DE4140915C2 - Kläranlage mit einstufigem Belebungsbecken und einem Reglersystem für die biochemischen Prozesse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kläranlage mit einstufigem Belebungsbecken in intermittierender Bauweise und einem Regelsystem für die biochemischen Prozesse, insbesondere der Sauerstoff-Einleitung zur Durchführung der oxi­ schen, anoxischen und anaeroben Phasen.

Die Reinigung von Abwässern erfolgt bekanntlich da­ durch, daß nach einer mechanischen Klärung in Bele­ bungsbecken technisch-biologische Verfahren ange­ wendet werden, bei denen durch gezielte und inter­ mittierende Zuführung von Luftsauerstoff eine Be­ einflussung der die biochemischen Prozesse beein­ flussenden Bakterien in der Weise erfolgt, daß eine weitgehende Beseitigung von Stickstoff und Phosphor erfolgt. Vermittels Zufuhr oder Unterbinden von Sauerstoff lassen sich die drei zur optimalen bio­ chemischen Reinigung notwendigen Prozeßphasen, näm­ lich die oxische, die anoxische und die anaerobe einleiten und in ihrem Ablauf bestimmen.

Während der oxischen Phase erfolgt aufgrund der Zu­ fuhr von Sauerstoff eine Oxidation des Kohlenstoffs und Stickstoffs. Aus dem Ammoniumstickstoff ent­ steht Nitrat (Nitrifikation). Gleichzeitig erfolgt eine Aufnahme des Phosphates durch die Bakterien, die sich im belebten Schlamm ansammeln.

Die anoxische Prozeßphase ist durch Fehlen von Sau­ erstoff gekennzeichnet, so daß die Bakterien genö­ tigt sind, den Sauerstoff des Nitrates abzubauen und zu veratmen (Denitrifikation) und demzufolge der Stickstoff entweicht und eliminiert wird. In der sich hieran anschließenden anaeroben Prozeß­ phase, die dadurch gekennzeichnet ist, daß weder Sauerstoff zugeführt wird noch Sauerstoff in Form von Nitratverbindungen vorhanden ist, geraten die Bakterien in eine gewünschte Streßsituation, in der sie einen Teil des gespeicherten Phosphates wieder abgegen. Die Abgabe ist Voraussetzung dafür, daß in der folgenden oxischen Phase wieder in erheblichem Umfange Phosphat aufgenommen und auf diese Weise die Phosphat-Elimination gesteigert werden kann.

Moderne Abwässerreinigungsanlagen sind demnach zu einer auf biologischer Basis durchgeführten simul­ tanen Elimination von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphat in der Lage. Erforderlich ist eine inter­ mittierende und in ihrem zeitlichen Ablauf opti­ mierten Belüftung zur Durchführung der oxischen, anoxischen und anaeroben Prozesse.

Hierzu ist der Einsatz von auf unterschiedlichen Prinzipien basierenden Meßsonden bekannt, die bei­ spielsweise anhand der Trübung den Sauerstoffbe­ darf, durch eine Redox-Sonde die Reduktions- und Oxidationskraft sowie durch einen Ammonium-Analyzer der NH₄-Gehalt messen und entsprechend die einzel­ nen Phasen steuern.

Die aus dem Stande der Technik bekannten Systeme arbeiten nicht zufriedenstellend, so daß eine sorg­ fältige Überwachung und auch Beeinflussung durch das Bedienungspersonal erforderlich wird. Diese Notwendigkeit ergibt sich zum einen aus der Tatsa­ che, daß die ablaufenden Vorgänge von komplexer Na­ tur sind, bestimmte Einflußgrößen nicht erfaßt wer­ den und teilweise überhaupt nicht erfaßbar sind, wie z. B. die Blähschlammbildung, der Sättigungsgrad der Bakterien usw. Hinzu kommt, daß die Meßsonden durch äußere Einflüsse die Ist-Werte nicht sehr präzise anzugeben in der Lage sind.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Wei­ terentwicklung von Kläranlagen mit einstufigen Be­ lebungsbecken in intermittierender Bauweise dahingehend zur Aufgabe gemacht, daß ein höheres Maß einer biologischen Reinigungslei­ stung erreicht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß über Meßsonden scharfe und/oder unscharfe Ist- Werte erfaßt sowie über eine Eingabestation manuell unscharfe Führungsgrößen eingegeben werden, die Werte und Führungsgrößen in unscharfe Variablen überführt, anschließend nach Inferenz-Regel verar­ beitet und durch Defuzzifizierung eine Stellgröße ermittelt wird.

Einer der Kerngedanken vorliegender Erfindung be­ steht in der Eingabe unscharfer Ist-Werte und un­ scharfer, aus Beobachtung herrührender Führungsgrö­ ßen sowie deren adäquater Verarbeitung mit einer unscharfen Logikschaltung.

Unscharfe Führungsgrößen entsprechen dem menschli­ chen Denken und Beobachten. Das Bedienungspersonal ist ohne weiteres in der Lage unscharfe Aussagen und Beurteilungen zu treffen, wie z. B. die Bläh­ schlammbildung ist stark oder sie ist schwach oder sie ist mittelmäßig. Auf der Basis dieser Beobach­ tungen werden durch das Bedienungspersonal die un­ scharfen Führungsgrößen eingegeben. Gleichermaßen können die Meßsonden neben den scharfen auch un­ scharfe Ist-Werte erfassen. Die Auswertung der Ist- Werte und Führungsgrößen erfolgt mit Hilfe einer unscharfen Logik-Schaltung (Fuzzy-Regler) derart, daß die Ist-Werte und Führungsgrößen in unscharfe Variablen überführt werden (Fuzzifizierung) und an­ schließend nach Inferenz-Regeln verarbeitet.

Die Verarbeitung erfolgt nach den aus der Mathema­ tik bekannten Prinzipien der Fuzzy-Logik. Hierbei wird zunächst den als Eingangsinformation eingege­ benen unscharfen Werten, die die Ist-Werte und Füh­ rungsgrößen darstellen, eine unscharfe Menge zuge­ ordnet. Anschließend werden diese unscharfen Werte einem Inferenz-Regelsystem unterworfen, welches die relevanten Prozeßsteuerinformationen und folglich das implementierte Expertenwissen bedienerunabhän­ gig und für jedermann einsetzbar enthält. Als Re­ sultat erhält man einen unscharfen Ausgangswert, der einer unscharfen Wertemenge entspricht.

Generell bedarf es zur Einwirkung auf ein Stell­ glied - hier handelt es sich um die Sauerstoffzu­ fuhr - einer klar definierten physikalischen Stell­ größe. Erforderlich ist demnach auf der Basis des unscharfen Ausgangssignales nach Bearbeitung der Inferenz-Regeln eine definierte Stellgröße herzu­ leiten. Diese Umwandlung einer unscharfen Werte­ menge in eine definierte Stellgröße wird Defuzzi­ fizierung genannt.

Für die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Gedan­ kens grundsätzlich unerheblich ist, an welchem Ort sich die Meßsonden befinden, ob sie also im Zulauf oder im Belebungsbecken angeordnet sind. Im ersten Fall ergibt sich eine sofortige Erfassung des hin­ zuströmenden und langfristig die Zusammensetzung im Belebungsbecken ändernden Abwassers. Im letzteren Fall ist eine unmittelbare Erfassung der im Bele­ bungsbecken herrschenden momentanen Zustände mög­ lich.

Die mit der Erfindung erreichbaren Vorteile sind vielfältig:

Zunächst wird durch das vorgeschlagene Regelsystem ein in sich geschlossener Closed-Loop geschaffen, durch den eine sofortige und unmittelbare Erfassung und Ermitteln der Stellgrößen ermöglicht wird. Be­ reits aus diesem Grunde ergibt sich gegenüber dem Stande der Technik, der nur eine Schaltung bei Mi­ nimum/Maximum-Werten vornimmt, eine wesentliche Verbesserung des gereinigten Abwassers. Entschei­ dend ist, daß (noch) nicht quantitativ erfaßbare Zustandsgrößen in den Regelprozeß eingebracht und Berücksichtigung finden können. Hierzu zählen die bereits erwähnte Blähschlammbildung, der Sätti­ gungsgrad mit Bakterien, deren Zustand sowie eine Einflußnahme insbesondere auch dann, wenn die Mes­ sungen nur im Zu- und Ablauf des Belebungsbeckens erfolgen.

Somit wird erstmalig die Einbringung unter Berück­ sichtigung unscharfer Werte, für die eine grund­ sätzliche quantitative Messung nicht möglich ist und die sich bislang einer mathematischen Behand­ lung entzogen haben, möglich.

Die Inferenz-Regeln erlauben die Behandlung von Prozessen auch solcher Komplexität, die präzisen Methoden und Modellen nicht zugänglich sind. Zudem gelangt man innerhalb kürzester Zeit zu Resultaten, sodaß sich deren Einsatz auch bei Echtzeitanforde­ rungen anbietet. Das Inferenz-Regelsystem beinhal­ tet das gesamte Expertenwissen, sodaß auch unerfah­ renes Bedienungspersonal ohne maschinenspezifische Detailkenntnisse eingesetzt werden kann. Auch bei fehlerhaftem oder unvollständigem Inferenz-Regelsy­ stem ist eine Verarbeitung nach den Gesetzen der Fuzzy-Logik sinnvoll, da ein hohes Maß an Fehlerto­ leranz vorliegt. Die kontinuierliche Regelung wirkt sich positiv auf das den Sauerstoff bewegenden Ge­ bläse aus.

In einer als besonders vorteilhaft angesehenen Wei­ terbildung wird das durch die Stellgröße bewirkte Steuerresultat gemessen, um eine Kontrolle des Re­ gelkreises vornehmen zu können. Gleichzeitig werden neben dem Wert des Steuerresultates auch der gemes­ sene Ist-Wert und der zugehörige Wert der Stell­ größe gespeichert und als Erfahrung zur Optimierung der Inferenzregeln genutzt. Die Erfassung des Steu­ erresultates erlaubt zu beurteilen, wie bei dem vorgegebenen Ist-Wert die Stellgröße hätte beschaf­ fen sein müssen, um ein optimales Ergebnis, d. h. eine bessere Beseitigung der Schadstoffe erreichen zu können.

Diese Information wird zur Optimierung des Infe­ renz-Regelsystemes eingesetzt und benutzt. Das Er­ gebnis ist ein Selbstlernprozeß der unscharfen Lo­ gik-Schaltung. Durch die automatische Anpassung wird einerseits der Aufwand des Klärwerkpersonals verringert und eine Optimierung des Ergebnisses er­ reicht.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, die zeitliche Änderung der Ist-Werte zu speichern und bei der weiteren Regelung zu berück­ sichtigen. In der Praxis zeigt sich, daß sich das Abwasseraufkommen zeitlich und auf periodische Weise wiederholt. Im Laufe eines Tages betrachtet (Tagesgang) ergeben sich Schwankungen, die durch das häusliche Abwasser verursacht werden und sich an den Arbeitstagen periodisch wiederholen, wozu besonders die Spitzen in den Morgen-, Mittags- und Abendstunden zu rechnen sind.

Dem Tagesgang überlagern sich die Abwassereinlei­ tungen der Gewerbe- oder Industriebetriebe, die produktionsbedingte Abwasserstöße erzeugen. Als Beispiel seien genannt: Brauereien, Molkereien und Wäschereien.

Hieraus können sich charakteristische Wochengangli­ nien ermitteln lassen. Hierzu überlagern sich sai­ sonbedingte Einflüsse, die sich durch die Ferien­ zeit (Hotels und Freizeitparks) oder durch die Ernte (Zuckerfabriken und Obstbrennereien) ergeben.

Der Grundgedanke der Erfindung ist nun, die einmal erfaßten und periodisch sich wiederholenden Gangli­ nien zur Regelung der Kläranlage und zur Optimie­ rung der Aufarbeitung zu nutzen. So läßt sich z. B. ein Vorhalten des Klärbeckens durch Sauerstoffzu­ fuhr erreichen, um einen Zustand herzustellen, wie er dem zu erwartenden Abwassermaxima oder -minima gefordert wird und entspricht.

Durch frühzeitige Einstellung läßt sich die Kläran­ lage bei Zeiten auf denjenigen Punkt bringen, wie es das in Kürze ankommende Abwasser erfordert. An­ dernfalls wären mehrere Stunden bis zur Erreichung des optimalen Arbeitspunktes der Kläranlage vonnö­ ten. Die Vorteile, die sich hieraus ergeben sind, daß eine Auslegung der Kläranlage auf Spitzenwerte nicht erforderlich ist, eine wesentliche Verbesse­ rung des Pufferverhaltens, die Volumenverringerung des Belebungsbeckens und die Einsparung von Bauko­ sten oder, bei Beibehaltung des bisherigen Volu­ mens, eine Reduzierung der Schadstoffleitungen in die Gewässer.

Da die einmal ermittelten Ganglinien jedoch nur eine ungefähre Orientierung dessen darstelen, was im konkreten Fall an Abwasser vorliegt, muß ständig der Ist-Wert erfaßt und mit dem vorhergesagten Wert der Ganglinie verglichen werden. Die Differenz er­ laubt eine frühzeitige Anpassung und Vorhaltung an die aktuellen Verhältnisse. Diese Abweichungen las­ sen sich wiederum als unscharfe Variablen darstel­ len und mit Hilfe der Inferenz-Regeln und in eine Stellgröße umwandeln.

In einem weiter verfeinerten Verfahren wird nicht die Differenz, sondern deren zeitliche Änderung als Regelgröße genutzt.

Schließlich ist vorgesehen, das vorgeschlagene Re­ gelsystem auch zur Einstellung und Optimierung des Rücklaufschlammes und/oder der Fällmittelzugabe zur chemischen Phosphor-Elimination zu nutzen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem anhand eines in der Zeichnung widergegebenen Blockschaltbild in prinzi­ pienhafter Darstellung der Einsatz der Erfindung bei einem Belebungsbeginn dargestellt ist.

Ein Belebungsbecken (1) wird über einen Zulauf (2) versorgt und weist ein Nachklärbecken (3) sowie einen Ablauf (4) auf. Über eine Pumpstation (5) wird ein Teil des durch Bakterien belebten und im Belebungsbecken (1) erhaltenen Schlammes, der soge­ nannte Rücklaufschlamm, in den Zulauf (2) zurückge­ führt.

Weiter befinden sich Meßsonden (6) im Zulauf (2) sowie weitere Meßsonden (7) im Belebungsbecken (1). Der Block (7) umfaßt weiterhin die direkte Eingabe unscharfer Beobachtungsgrößen durch das Bedienungs­ personal in Form von Führungsgrößen.

Der Kern der Erfindung liegt in dem angewandten Re­ gelsystem. Die durch die Meßsonde (6) erhaltenen Ist-Werte werden einerseits sofort ausgewertet (Auswerteeinheit 8), andererseits in einem Speicher (9) zusammen mit den Auswertedaten abgelegt. Im Speicher (9) erfolgt weiterhin eine Angabe desjeni­ gen Wertes, der entsprechend der momentan gültigen Ganglinie einzustellen wäre. In der Vergleichsein­ heit (10) wird die Differenz zwischen dem tatsäch­ lich gemessenen und durch die Auswerteeinheit (8) erhaltenen Ist-Wert mit dem aus dem Speicher (9) gewonnenen in der Einheit (10) verglichen und die Differenz gebildet, die ihrerseits auf den Fuzzy- Regler (11) eingegeben wird.

Weiterhin werden in den Fuzzy-Regler (11) die scharfen oder unscharfen Meßwerte der direkt im Be­ lebungsbecken (1) positionierten Meßsonden sowie die unscharfen und durch die Bedienungspersonen eingegebenen Führungsgrößen eingegeben.

Der Fuzzy-Regler läßt sich unterteilen zunächst in einen der Fuzzifizierung dienenden Eingang (12) - hier werden den scharfen oder unscharfen Eingangs­ größen unscharfe Wertemengen zugeordnet -, die Aus­ wertung erfolgt durch Inferenzteil (13), in dem sich ein, das Expertenwissen wiedergebendes und im allgemeinen lernfähiges Regelsystem befindet. Die hierbei erhaltenen Ausgangsgrößen werden in der De­ fuzzifizierung (14) ein entsprechend der unscharfen Wertemenge definierter und diskreter Wert zugeord­ net, der einer Stellgröße entspricht, die in der Prozeßsteuerung (15) an die den Sauerstoffeintrag bestimmende Gebläsestation (16) als auch an die den Rücklaufschlamm bewegende Pumpstation (5) weiterge­ geben wird.

Im Ergebnis erhält man eine Kläranlage mit einem einstufigen Belebungsbecken, das sich zum möglichst vollständigen Abbau und Reinigung von Abwasser eignet.

Claims (5)

1. Kläranlage mit einstufigem Belebungsbecken in intermittierender Betriebsweise und einem Regelsy­ stem für die biochemischen Prozesse, insbesondere der Sauerstoff-Einleitung zur Durchführung der oxi­ schen, anoxischen und anaeroben Phasen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß über Meßsonden (6, 7) scharfe und/oder unscharfe Ist-Werte erfaßt sowie über eine Eingabestation (7) manuell unscharfe Führungsgrößen eingegeben werden, die Werte und Führungsgrößen in unscharfe Variablen überführt, anschließend nach Inferenz-Regel verarbeitet und durch Defuzzifizie­ rung eine Stellgröße ermittelt wird.

2. Kläranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Steuerresultat gemessen und zusammen mit den die Steuerbedingungen wiedergebenden Ist- Werten und den Werten der Stellgröße gespeichert und zur Optimierung der Inferenz-Regeln benutzt wird.

3. Kläranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zeitliche Änderung der Ist- Werte, insbesondere des Tages- bzw. Wochenganges, erfaßt, gespeichert und bei der weiteren Regelung berücksichtigt wird.

4. Kläranlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Differenz des gemessenen Ist-Wertes mit dem vorhergesagten Wert der Ganglinie ermittelt und diese oder deren zeitliche Änderung zur Rege­ lung benutzt wird.

5. Kläranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Rücklaufschlamm und/oder die Fällmittelzugabe zur chemischen Phos­ phor-Elimination in das Regelsystem eingebunden sind.