Abwasserentsorgung I Siedlungshydrologie Fachrichtung Wasserwesen, Institut für Siedlungs- und...

Abwasserentsorgung I Siedlungshydrologie

Fachrichtung Wasserwesen, Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft

Peter Krebs Dresden, Dezember 2006

1 Fallstudie

2 Modellierung

3 Stoffhaushalt

4 Kanalnetzbewirtschaftung

Abwasserentsorgung I, Siedlungshydrologie Kap. 4 Kanalnetzbewirtschaftung © PK, 2007 – Seite 2


4.1 Grundlagen

4.2 Abflussbasierte Steuerung

4.3 PASST

4.4 Fallbeispiel Dresden

4.5 Weitergehende Steuerungsansätze

4.6 Folgerungen


Peter Krebs

Abwasserentsorgung I, Siedlungshydrologie


Emission

Immission

Ansatz der Wasserrahmenrichtlinie V

erä

nd

erte

Sys

tem

anfo

rde

rung

en


Zeit

Ab

flu

ss

Zeit

O2 (

FG

)„Dimensionierung“

Simulation, da kritische Bedingung nicht offensichtlich

Abflussganglinie und Extremwert F

ließ

gew

äss

er


Ziele der Steuerung

• Minimierung des Entlastungsvolumens

• Minimierung der Gesamtemission

• Betriebsoptimierung: „Das beste aus dem System rausholen“

• Priorisierung der Ableitung nach Verschmutzungsgrad

• Optimierung der Fließgewässerqualität

• Ausgleich oder Maximierung des Kläranlagenzuflusses


Stauraumaktivierung

Aktivierung von Speicherraum, der bei kleinen und mittelintensiven Ereignissen nicht zur Ableitung benötigt wird


Lokale Steuerung

Tu Verzugszeit Tg Ausgleichszeit


Verbundsteuerung

S P S

S P S

P rozes s -rechner

R B

R B

B Ü

B Ü

S O L L , w ird vom P R

IS T

S O L L

IS T

lokale S teuerung

IS T -W ert w ird S O L L -W ert angepass t

(P R )

laufenderm itte lt

Ver

bund

steu

erun

g

lokale S teuerung


Abflusssteuerung erfordert ....Messtechnik

WuppersammlerReuschenberg:Durchflussmessung

Stellorgane

Hebewerk

Leittechnik und Analyse

Fotos aus dem Wupperverbandsgebiet

Prozessbild RÜB Brücke


Abflusssteuerung erfordert ....



4.1 Grundlagen


4.3 PASST



4.6 Folgerungen


Peter Krebs



Abflusssteuerung

Wirkung wie Rückhaltevolumen

aber flexibler und ereignisabhängig steuerbar

Gute Voraussetzungen ( PASST) großes Rückhaltevolumen

lange Aufenthaltszeit

unterschiedlich leistungsfähige Fließgewässer

nicht sehr intensive Ereignisse

Vorsicht bei Interaktion mit Sedimenten

biochemische Prozesse, Geruch, Korrosion


Steuerungspotenzial

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 2 4 6 8 10Regendauer T N (h)

Reg

enh

öh

en-Ä

qu

ival

ent

h (

mm

)

SteuerungEntlastung

keine Entlastung


Grundsätzlicher Planungsverlauf

Vorstudie mit AST(siehe Kapitel 6)

Variantenvergleich(siehe Kapitel 7)

Detailstudie für Vorzugsvariante mit AST?

NEIN JADetailstudie

mit AST(siehe Kapitel 8)

Herkömmliche Detailstudie

Grundlagendaten ausreichend?

JA

Ziele für Entwässerungssystem definieren (siehe Kapitel 3.1)

NEINZusätzliche Datenerhebungen

Alternative Planungsvarianten ohne AST

Rahmenbedingungen für die Planung (siehe Kapitel 5)

JA

System grundsätzlich steuerungswürdig? (PASST)

(siehe Kapitel 4)NEIN

Herkömmliche Planungen

Schritt 1: Erste Abschätzungen

Schritt 2: Vorstudie

Schritt 3: Detailstudie


Schritt 1: Erste Abschätzungen

Ziele für Entwässerungssystem definieren (siehe Kapitel 3.1)

JA

System grundsätzlich steuerungswürdig? (PASST)

(siehe Kapitel 4)NEIN

Herkömmliche Planungen

Ø Reduzierung der GewässerbelastungØ Minimierung der InvestitionskostenØ Optimierung des Kanalbetriebs

PASST www.dwa.de

DWA AG ES 2.4 „Abflussteuerung“


Schritt 2: Vorstudie

Vorstudie mit AST(siehe Kapitel 6)

Variantenvergleich(siehe Kapitel 7)

Grundlagendaten ausreichend?

JA

NEINZusätzliche Datenerhebungen

Alternative Planungsvarianten ohne AST

Rahmenbedingungen für die Planung (siehe Kapitel 5)

Ø (Bauwerke, MSR-Technik)Ø Verfügbarkeit von Simulationsprogrammen und

MessdatenØ Organisatorische AspekteØ Rechtliche Aspekte

JA

Ø Festlegung der ZielgrößenØ Auswahl und Ermittlung von BelastungsszenarienØ Überschlägige Ermittlung des

SpeichernutzungspotenzialsØ Entwurf von SteuerungsalgorithmenØ Festlegung der Messstellen und SteuerungsorganeØ Aufstellung verschiedener SteuerungsalgorithmenØ Formulierung und Simulation von

SteuerungsalgorithmenØ Klärung der rechtlichen Rahmenbedingen

Ø ZielerreichungsgradØ Wirtschaftlichkeit


Schritt 3: Detailstudie

Detailstudie für Vorzugsvariante mit AST?

NEIN JADetailstudie

mit AST(siehe Kapitel 8)

Herkömmliche Detailstudie

Ø Detailplanung des Steuerungsalgorithmus

Ø Planungsschritte zur praktischen Umsetzung der Abflusssteuerung



4.1 Grundlagen


4.3 PASST



4.6 Folgerungen


Peter Krebs



Erste Abschätzung mit PASST


Erg

änze

nd

e In

form

atio

ne

n Literatur

Beispiele

Galerie

Anwendung von PASST


AST in Deutschland

Der DWA AG ES 2.4sind 42• in Planung befindliche• Studien• umgesetzteProjekte bekannt

Weitere 4 Projekteim Ausland dokumentiert


AST in NRW

Ruhrgebiet


Auszug aus Bewertungstabelle PASST

A. Entwässerungsgebiet

B. Abwasseranfall

C. Kanalnetz

D. Betriebliches Netzverhalten

E. Gewässer

F. Kläranlage

vermutlich nicht steuerungswürdig

vermutlich steuerungswürdig

für Steuerung prädestiniert


Bewertungstabelle PASST

Kenndaten bzw. Kriterium Bewertungspunkte

A. Entwässerungsgebiet

A.1 Gebietsausdehnung (Fließweg im Haupt-sammler)

lang > 5 km (2)

mittel (1)

kurz < 1 km (0)

A.2 Unterschiede zwischen aktueller und geplanter Gebietsentwicklung

groß (2)

klein (1)

keine (0)

B. Abwasseranfall

B.1 Gebiete mit spezieller Verschmutzung des Oberflächenabflusses

mehrere (2)

1-2 (1)

keine (0)

B.2 Örtlich und zeitlich differenzierter Schmutzwasseranfall (Starkverschmutzer, Übergabe aus Trennsystemen)

hoch (2)

mittel (1)

keiner (0)



C. Kanalnetz

C.1 Anzahl vorhandener Steuerungseinrich-tungen (z. B. Pumpen, Schieber, Wehre)

mehrere (4)

1-2 (2)

keine (0)

C.2 Sammlergefälle flach < 0,2 %

(4) mittel

(2) steil > 0,5 %

(0)

C.3 Leistungsfähige Maschen im Sammlernetz mehrere

(4) 1-2 (2)

keine (0)

C.4 Anzahl vorhandener Rückhalteanlagen (Becken und Stauraumkanäle (? 50 m³))

>4 (4)

1 - 4 (2)

0 (0)

C.5 Anzahl vorhandener Entlastungsanlagen >6 (4)

2 - 6 (2)

<2 (0)

C.6 Absolutes Speichervolumen (Becken und/oder Kanalstauräume)

> 5000 m3 (4)

2000 – 5000 m3 (2)

< 2000 m3 (0)

C.7 Spezifisches Speichervolumen > 40 m3/ha

(4) 20 – 40 m3/ha

(2) < 20 m3/ha

(0)

C.8 Anzahl Zulaufsammler zur Kläranlage > 2 (3)

2 (1)

1 (0)



D. Betriebliches Netzverhalten

D.1 Lokal begrenzte Überschwemmungs-bereiche

mehrere (2)

1-2 (1)

keine (0)

D.2 Anzahl von Becken mit ungleichmäßiger Ausnutzung

> 1 (4)

1 (2)

keines (0)

D.3 Ungleichmäßiges Entlastungs- verhalten

stark (4)

mittel (2)

gering (0)

E. Gewässer

E.1 Örtliche Unterschiede in der hydraulischen Leistungsfähigkeit

stark (4)

mittel (2)

keine (0)

E.2 Örtliche Unterschiede in der stofflichen Belastbarkeit bzw. Nutzung

stark (4)

mittel (2)

keine (0)

E.3 Empfindlichkeit des Gewässers sehr empfindlich

(2) wenig empfindlich

(0) F. Kläranlage

F.1 Möglicher Mischwasserzufluss (*) >1,0 fS,QM·QS,aM

+ QF,aM (3)

= fS,QM·QS,aM + QF,aM

(1)

< fS,QM·QS,aM + QF,aM

(0)

F.2 Kläranlage reagiert empfindlich auf hyd-raulische und/oder Schmutzfracht-Stöße

sehr empfindlich (2)

wenig empfindlich (0)

(*) Möglicher Mischwasserzufluss und Faktor fS,QM gemäß Arbeitsblatt DWA A198



Punkte

0 – 24 vermutlich nicht steuerungswürdig

25 – 35 vermutlich steuerungswürdig

> 35 für Steuerung prädestiniert



4.1 Grundlagen


4.3 PASST



4.6 Folgerungen


Peter Krebs



Fallbeispiel: Verbundsteuerung Dresden

Stauraumbewirtschaftungin Kanälen: 55.000 m3

In Becken: 36.000 m3© itwh


Gesteuerte SystembereicheGesteuerte Systembereiche

Ca. 75 % des Einzugsgebietes können durch die Bewirtschaftungsmaßnahmen erfasst werden© itwh


• Die Becken sind an 2 zentralen Standorten am Abfangsammler angeordnet

Steuerungskonzept Dresden

© itwh


• Die Abfangsammler vereinigen sich direkt vor der Kläranlage


© itwh


• Die aktivierbaren Volumina liegen beidseitig der Elbe, angebunden an die Abfangsammler


© itwh


• Die Aktivierung der Volumina erfolgt mit 20 Regelorganen

© itwh



• Die notwendigen Messdaten werden an ca. 30 Standorten gewonnen


© itwh


Aufgrund der Komplexität des Systems ist die optimale Nutzung der Speicherräume nur mit Hilfe einer Verbundsteuerung möglich


© itwh


Sämtliche Mess- und Steuerstellen sind an das zentrale Leitsystem der Kläranlage angebunden

In dieses Netzwerk ist auch der Steuerungsrechner eingebunden

Unter Verwendung einer Regelbasis werden anhand von systemweiten Messwerten Steuerungs-entscheidungen getroffen

Die Steuerungsentscheidungen werden an die lokalen „Unterzentralen“ zur Umsetzung übermittelt


© itwh

Abwasserentsorgung I, Siedlungshydrologie Kap. 4 Kanalnetzbewirtschaftung © PK, 2007 – Seite 38© itwh

Verbundsteuerung

Abwasserentsorgung I, Siedlungshydrologie Kap. 4 Kanalnetzbewirtschaftung © PK, 2007 – Seite 39® itwh

Fuzzy control als Regelungsansatz


Ausschnitt aus einer Regelbasis

Bedingungen Folgerung WENN B3 <= mittel UND B2 = sehr_hoch DANN P3 = sehr_gering WENN B3 = hoch UND B2 = sehr_hoch DANN P3 = gering WENN B3 <= mittel UND B2 = hoch DANN P3 = mittel WENN B3 <= mittel UND MS1 = kritisch DANN P3 = sehr_gering WENN B3 <= mittel UND MS2 = kritisch DANN P3 = sehr_gering WENN B3 <= mittel UND MS3 = kritisch DANN P3 = sehr_gering WENN B3 <= mittel UND MS4 = kritisch DANN P3 = sehr_gering WENN B3 <= mittel UND MS5 = kritisch DANN P3 = sehr_gering WENN B3 <= mittel UND MS1 = hoch DANN P3 = gering WENN B3 <= mittel UND MS2 = hoch DANN P3 = gering WENN B3 <= mittel UND MS3 = hoch DANN P3 = gering WENN B3 <= mittel UND MS4 = hoch DANN P3 = gering WENN B3 <= mittel UND MS5 = hoch DANN P3 = gering WENN MS1 = kritisch DANN P1 = sehr_gering WENN MS2 = kritisch DANN P1 = sehr_gering WENN MS4 = kritisch UND B1! = sehr_hoch DANN P1 = sehr_gering WENN MS5 = kritisch UND B1! = sehr_hoch DANN P1 = sehr_gering WENN MS3 = kritisch DANN P1 = gering WENN MS4 = hoch UND B1 <= niedrig DANN P1 = gering WENN MS5 = hoch UND B1 <= niedrig DANN P1 = gering WENN B2 = sehr_hoch UND B1! = sehr_hoch DANN P1 = mittel WENN MS1 = kritisch DANN P2 = sehr_gering WENN MS2 = kritisch DANN P2 = sehr_gering WENN MS5 = kritisch UND B2 <= mittel DANN P2 = gering

aus Beeneken et al. (1994)



4.1 Grundlagen


4.3 PASST



4.6 Folgerungen


Peter Krebs



Grenzen der herkömmlichen Steuerung

R2 = 0,0699

0

4000

8000

12000

16000

0 0,5 1 1,5 2

DO (g/m3)

C

SO

(m

3 )

R2 = 0,2742

0

20

40

60

80

100

0 0,5 1 1,5 2

DO (g/m3)

C

SO

(%

)

Schlechte Korrelation zw. Verminderung des Entlastungsvolumens und Zunahme des Sauerstoffgehaltes !


Grundsatz Nutzen der Variabilitäten !

Räumliche Variabilität

stark verschmutztes Abwasser zur Kläranlage

schwach verschmutztes Abwasser entlasten

Zeitliche Variabilität

„Tageszeit“ ist maßgebend für die Entscheidung, ob entlastet wird

Gute Wirkung bei

räumlich variablem Niederschlag

Regenintensität und –höhe relativ gering


Tagesgang von Stofffrachten

0

10

20

30

40

50

60

70

00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 00:00

Uhrzeit (hh:mm)

CS

B-F

rach

t (

kg

/h)

0

1

2

3

4

5

6

7

NH

4-F

rach

t (

kg

/h)

Tagesmittel für CSB und NH4

NH4-Fracht

CSB-Fracht

Abwasserentsorgung I, Siedlungshydrologie Kap. 4 Kanalnetzbewirtschaftung © PK, 2007 – Seite 45Zeit

Ko

nz.

, F

rach

t

Fracht

Konzentration

Zeit

Ab

flu

ssNH4-Belastung der Kläranlage bei Mischwasser


Höherbelastung der Kläranlage

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

Fü

lls

ta

nd

RÜ

B (-)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0 2 4 6 8 10

Zeit t (h)

Qd/Q

m

(Bruns, 1999)


DrosselorganStoffflussInformationsfluss

Dhünn

VKLA

RÜBKläranlage

(BKLA)

Ent

last

ung

BBNKB

Ein

leitu

ng

Kläranlage

Steuerung von Kanalnetz und Kläranlage

RÜ

BH

ahne

nber

g

Ent

last

ung

NH3

A

Sta

ukan

al

Sam

mle

r 1 L

B

Ent

last

ung

VBKLA

NH3

D

CSB

NH4 NH3

C

(Erbe, 2005)


Ergebnisse integrierte Steuerung

KA

RÜBOsenau

NH3-N

SS

Q C

im FG


Messungen im System

Steuerungs-strategie

Steuerungs-alternativen

Reale Welt

Virtuelle Welt

Beste Alternative

Prädiktive Steuerung

Umsetzung

Regen-messungen

Regen-vorhersagen

Konventionelle Steuerung

Ka-, KA-, FG-Simulation

Online-Übertragung

Prädiktive Simulation

Prädiktive Simulation, Zeitgewinn

Überprüfung, Abgleich (über Online-Modell)


0246

810

1214

16

0 4 8 12 16 20

0

2

4

6

8

10

12

DO

(m

g/l)

Zeit (h)

km flussabwärts

0246

810

1214

16

0 4 8 12 16 20

0

2

4

6

8

10

12

DO

(m

g/l)

Zeit (h)

km flussabwärts

Wirkung der prädiktiven Steuerung

Rauch und Harremoës (1999)

Ohne Steuerung Mit prädiktiver Steuerung

Sauerstoff im Fließgewässer


Integrierte Steuerung ModellkalibrierungItw

h –

ISI


Prognose der Ablaufkonzentration zur Kapazitätsermittlung

60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 700

5

10Prognose Ablaufkonzentration mit Messwertnachführung

Zeit [d]

NH

4-N

Abla

uf-Konz

[mg/L

]

prognostiziert

gemessen

60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 700

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

Zeit [d]

Zufluss [m

³/h]

Zulässige Zulaufmenge (c-Soll: 2mg/L NH4-N)

Messwert

zulässig

Itwh

– IS

I


Integrierte Steuerung NH4-N-Frachten ins Gewässer

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2.625 m³/s 3 m³/s 2.625 m³/s 3 m³/s 2.625 m³/s 3 m³/s 2.625 m³/s 3 m³/s 2.625 m³/s 3 m³/s

NH

4-N

-Fra

cht

in G

ewäs

ser

[kg

/Ere

ign

i

NH4-N-Fracht aus Kanalnetz

NH4-N-Fracht aus RÜB KA (BÜ+KÜ)

NH4-N-Fracht aus Kläranlage

- 7%- 7% - 5% - 1% - 22 %

Diff. gegenüber ´IST 2.625 m³/s

Ereignis 005 Ereignis 010 Ereignis 012-014 Ereignis 015 Ereignis 025

Itwh

– IS

I



4.1 Grundlagen


4.3 PASST



4.6 Folgerungen


Peter Krebs



Folgerungen

• Steuerung und Simulation gewinnen angesichts der WRR an Bedeutung

• Verbesserung der Wirkung bzgl. Gewässerqualität mittels prädiktive Simulation

• Abflusssteuerung nutzt Reserven im System und hat sich in mehreren Systemen bewährt

• Verbesserungen bei Online-Messungen und integrierter Simulation nötig

• Erfolg der Abflusssteuerung ist system- und ereignisabhängig


Dank

DI Martin Lindenberg, itwh Dresden

Dr. Volker Erbe, Wupperverband

für die Bereitstellung von Bild- und Informationsmaterial

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