DE19702951A1

DE19702951A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Nitrifikations- und Denitrifikationsphase

Info

Publication number: DE19702951A1
Application number: DE19702951A
Authority: DE
Inventors: Michael Prof Dr Bongards
Original assignee: WTW Wissenschaftlich Technische Werkstatten GmbH
Current assignee: Xylem Analytics Germany GmbH
Priority date: 1997-01-27
Filing date: 1997-01-27
Publication date: 1998-07-30
Also published as: US6093322A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Regelung der Nitrifikations- und Denitrifikationsphase bei der Abwasseraufbereitung. Zielgruppe der Erfindung sind insbe sondere kleine und mittlere Kläranlagen, die hinsichtlich der Nitrifikations- und Denitrifikationsphase intermittierend be trieben werden.

In dem Artikel "Oxidation-Reduction-Potential - A Tool for Mo nitoring, Control and Optimization of Biological Nutrient Remo val Systems" in WAT, SCI. TECH. Vol. 17, Paris 1985, S. 259- 281, ist dargestellt, daß das Redoxpotential ein wirkungsvolles Indiz für das Ende der Denitrifikationsphase darstellt. Zur Steuerung wird ein Knickpunkt im zeitlichen Verlauf des Redox potentials verwendet, der das Ende der Denitrifikationsphase anzeigt. Ein Problem bei der Nutzung dieses Wertes besteht in der sicheren Erkennung des Knickpunktes, nachfolgend Redox- Knickpunkt genannt. Erschwert wird die Erkennung weiterhin durch die Tatsache, daß der Absolutwert des Redoxpotentials im Bereich des Knickpunktes bei unterschiedlichen Rahmenbedingun gen enorm schwankt. In dem oben erwähnten Artikel sind für den Absolutwert des Redoxpotentials im Bereich des Knickpunktes Werte von -100 bis -250 mV angegeben. Der Absolutwert des Redoxpotentials läßt sich somit nicht vernünftigerweise zur Erleichterung der Knickpunkterkennung nutzen, wenngleich dies auch in der EP 396 057 B1 vorgeschlagen wird. Dort wird neben der Erkennung des Knickpunktes der Absolutwert des Redox potentials verwendet. Das Ende der Denitrifikationsphase wird dann angenommen, wenn ein Knickpunkt detektiert worden ist und sich zusätzlich der Absolutwert des Redoxpotentials innerhalb eines vorbestimmten Intervalls befindet. Wie jedoch aus dem obigen Aufsatz ersichtlich ist, schwankt der Absolutwert des Redoxpotentials ganz erheblich in Abhängigkeit von den vorliegenden Rahmenbedingungen, weshalb dieser Parameter die Sicherheit der Erkennung nicht gerade erhöht. Ein weiteres Kriterium wird in der EP 396 057 B1 in einer Sauerstofffreiheit des Abwassers gesehen. Als Schaltkriterium wird somit zusätzlich zum Redox-Knickpunkt die Sauerstofffreiheit des Abwassers verwendet. Jedoch ist auch dieser Parameter kein sicheres Indiz für das Ende der Denitrifikationsphase, weil in der Regel die Sauerstofffreiheit in der Denitrifikationsphase relativ früh vorliegen kann. Ein zu frühes Abschalten wird somit durch diesen Parameter nur zu Beginn der Denitrifikation ausgeschlossen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die eine relativ genaue Steue rung zumindest der Denitrifikationsphase auf der Basis der Er kennung des Redoxpotentials ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der Ansprüche 1 und 4 und durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 16 gelöst. Vorteil hafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der zuge ordneten Unteransprüche.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird das Redoxpo tential in definierten Abständen, z. B. 10 sec, gemessen. Aus einer größeren Anzahl von Absolutwerten, z. B. zwischen 4 und 100, wird dann die Steigung bestimmt. Vorzugsweise wird aus je weils mindestens zwei Absolutwerten des Redoxpotentials ein Mittelwert des Redoxpotentials gemessen. Wiederum aus einer vorgegebenen Anzahl derartiger Mittelwerte wird dann die Stei gung, d. h. die zeitliche Änderung des Redoxpotentials ermit telt. Unterscheidet sich dieser Steigungswert von einem zweiten Steigungswert, der auf gleiche Weise aus den vorhergehenden Messungen ermittelt worden ist, so wird das Vorliegen eines Knickpunktes angenommen. Die ermittelten Steigungswerte zweier nachfolgender Messungen müssen sich daher um einen vorbestimm ten Wert unterscheiden, um die Gültigkeit der Annahme eines Re doxknickpunktes zu bewirken, bzw. je größer der Unterschied, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit für das Vorliegen eines Knickpunktes. Auf Basis dieser Information wird ein erstes Schaltsignal erzeugt, welches zur Abschaltung der Denitrifika tionsphase verwendet werden kann. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß die Ermittlung der Steigungswerte auf einer großen Anzahl gemittelter Meßwerte über einen längeren Zeitraum beruhen, so daß Knickpunkte, die aufgrund kurzzeitiger Meßsi gnalschwankung erhalten werden, unberücksichtigt bleiben. Die ses quasi statistische Verfahren zur Eliminierung möglicher Fehlersignale bei der Detektion des Redoxknickpunktes ermög licht daher eine sehr sichere Bestimmung des Redoxknickpunktes.

Alternativ oder zusätzlich zu diesem Verfahren kann der gemes sene zeitliche Verlauf des Redoxpotentials zur Bildung eines Differenzwertes ausgewertet werden. Hierbei wird das Redoxpo tential an seinem Maximum, d. h. zu Beginn der Denitrifikati onsphase, erfaßt und die Differenz bis zum Abschalten der Deni trifikationsphase ermittelt. Diese Differenz wird in einem Speicher abgespeichert. Bei den nachfolgenden Meßzyklen wird dann der Differenzwert des neuen Zyklusses mit dem Differenz wert des alten Zyklusses verglichen und ein zweites Schaltsi gnal ausgegeben, das eine Aussage über den Unterschied der Dif ferenzwerte aus wenigstens zwei aufeinanderfolgenden zeitlichen Meßzyklen enthält. Im Falle der Verwendung von binären Schalt signalen kann ein zweites Schaltsignal generiert werden, wenn der Differenzwert des neuen Meßzyklus den des vorherigen Meßzy klusses (um einen vorgegebenen Wert) überschreitet. Als Zeit punkt für das Ende der Denitrifikationsphase zur Berechnung des Differenzwertes kann entweder ein fest eingestellter oder va riabler Zeitwert oder der Wert aus der Redoxknickpunktbestim mung nach dem ersten alternativen Verfahren verwendet werden. Bei beiden Verfahren kann es vorgesehen sein, daß zu Beginn der Denitrifikationsphase, z. B. in den ersten drei bis 15 Minuten, überhaupt keine Meßsignale ausgewertet werden, da der Wert des Redoxpotentials zu Beginn der Denitrifikationsphase stark schwankt. Somit können Fehlmessungen aufgrund dieser Schwankun gen vermieden werden.

In einer Verknüpfungslogik können diese beiden ersten und zwei ten Schaltsignale dann im einfachsten Fall durch eine UND- oder ODER-Logik verknüpft werden, um einen endgültigen Schaltimpuls oder ein Schaltsignal zur weiteren Steuerung zu erhalten. Vor zugsweise wird für den Verknüpfungsalgorithmus eine Fuzzy-Logik oder ein neuronales Netzwerk verwendet. Die Schaltsignale lie gen hier als Analogwerte oder Digitalwerte mit einer Wortbreite von mindestens zwei Bit, vorzugsweise 8 oder 16 Bit vor. Das erste Schaltsignal enthält z. B. einen Wert, der die Wahrschein lichkeit für das Vorliegen eines Redoxknickpunktes angibt, wäh rend das zweite Schaltsignal eine Aussage über den Unterschied der Differenzwerte zweier aufeinanderfolgender Meßzyklen ent halten kann. Die Fuzzy-Logik oder das neuronale Netzwerk ermög lichen es, die Plausibilität eines Signals in gemeinsamer Be trachtung und Beurteilung der anderen Signale abzuschätzen und zu bewerten, um so nach voreingegebenen oder selbsterlernten Entscheidungsmustern eine Entscheidung zu treffen. So kann z. B. die Denitrifikationsphase als beendet angesehen werden, wenn aus dem ersten Schaltsignal die Wahrscheinlichkeit für das Vor liegen eines Knickpunktes über 90% liegt und das zweite Signal gleichzeitig angibt, daß der Unterschied der Werte aus dem ak tuellen und vorherigen Meßzyklus nur noch sehr klein ist.

Vorzugsweise ist eine Grundsteuerung für die Nitrifikations- und Denitrifikationszeit vorgesehen, die auf gespeicherten Zeit-Sollwerten für die Nitrifikations- und Denitrifikations zeit basiert, wobei die Sollwerte durch statistisch oder empirisch ermittelte und gespeicherte tages- und/oder jahreszeitliche Belastungswerte und durch die Abwassertempe ratur korrigiert sind. Dieser flexible Sollwert kann zudem entsprechend der Belastung einer Belüftungsvorrichtung während der Nitrifikationsphase in einer Belastungserfassungsvorrichtung korrigiert werden. Dies geschieht in folgender Weise:

Allgemein wird während der Nitrifikationsphase im Bereich des Sauerstoffpartialdruckanstiegs im Abwasser eine Belastungsmes sung der Belüftungsvorrichtung durchgeführt. Diese Belastungs messung erfaßt entweder die Schaltzyklen der Belüftungsvorrich tung und/oder die Leistung, mit der die Belüftungsvorrichtung betrieben wird. In dem ersten Meßzyklus (nach dem Start der An lage) wird die Belastung der Belüftungsvorrichtung vor dem Er reichen des Sollwertes des Sauerstoffpartialdrucks im Abwasser bestimmt. Später, d. h. nach dem Erreichen des Sollwertes des Sauerstoffpartialdrucks im Abwasser, wird diese Belastungsmes sung noch einmal durchgeführt. Die erhaltenen Meßwerte werden gespeichert. In dem darauffolgenden Meßzyklus wird wiederum vor und nach dem Erreichen des Sauerstoff-Sollwertes im Abwasser die Belastung der Belüftungsvorrichtung gemessen. Ist die Dif ferenz der Werte zwischen dem aktuellen und dem vorherigen Meß zyklus positiv, so wird der vorberechnete Wert für die Nitrifi kationszeit verlängert und der entsprechende Wert für die Deni trifikationszeit verkürzt. Ist die Differenz negativ, d. h. hat die Belastung der Belüftungsvorrichtung abgenommen, so wird der Vorgabewert für Nitrifikationszeit verkürzt und für die Deni trifikationszeit verlängert.

Dieser Belastungserfassungseinrichtung ist nun eine dritte Ver gleichsschaltung nachgeordnet, die eine Zeitmeßschaltung auf weist, die die Zeit ab dem Beginn der Denitrifikationsphase er faßt und ein drittes Schaltsignal generiert, das eine Aussage über die Differenz zwischen der berechneten Zeit und der in der aktuellen Denitrifikationsphase verstrichenen Zeit enthält. Im einfachsten Fall bei Verwendung binärer Schaltsignale kann die ses z. B. auf HIGH gesetzt werden, wenn der vorgegebene und eventuell durch die Belastungswerte korrigierte Zeitwert durch die aktuelle Denitrifikationszeit (um einen vorgegebenen Wert) überschritten worden ist.

Die bereits beschriebene Verknüpfungslogik beendet die Denitri fikationsphase in Abhängigkeit von den Werten dieser Schaltsi gnale. Sie kann z. B. die Denitrifikationsphase abschalten, wenn eines der drei Schaltsignale positiv ist. Dies kann jedoch im Falle einer falschen Knickpunkterkennung zu einer zu frühen Ab schaltung der Denitrifikationsphase führen. Daher wird bei Ver wendung binärer Schaltsignale eine noch größere Sicherheit er reicht, wenn eine Abschaltung nur dann erfolgt, wenn zwei der drei Schaltsignale positiv sind. Auf diese Weise führt eine fehlerhafte Messung des Redoxknickpunktes nicht zwangsläufig zu einer zu frühen Abschaltung der Denitrifikationsphase, da zu sätzlich zu dem detektierten Redox-Knickpunkt noch eine Über schreitung des Differenzwertes des Redoxpotentials aus dem letzten Meßzyklus vorliegen muß oder die voreingestellte Deni trifikationszeit überschritten sein muß. Auf diese Weise wird daher vermieden, daß die Denitrifikationsphase aufgrund einer irrtümlichen Knickpunkterkennung viel zu früh stoppt und damit die Leistung der Kläranlage erheblich beeinträchtigt wird. Vor zugsweise wird jedoch eine Fuzzy-Logik oder ein neuronales Netzwerk verwendet, die in oben bereits beschriebener Weise die Schaltsignale bewertet und in einer auf Erfahrungswerten basie renden Weise miteinander verknüpft. Die Schaltsignale liegen hier vorzugsweise als Analogsignale oder als Digitalsignale mit größerer Wortbreite (z. B. 8 oder 16 Bit) vor.

Zusammenfassend läßt sich somit sagen, daß durch die verbes serte statistische Auswertung des Redoxknickpunktes, insbeson dere im Zusammenwirken mit einer Fuzzy-Logik oder einem neuro nalen Netzwerk eine wesentlich größere Sicherheit hinsichtlich der Detektion des Knickpunktes selbst erreicht wird und daß durch die zusätzlichen Schaltparameter, wie Redoxpotentialdif ferenz und belastungsabhängige Zeitvorgabe, eine große Sicher heit hinsichtlich einer stabilen Verfahrensführung erzielt wird, selbst dann, wenn einmal kein Knickpunkt detektiert werden sollte.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der schematischen Zeichnung beschrieben. Diese zeigt ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuerungs- und Regelungsvorrichtung. Die Steuerungs- und Regelungsvorrichtung 10 enthält eine zen trale Steuerungslogik 12, deren Ausgänge ein Signal S_D für die Beendigung der Denitrifikationsphase und ein Ausgangssignal S_N für das Ende der Nitrifikationsphase abgibt. Die zentrale Steuerungslogik 12 enthält einen Speicher 14, in welchem aus einer statistischen/empirischen Erfassung die tages- und gege benenfalls jahreszeitabhängige Belastung der Anlage in Form von Datensätzen gespeichert ist. Weiterhin verfügt die Anlage über einen Speicher 16, der aus empirischen oder statistischen Un tersuchungen oder aus Berechnungen einen mittleren Wert für die Nitrifikations- und Denitrifikationszeit enthält. Dieser Wert wird zum einen verknüpft mit einem Korrekturwert, der aus dem Datenspeicher 14 erhalten wird, wobei dieser Korrekturwert der tageszeitlichen und jahreszeitlichen Belastung der Anlage Rech nung trägt. Weiterhin wird der Festwert aus dem Speicher 16 mit einem Wert aus einem Temperaturgeber 18 korrigiert, der aus der Abwassertemperatur ein Korrektursignal ableitet, welches die temperaturabhängige Dynamik der biologischen bzw. biochemischen Abbauprozesse berücksichtigt. Der errechnete Zeitwert t wird über eine später noch zu beschreibende optionale Erfassungsein richtung 24 zur Einbringung eines belastungsabhängigen Zeitkor rekturwertes in den Zeitwert t_korr korrigiert und an eine Ver gleichsschaltung 30 weitergegeben, welche den berechneten Zeit wert mit der bislang abgelaufenen Zeit in Korrelation setzt und daraus ein drittes Schaltsignal S3 generiert. Dieser Schaltwert S3 basiert daher auf einem vorgegebenen bzw. berechneten Fest wert t bzw. t_korr, der die tages- und jahreszeitliche Belastung, die Abwassertemperatur und gegebenenfalls die aktuelle Bela stung des Abwassers berücksichtigt. Das Schaltsignal S3 wird an eine an die zentrale Verknüpfungslogik 13 weitergegeben und dort für die Ableitung der Schaltpunkte für die Beendigung der Denitrifikationsphase S_D und der Nitrifikationsphase S_N berück sichtigt. Beim ersten Meßzyklus nach dem Start der Anlage ba siert die Steuerung der ersten Nitrifikations- und Denitrifika tionszeit allein auf diesem Wert S3. Das gleiche gilt für den Betrieb nach einem Rücksetzen der Anlage oder nach dem Erkennen eines Fehlers in einer der nachfolgend noch zu beschreibenden Komponenten 20 bis 24, z. B. einer mehrmaligen nicht erfolgrei chen Knickpunkterkennung in aufeinanderfolgenden Meßzyklen.

Mit der zentralen Steuerlogik 12 ist weiterhin eine Knickpunkt erkennungsschaltung 20 verbunden, die auf statistische Weise aus dem Potentialverlauf U_R = f(t) einen Knickpunkt ermittelt und ein erstes Schaltsignal S1 abgibt, das eine Aussage über das Vorliegen eines Knickpunktes zuläßt. Das erste Schaltsignal kann z. B. ein binäres Signal sein oder ein Analog- oder Digi talsignal, das einen gemessenen Steigungsunterschied im zeitli chen Verlauf des Redoxpotentials oder einen Wahrscheinlich keitswert für das Vorliegen eines Knickpunktes enthält. Hin sichtlich der Funktion der Knickpunkterkennungsschaltung 20 wird vorzugsweise ein statistisches System der Knickpunkterken nung verwendet, bei dem über einen längeren Zeitraum, z. B. 20 Minuten, eine Vielzahl von Meßwerten erfaßt und gemittelt und erst die gemittelten Werte zur Berechnung einer Steigung des Potentialverlaufs verwendet werden. Die so erhaltenen Stei gungswerte aufeinanderfolgender Messungen werden dann miteinan der verglichen, welcher Vergleichswert einer Wahrscheinlichkeit für das Vorliegen eines Knickpunktes entspricht.

Des weiteren ist die zentrale Steuerungslogik mit einer Diffe renzwertschaltung 22 verbunden, die bei jedem Meßzyklus die Po tentialdifferenz zwischen einerseits dem Maximum des Redoxpo tentials zu Beginn der Denitrifikationsphase und andererseits dem Redoxpotential zum Zeitpunkt der Abschaltung der Denitrifi kationsphase, z. B. basierend auf der Knickpunkterkennung oder dem Ausgangssignal S_D der Verknüpfungslogik ermittelt. Anstelle dieses Schaltwertes S_D könnten auch die Schaltwerte S3 (Zeit vorgabe) bzw. S1 (Knickpunkterkennung) verwendet werden. Letz teres wäre von Nachteil, wenn im Falle einer falschen Knick punkterkennung dann auch die Differenzwertbildung zu einem fal schen Ergebnis führen würde. In diesem Fall könnte die Denitri fikationsphase falsch abgeschaltet werden. Die Differenzwert schaltung gibt ein zweites Schaltsignal S2 ab, das eine Aussage über den Unterschied zwischen den Differenzwerten zweier auf einanderfolgender Meßzyklen, z. B. aus dem vorherigen und dem aktuellen Meßzyklus enthält. Im Falle eines binären zweiten Schaltsignals S2 kann z. B. ein HIGH-Signal abgegeben werden, wenn der Differenzwert aus dem aktuellen Meßzyklus größer als der Wert aus dem vorherigen Meßzyklus ist. Das Signal S2 kann jedoch auch Information darüber enthalten, wie sehr der Differenzwert aus der aktuellen Messung noch von dem Differenz wert aus dem vorherigen Meßzyklus entfernt ist.

Die Knickpunkterkennungsschaltung 20 und die Differenzwert schaltung 22 bekommen als Meßsignal das Redoxpotential u_R zuge führt. Die Meßgröße wird über eine handelsübliche Sonde erfaßt. Der Differenzwertschaltung 22 wird für die Erkennung des Zeit punktes der Beendigung der Denitrifikationsphase zudem das Schaltsignal S_D der zentralen Steuerlogik 12 oder das erste Schaltsignal S1 zugeführt. So ist die Differenzwertschaltung 22 in der Lage, das Ende der Denitrifikationsphase zu erkennen und damit die Differenz des Redoxpotentials zwischen Beginn und Ende der Denitrifikationsphase zu bilden.

Es wurde vorstehend beschrieben, wie aus einem fest gespeicher ten Mittelwert verknüpft mit einem temperaturabhängigen und ei nem tages- und jahreszeitabhängigen Korrekturwert ein Zeitsi gnal t als Vorgabe zum Abschalten der Anlage gebildet wird. Dieses Signal t wird nun durch das Ausgangssignal einer Belas tungserfassungsvorrichtung 24 korrigiert, die wie folgt arbeitet. In der Kläranlage wird der im Abwasser vorhandene Sauerstoffpartialdruck pO₂ von der zentralen Steuerung 26 einer Belüftungsvorrichtung 28 erfaßt, welche das Abwasser mit Luft bzw. Sauerstoff versorgt. In der Regel sind dies Kompressoren, die Luft und/oder Sauerstoff unter Druck in das Abwasser ein pumpen, oder Oberflächenbelüfter. Die zentrale Steuerung 26 der Belüftungsvorrichtung 28 wird über die Anlagensteuerung (gestrichelt) angesteuert. Die Belastungserfassungsvorrichtung 24 erfaßt die aktuelle Belastung der Belüftungsvorrichtung 28 während der Nitrifikationsphase einmal vor dem Erreichen eines fest eingestellten Sollwertes des Sauerstoffpartialdrucks und einmal danach. Im nächsten Meßzyklus werden diese beiden Mes sungen wieder durchgeführt und aus der Differenz der entspre chenden Werte zwischen dem aktuellen und dem vorigen Meßzyklus wird eine Belastungsdifferenz einmal vor dem Erreichen des Sau erstoffpartialdruck-Sollwertes und einmal nach dem Erreichen des Sollwertes erhalten. Diese Änderungen der Belastung werden multiplikativ mit dem Zeitsignal t verknüpft und führen somit zu einem korrigierten Zeitsignal t_korr. Im Falle einer Belas tungszunahme, d. h. einer positiven Differenz der Belastungs werte zum vorigen Meßzyklus, wird die Nitrifikationsphase ver längert und die Denitrifikationsphase entsprechend verkürzt. Im Falle einer Abnahme der Belastung wird die Nitrifikationsphase verkürzt und die Denitrifikationsphase verlängert. Diese Kor rektur des Zeitwertes t wird nur dann durchgeführt, falls die Anlage eine Einrichtung zur Erfassung des Sauerstoffpartial drucks und/oder zur Erfassung der Belastung einer Belüftungs vorrichtung hat. Die von der Belastungserfassungsvorrichtung 24 erhaltenen Belastungswerte b sind entweder zeitliche Belas tungswerte, die aus den Zeitintervallen für die An- und Ab schaltung der Belüftungsvorrichtung erhalten werden, oder Leis tungswerte, falls eine Leistungssteuerung der Belüftungsvor richtung 28 vorgesehen ist und diese Leistung erfaßt werden kann. Es können auch beide Arten der Belastungswerte erfaßt und miteinander ausgewertet werden. Die Belastungserfassungsvor richtung 24 erfaßt zum ersten Mal vor dem Erreichen des Soll wertes des Sauerstoffpartialdrucks die Belastungsänderung der Belüftungsvorrichtung im Vergleich zum vorigen Meßzyklus und korrigiert somit bereits zum Beginn des Belüftungsintervalls den Zeitwert für die Nitrifikation. Es ist besonders vorteilhaft, daß nach Erreichen des Sollwertes des Sauerstoff partialdruckes eine abermalige Messung der Belastung der Belüf tungsvorrichtung durchgeführt wird und die Differenz zum vori gen Meßzyklus erfaßt und die Nitrifikationszeit ein zweites Mal korrigiert wird. Hiermit wird verifiziert, ob die bereits durch die erste Belastungsmessung erfolgte Veränderung der Nitrifika tionszeit tatsächlich angebracht war oder nicht. Die seitens der Belastungserfassungsvorrichtung 24 vorgenommene Korrektur des Zeitwertes t in t_korr zur Berechnung des Schaltsignals S3 trägt somit auf sehr vorteilhafte und flexible Weise der aktu ellen Belastung der Anlage Rechnung.

Der Belastungserfassungsvorrichtung 24 ist eine dritte Ver gleichsschaltung 30 nachgeordnet, die den Zeitwert t bzw. t_korr mit der aktuellen Denitrifikationszeit (DeNi-Zeit) vergleicht und in Abhängigkeit von diesem Vergleichsergebnis ein Schaltsi gnal S3 generiert. Im einfachsten Fall ist dieses ein binäres Signal z. B. HIGH, wenn die berechnete Zeit t bzw. t_korr durch die aktuelle DeNi-Zeit (um einen vorgegebenen Wert) überschritten wird. Andernfalls kann das dritte Schaltsignal S3 eine Aussage über die Zeitdifferenz zwischen der vorberechneten und der ak tuellen Denitrifikationszeit enthalten, die auf geeignete Weise mittels Fuzzy- oder Neuro-Komponenten ausgewertet wird.

Der zentralen Steuerungslogik stehen für die Steuerung der Ni trifikations- und Denitrifikationszeit somit drei Schaltsignale zur Verfügung: Das erste Schaltsignal S1, das aus der Knick punkterkennungsschaltung 20 erhalten wird. Dieses Signal ist allein abhängig aus der Meßgröße des Redoxpotentials.

Das zweite Schaltsignal S2, das aus der Differenzwertschaltung 22 erhalten wird. Dieses Signal ist abhängig von der Meßgröße des Redoxpotentials und dem Schaltwert S_D der zentralen Steue rungslogik 12 zum Abschalten der Denitrifikationsphase oder S1 (S3).

Das dritte Signal ist das Schaltsignal S3, welches, wie oben beschrieben allein von fest eingegebenen (und zuvor statistisch erfaßten) Daten und der Abwassertemperatur abhängt und gegebe nenfalls, im Falle einer vorhandenen Sauerstoffpartialdrucker fassung und/oder Belastungserfassung der Belüftungsvorrichtung, auch von der tatsächlichen Belastung der Anlage.

Die Schaltsignale S1, S2 und S3 müssen nicht unbedingt reine Binärsignale sein, die das Vorliegen einer Schaltbedingung an zeigen, sondern es können auch analoge oder digitale Werte sein, die entweder eine statistische Wahrscheinlichkeit für das Vorliegen einer Schaltbedingung zeigen oder die einen Wert dar stellen, der die Annäherung des aktuellen Wertes an den für eine Schaltbedingung erforderlichen Wert indizieren.

Diese drei Signale werden nun in der Verknüpfungslogik 13 mit einander verknüpft. Als Verknüpfung bieten sich bei Binärsigna len UND-Verknüpfungen an, wobei die einzelnen Schaltsignale entsprechend ihrer Priorität auch mit einer Gewichtung versehen sein könnten. Eine weitere Möglichkeit zur Verknüpfung der drei Schaltsignale zu einem Ausgangsschaltimpuls ist eine ODER-Ver knüpfung. Von einer derartigen Verknüpfung ist jedoch abzura ten, da im Falle einer falschen Knickpunkterkennung die Anlage falsch geschaltet würde. Vorzugsweise müssen wenigstens zwei der drei Schaltsignale vorliegen, damit die Steuerungslogik 12 einen Schaltvorgang durchführt. Auf diese Weise wird eine rela tiv sichere Umschaltung gewährleistet, da immer zwei voneinan der unabhängige Schaltsignale vorliegen müssen, damit die Steuerungslogik den Schaltvorgang auch durchführt. Dies sind entweder die Knickpunkterkennung und die Überschreitung des Re dox-Differenzwertes im Vergleich zum vorigen Meßzyklus oder die Zeitüberschreitung der vorberechneten Nitrifikations- bzw. De nitrifikationszeit, die sich in dem Schaltsignal S3 äußert. In jedem Fall liegen wenigstens zwei positive Indizien für das Vorliegen eines Knickpunktes vor.

Die Schaltsignale S1, S2 und S3 können jedoch besser in einer Fuzzy-Logik oder einem neuronalen Netzwerk variabel nach anla genspezifischen Parametern verknüpft werden. Hier werden die als Analogwerte oder Digitalwerte mit einer gewissen Wortbreite vorliegenden Schaltsignale S1 bis S3 bewertet und gewichtet. Ist z. B. der Differenzwert des aktuellen zum vorherigen Meßzy klus im zweiten Schaltsignal S2 sehr gering und zeigt das Si gnal S3 an, daß der vorgegebene Zeitwert zwar noch nicht er reicht worden ist, sich der aktuelle Wert jedoch stark an die sen Wert angenähert hat, so könnte bereits die Abgabe eines Schaltimpulses S_D an die Anlagensteuerung erfolgen. Ebenso könnte ein Abschaltimpuls an die Anlagensteuerung abgegeben werden, wenn die Wahrscheinlichkeit für den Redox-Knickpunkt im ersten Schaltsignal S1 äußerst hoch ist, z. B. über 90%, und das Abschaltsignal S3 anzeigt, daß die im aktuellen Meßzyklus ver strichene Denitrifikationszeit sich an den berechneten Wert t_KORR zwar annähert, ihn aber noch nicht erreicht hat. Eine derartige Steuerung ist viel flexibler und ist hinsichtlich der Entschei dungslogik dem Menschen angenähert, der seine Entscheidungen ja auch nicht aufgrund rein binärer "JA"-/"NEIN"-Überlegungen fällt, sondern in der Regel einzelne Beurteilungskriterien nach ihrer Aussagekraft hin beurteilt und daraufhin seine Entschei dung fällt. Diese erfahrungsorientierte Art der Verknüpfung und Gewichtung kann dem System in einem laborüberwachten Lernpro zeß oder in einem laborüberwachten selbsttätigen Lernprozeß (neuronale Netzwerke) vorher vermittelt worden sein.

Die in der Verknüpfungslogik 13, z. B. einer Fuzzy-Logik oder einem neuronalen Netzwerk erzeugten Schaltsignale S_D und S_N zum Abschalten der Denitrifikations- bzw. Nitrifikationsphase wer den der gestrichelt dargestellten zentralen Steuerung der Klär anlage zugeführt.

Die in Fig. 1 außerhalb der Steuerungslogik dargestellten Ein heiten 14, 16, 18, 24, 20 und 22 können selbstverständlich in nerhalb der Steuerungslogik 12 angeordnet sein. Es ist ebenso möglich, einzelne Teile der Steuerungslogik 12, wie z. B. die Verknüpfungslogik 13, separat unterzubringen. Die örtliche und/oder schaltungsmäßige Zusammenfassung einzelner Komponenten aus Fig. 1 wird der Fachmann im Rahmen seines handwerklichen Könnens in Anpassung an anlagenspezifische Gegebenheiten vor nehmen bzw. variieren.

Die Anlage steuert bzw. regelt nicht nur die Denitrifikations zeit, sondern über das Schaltsignal S3 auch die Nitrifikations zeit. Das Verfahren wird als Steuerungs- oder Regelungsverfah ren bezeichnet, da die Schaltsignale S1 und S2 die Anlage regeln, das dritte Schaltsignal S3 dahingehend die Anlage nur steuern kann, falls keine Belastungsmessung erfolgt. Gesteuert über das dritte Schaltsignal S3 wird in jedem Fall beim ersten Meßzyklus, wenn Vergleichsgrößen aus dem Meßzyklus erst gespeichert werden müssen. Gesteuert über das Schaltsignal S3 wird in der Regel auch dann, wenn eine der Komponenten 20, 22 oder die Sonde zur Erfassung des Redoxpotentials gewartet werden muß oder über mehrere Meßzyklen keine oder unklare Ergebnisse, z. B. in der Differenzwert- oder Knickpunkterkennung erzielt wurden.

Durch wahlweises Weglassen der Komponenten 24, 26 und 28 kann die Steuerung bzw. Regelung auch für Anlagen verwendet werden, die über keine Erfassung des Sauerstoffpartialdrucks verfügen oder bei denen die Belastung der Belüftungsvorrichtung nicht erfaßt wird.

In Fig. 1 ist die zentrale Anlagensteuerung, der die Schaltim pulse S_D und S_N für die Denitrifikations- und Nitrifikationszeit zugeführt werden, gestrichelt dargestellt, da sie nicht zur vorliegenden Erfindung gehört. Diese Anlage gibt in der Regel einen Schaltimpuls an die Steuerung 26 für die Belüftungsvor richtung 28 zum Beginn und zum Ende der Nitrifikationszeit. Dieser Impuls kann jedoch auch über die Steuerungslogik 12 ab gegeben werden. Die Steuerungslogik 12 kann Teil der Anlagen steuerung sein, ist jedoch vorzugsweise separat vorgesehen und zur Nachrüstung bestehender Anlagen geeignet.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung und Regelung der Nitrifikations- und Denitrifikationsphasen bei der Abwasseraufbereitung, wobei das Redoxpotential (u_R) des Abwassers gemessen und ein Knickpunkt des Redoxpotentials zur Indikation des Endes der Denitrifikati onsphase verwendet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß aus wenigstens zwei zeitlich beabstandeten Messungen des Redoxpotentials eine Steigung errechnet und gespeichert wird,
daß wenigstens zwei aufeinanderfolgende Steigungswerte mitein ander verglichen werden,
und daß für die Abschaltung der Denitrifikationsphase ein er stes Abschaltsignal (S1) generiert wird, welches Informationen über das Vergleichsergebnis enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß aus wenigstens zwei erhaltenen Meßwerten des Redoxpotenti als ein Mittelwert gebildet wird, und
daß die Steigung aus einer vorbestimmten Zahl von Mittelwerten errechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß aus einer vorbestimmten Anzahl zeitlich gleichmäßig aufein anderfolgender Steigungswerte ein Steigungsmittelwert gebildet wird, der mit einem nachfolgenden, in gleicher Weise gebildeten Steigungsmittelwert verglichen wird,
und daß für die Abschaltung der Denitrifikationsphase ein ers tes Abschaltsignal (S1) generiert wird, welches Informationen über das Vergleichsergebnis der Steigungsmittelwerte enthält.

4. Verfahren zur Steuerung und Regelung der Nitrifikations- und Denitrifikationsphasen bei der Abwasseraufbereitung, wobei das Redoxpotential (u_R) des Abwassers gemessen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Maximum des Redoxpotentials erfaßt wird,
daß das Redoxpotential im Bereich des Zeitpunktes der Abschal tung der Denitrifikationsphase erfaßt wird,
daß aus den beiden obigen Werten ein Differenzwert gebildet wird,
daß der Differenzwert des aktuellen Zyklus mit dem Differenz wert aus dem vorherigen Zyklus verglichen und ein zweites Ab schaltsignal (S2) erzeugt wird, welches eine Aussage über das Vergleichsergebnis enthält.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sauerstoffgehalt des Abwassers zur Steuerung einer Belüftungs vorrichtung (28) zum Einbringen von Sauerstoff in das Abwasser gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche und/oder leistungsbezogene Belastung (b) der Belüftungsvorrichtung erfaßt und zur Berechnung der Nitrifika tionszeit und Denitrifikationszeit verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit seit dem Maximum des Redoxpotentials oder dem Be ginn der Denitrifikation gemessen und ein drittes Abschaltsi gnal (S3) generiert wird, welches eine Aussage darüber enthält, wie stark die aktuelle Denitrifikationszeit von einer vorbe stimmten oder berechneten Zeit (t_korr) abweicht.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fuzzy-Logik vorgesehen ist, die das erste und/oder zweite und/oder dritte Abschaltsignal (S1, S2, S3) aufgrund seines statistischen Wahrheitsgehaltes bzw. seiner statistischen Wahrscheinlichkeit oder Zuverlässigkeit wichtet, und in Abhängigkeit von der Wichtung die Denitrifikationsphase abschaltet.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 4 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet,
daß aus den Abschaltsignalen durch Vergleich mit Schwell- oder Sollwerten binäre Signale gebildet werden, und
daß die Denitrifikation abgeschaltet wird, wenn ein erstes und/oder zweites und/oder drittes Abschaltsignal vorliegt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Denitrifikation beendet wird, wenn zwei der drei Ab schaltsignale vorliegen.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn der Denitrifikationsphase zeitlich erfaßt und innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne ab Beginn der Denitri fikation keine Meßwerte des Redoxpotentials ausgewertet werden.

11. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sauerstoffgehalt (P_O2) des Abwassers gemessen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß vor dem Erreichen eines vorab eingestellten pO₂-Sollwertes im Abwasser ein aktueller Belastungsgrad der Belüftungsvorrich tung gemessen wird,
daß eine Differenz zwischen dem aktuellen Belastungsgrad und dem entsprechenden Wert des vorherigen Zyklus gebildet wird, und
daß ein Festwert (t) für Nitrifikationszeit entsprechend der positiven/negativen Differenz verlängert/verkürzt wird (t_korr).

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sauerstoffgehalt des Abwassers gemessen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß nach dem Erreichen eines vorab eingestellten pO₂-Sollwertes im Abwasser ein diesem Sollwert entsprechender aktueller Belas tungsgrad der Belüftungsvorrichtung gemessen wird,
daß eine Differenz zwischen dem aktuellen Belastungsgrad und dem entsprechenden Wert des vorherigen Zyklus gebildet wird, und
daß ein Festwert (t) für die Nitrifikationszeit entsprechend der positiven/negativen Differenz verlängert/verkürzt und die Denitrifikationszeit entsprechend der positiven/negativen Dif ferenz verkürzt /verlängert wird (t_korr).

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß in einem ersten Meßzyklus die Nitrifikations- und Denitri fikationszeit aus einem vorab eingestellten Festwert bestimmt wird, welcher Festwert einen anlagenspezifischen abgespeicher ten tageszeitabhängigen Belastungsfaktor und die Abwassertempe ratur berücksichtigt, und
daß in dem ersten Meßzyklus alle Meßwerte des Redoxpotentials und/oder des Belastungsgrades einer Belüftungsvorrichtung für Vergleichsmessungen und Differenzwertbildungen in späteren Meß zyklen gespeichert werden.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß wenn in einem Meßzyklus kein Knickpunkt in der Steigung des Redoxpotentials ermittelt wird, die Denitrifikationszeit aus einem vorab eingestellten Festwert (t) bestimmt wird, welcher Festwert einen anlagenspezifischen abgespeicherten tageszeitab hängigen Belastungsfaktor (14) und die Abwassertemperatur (ϑ) berücksichtigt, und
daß in dem Meßzyklus die Meßwerte des Redoxpotentials (uR) und/oder des Belastungsgrades (b)einer Belüftungsvorrichtung (28) für Vergleichsmessungen und Differenzwertbildungen in spä teren Meßzyklen erneut gespeichert werden.

15. Verfahren nach Anspruch 12 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Festwert (t) entsprechend der Differenz zwischen dem aktuellen Belastungsgrad (b) der Belüftungsvorrichtung und dem Wert des vorherigen Meßzyklus verändert wird (t_korr)

16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 4, umfassend

- einen Sensor zur Erfassung des Redoxpotentials (u_R), mit einer Knickpunkterfassungsschaltung (20) zur Generierung eines ersten Schaltsignals und/oder
- eine Differenzwertschaltung (22), die den Differenzwert zwi schen dem maximalen Redoxpotential und dem Redoxpotential bei Beendigung der Denitrifikationsphase ermittelt, welche Diffe renzwertschaltung eine erste Vergleichsschaltung aufweist, die ein zweites Schaltsignal (S2) generiert, welches Aussagen über das Vergleichsergebnis enthält, und
- eine Verknüpfungsschaltung (13), das/die Schaltsignal/e (S1, S2) bewertet, um damit ein Beurteilungskriterium für die Abgabe eines Schaltimpulses (S_D) für die Abschaltung der Deni trifikationsphase zu generieren.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungslogik (12) über eine Referenzschaltung (30) verfügt, die eine drittes Schaltsignal (S3) für die Verknüp fungslogik (13) generiert, welches auf einem gespeicherten Festwert (t) für eine mittlere Nitrifikations- und Denitrifi kationszeit basiert, welcher Festwert durch einen Temperatur korrekturwert und einen tages- und jahreszeitbedingten Korrek turwert und optional durch einen aktuellen Belastungswert (b) der Belüftungsvorrichtung korrigiert ist (t, t_korr), welches dritte Schaltsignal (S3) eine Aussage über das Verhältnis zwi schen der aktuellen Denitrifikationszeit und dem vorgegebenen, gegebenenfalls korrigierten, Festwert (t, t_korr) enthält.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch folgende Bestandteile:

- einen Sauerstoffsensor zur Steuerung bzw. Regelung einer Be lüftungsvorrichtung (28) in der Nitrifikationsphase,
- eine Belastungserfassungseinrichtung (28) zur Ermittlung der zeitlichen und/oder leistungsbezogenen Belastung (b) der Belüf tungsvorrichtung (28) und zur Korrektur eines vorgegebenen Wer tes (t) für die Nitrifikationszeit und Denitrifikationszeit in Abhängigkeit vom Belastungsgrad (b) der Belüftungsvorrichtung (28).

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfungsschaltung (13) als Fuzzy-Logik oder neuro nales Netzwerk ausgebildet ist.