher noch keinen vergleichbar großen Eingang in die praktische Modellierung gefunden hat. Unter STOAT erfolgt die Auswahl des Modells zur Abbildung des Belebungsverfahrens bei der Konfiguration des «Activated sludge aeration tank» auf dem sogenannten «Works level» Dies zeigt der folgende Screenshot.
Die Modelle sind in STOAT nach einer damaligen Bezeichnung der heutigen International Water Association (IWA) benannt, die die Entwicklung dieser Modelle angestoßen und finanziert hat: «ASM1» – IAWQ #1, «ASM2» – IAWQ# 2, usw. Was man bei der praktischen Simulation unbedingt wissen sollte, um die o.g. «Activated Sludge Modelle» richtig einzusetzen, wird nachfolgend dargelegt (einschließlich einiger Hinweise zu weiterführenden Literaturstellen). «Activated Sludge Model #1»Es wird empfohlen, dieses grundlegende Modell in der Originalliteratur zu studieren. Ohne Verständnis dieses Modells sind auch die Nachfolgermodelle inhaltlich kaum zu erschließen. In Ergänzung zum Originaltext haben JEPPSSON, 1990 und KÖHNE, 1998 sehr gut verständliche Erläuterungen gegeben. Diese Literaturstellen können deshalb auch uneingeschränkt empfohlen werden. Mit «ASM1» können folgende Vorgänge simuliert werden:
Mit anderen Worten: «ASM1» kann Kohlenstoffabbau sowie Nitrifikation und Denitrifikation abbilden. Dagegen ist z.B. die biologische Phosphatelimination mit «ASM1» nicht darstellbar (hierzu muss z.B. auf «ASM#2D» übergegangen werden). Als allererstes Modell hat «ASM1» naturgemäß einige Schwächen, über die sich aber die Verfasser völlig im klaren waren. «ASM1» läßt außer acht, wenn ein Mangel an den Nährstoffen Stickstoff und Phosphor herrscht. Selbst wenn im Zulauf zur biologischen Stufe nicht genügend bioverfügbarer Stickstoff und/oder Phosphor vorhanden ist, wird ein davon unbeeinflusstes Wachstum der heterotrophen und autotrophen Organismen simuliert. Im Falle von Nährstoffmangel im Zulauf, z.B. bei TKN, kann das zu negativen Konzentrationen im Ablauf führen, weil für den Aufbau der Biomasse TKN verbraucht wird. Negative Ammoniumkonzentrationen wirken natürlich verwirrend, sind aber aus dem vorgenannten Grund bei «ASM1» nur ein Hinweis darauf, dass die Nährstoffzusammensetzung des Abwassers deutlich außerhalb des Optimums liegt. Wichtig ist auch zu realisieren, dass «ASM1» die am biologischen Reinigungsprozess beteiligte Vielfalt an Mikroorganismen lediglich in zwei großen Gruppen abbildet:
Mit «ASM#3» liegt inzwischen eine Weiterentwicklung des «ASM1» vor. Dessenungeachtet behauptet «ASM1» nach wie vor den Spitzenplatz bei der praktischen Simulation, vor allem wohl deshalb, weil es einfacher zu handhaben und zu kalibrieren ist. Während beim «ASM1» “nur” 26 Koeffizienten verändert werden können, vefügt das «ASM#3» über 46 Einstellmöglichkeiten. Diese “Stellschrauben” sind zugänglich bei der Kalibrierung des «Activated sludge aeration tank» auf dem sogenannten «Run level».
«Activated Sludge Model #2»«ASM2» ist aus heutiger Sicht vor allem als Zwischenschritt zu «ASM#2D» zu sehen. Von daher können sich die Erläuterungen auf folgende Punkte beschränken: Anstelle der bei «ASM#1» genannten bildet «ASM2» folgende Prozesse ab:
Mit anderen Worten: Zusätzlich zu den Möglichkeiten von «ASM#1» (Kohlenstoffabbau, Nitrifikation, Denitrifikation) kann «ASM2» die Phosphatelimination abbilden. Vor allem dazu wurden die «PAO's» als neue Gruppe von Mikroorganismen im Modell eingeführt. Die modellmäßige Abbildung der Entfernung von Phosphat erstreckt sich dabei sowohl auf die biologische Phosphatelimination (“BioP”) als auch auf die Phosphatfällung. «Activated Sludge Model #2D»Soll die Phosphatelimination im Modell erfaßt werden, kommt heute üblicherweise «ASM2D» zum Einsatz. Anstelle der bei «ASM#2» genannten, können mit «ASM2D» folgende Vorgänge simuliert werden:
Die rot hervorgehobenen Elemente in der obigen Aufzählung markieren den Unterschied zu «ASM#2». Ergo: An den mit «ASM#2» modellierbaren Prozessen hat sich im Vergleich zu «ASM#2D» im Grunde genommen nichts geändert, jedoch wurde die Abbildung der Vorgänge präzisiert. Dementsprechend steigt die Anzahl der möglichen Einstellungen bei der Modellkalibrierung auf 30!
«Activated Sludge Model #3»Wie bereits erwähnt, ist «ASM3» eine Weiterentwicklung von «ASM#1». Während sich im «ASM#1» die Zerfallsprozesse der Heterotrophen und Autotrophen weitestgehend gleichen, werden sie im «ASM#3» sauber getrennt. Ein Stoffaustausch von CSB zwischen beiden Gruppen wie im «ASM#1» findet im «ASM#3» nicht statt, Nitrifikanten und Heterotrophe durchlaufen modellmäßig unterschiedliche Stufen “von der Wiege bis zur Bahre”. Analog zu den Modellen «ASM#2» und «ASM#2D» werden in «ASM#3» interne Speicherprozesse berücksichtigt. Soweit dabei die Aufnahme von Sauerstoff eine Rolle spielt, werden auch diese Vorgänge getrennt abgebildet. Das «ASM#3» umfaßt jedoch nur mikrobiologische Prozesse, Fällung/Flockung oder andere chemisch-physikalische Verfahren werden im Gegensatz zu «ASM#2D» nicht berücksichtigt GUJER et al., 2000. «ASM3» beschreibt folgende Vorgänge:
Unter Kalibrierung und erforderliche Arbeitsschritte im “Hintergrund” eines Projekts zur Kläranlagensimulation wurde bereits erwähnt, dass die Vergrößerung des Spektrums der Einstellmöglichkeiten nicht nur Vorteile bringt. Es bedarf einiger Erfahrung, um die 46 “Stellschrauben” von «ASM3» gemäß Abb. 4 so zu “drehen”, dass die Kalibrierung auch tatsächlich in der gewünschten Weise verändert wird. An dieser Stelle deshalb folgender Tip: Beginnen Sie Ihre Simulation zunächst mit «ASM1» und setzen Sie die von der Kalibrierung her deutlich aufwändigeren Modelle erst ein, wenn Sie “BioP” modellieren wollen und/oder mit «ASM1» keine hinreichende Simulationsqualität erzielen. Außerdem soll hier auch noch einmal auf die “eherne Regel” der Kalibrierung verwiesen werden! Auf der nächsten Seite finden Sie Hinweise zur Fraktionierung des CSB für Simulationen mit den «Activated Sludge Modellen». |
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