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Modellierung von Abwassersystemen

Fachrichtung Hydrowissenschaften, Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft

Peter Krebs Dresden, Januar 2012

1 Einführung in die Modellierung

2 Siedlungsentwässerung

3 Abwasserreinigung

4 Integrierte Modellierung von Abwassersystem und Gewässer

Modellierung von Abwassersystemen Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2013 – Seite 2

3 Abwasserreinigung

3.1 Das Belebtschlammverfahren und das Modell

3.2 Stoffe, Charakterisierung des Abwassers

3.3 Prozesse

3.4 Fraktionierung und Kalibrierung

3.5 Nachklärung


Peter Krebs



3 Abwasserreinigung



3.3 Prozesse


3.5 Nachklärung


Peter Krebs



Das Belebtschlammverfahren

Für zentrale Abwassersysteme das häufigste biologische Behandlungsverfahren

Tolerant bzgl. Belastungsschwankungen

Flexibel für die Realisierung von Optionen zur Steuerung und Regelung

Erweiterbar und kombinierbar mit chemischer Abwasserreinigung

Betriebsbedingungen variabel, so dass Mikroorganismen mit unterschiedlichen Eigenschaften im homogen durchmischten Schlamm leben und wachsen können


Motivation für die dynamische Simulation

Zuflussschwankungen, täglich, wöchentlich, saisonal

Variation der Zusammensetzung

Hohe Gradienten von Belastung und Betriebsbedingungen bei Regenwetter

Dynamische Abbildung der Prozesse

Entwicklung von Steuerungs- und Regelungsstrategien

Vergleich des Verhaltens bei unterschiedlichen Ausbaustrategien


ASM: Activated sludge models

IAWPRC (heute IWA) Arbeitsgruppe hat 1987 ASM 1 publiziert

Bis heute gibt es diverse Weiterentwicklungen, gebräuchlich sind die Versionen 1, 2, 2D und 3

Grundsatz: Das Modell bzw. die Gleichungen sind öffentlich verfügbar

das ASM ist also kein Software-Paket!

Wir konzentrieren uns auf das ASM 1, das den Abbau organischer Substanz •die Nitrifikation •die Denitrifikation •Sowie weitere zu deren Beschreibung nötige Prozesse und Stoffe abbildet


anoxisch aerob

ASM1

Die gekoppelten Prozesse des folgenden Systems können mit dem ASM1 beschrieben werden

Belebungsbeckendas biochemische Prozessmodell ist maßgebend die Durchströmung wird mit einer Rührkesselkaskade abgebildet

NachklärbeckenSchlammbilanz bei dynamischer Belastung maßgebend Abbildung des Durchströmungsverhaltens mit Schichtenmodell


Grundsätzliche Anforderungen

Die Prozesse werden dynamisch abgebildet

Die Stoffübergänge sind bilanzierbar abgebildet und dadurch nachvollziehbar und auf Plausibilität überprüfbar

CSB-Bilanz für organische Verbindungen

Die Fraktionierung des Abwassers im Zulauf ist eine wesentliche Kalibrierungsgröße


Q Q

Cin CCV

r

( ) VrCQQCQCQtC

V RRRin ++−+=∂∂

Massenbilanz

Q – QÜSS

Cout

QR CR QÜSS

CÜSS = CR

+ QR

Reaktion

Belebung Nachklärung

Der Modellansatz


3 Abwasserreinigung



3.3 Prozesse


3.5 Nachklärung


Peter Krebs



Inhalt des Abwassers

C bilanziert durch CSB N organisch beim biologischen Abbau wird O2 gezehrt

NH4+, NH3

NO3-, NO2

-

N2in organischem Material gebundener Stickstoff

wird als negativer CSB bilanziert

Protonenbilanz, nimmt nicht an Prozessen teil

Org. Verb.

Stickstoff

Gelöster O2

Alkalinität


Mikroorganismen der Belebung

aktive Biomasse, als partikulärer CSB bilanziert abgestorbene Biomasse ist inertes partik. org. Material

bei aeroben und anoxischen Bedingungen aktiv unter aeroben Bedingungen wird CSB abgebaut unter anoxischen Bedingungen wird denitrifiziert und CSB abgebaut ohne org. Material (CSB) läuft Denitrifikation nicht ab

nur unter aeroben Bedingungen aktiv Ammonium wird nitrifiziert braucht kein organisches Material (keinen CSB)

Biomasse

Heterotrophe Biomasse

Autotrophe Biomasse


Stoffe: CSB-Fraktionen

Totaler CSB

biol. abbaubarer CSB

biol. inerter CSB

Aktive Biomasse CSB

heterotrophXB,H

autotroph XB,A

gelöst SI

partikulär XI XP

gelöst SS

partikulär XS

S gelöst (soluble) Biomasse ist partikuläres organisches Material X partikulär XB aktive Biomasse

S biologisch abbaubar (substrate) XB,H heterotrophe Biomasse SS leicht abbaubar XB,A autotrophe Biomasse XS langsam abbaubar XP Spezialfall: abgestorbene Biomasse

I biol. nicht abbaubar (inert)


Stoffe: N-Fraktionen

Totaler Kjeldahl NTKN

Ammonium SNH

organisch gebun-dener N

Aktive Biom.-N XNB

gelöster org. N

partikulärer org. N

S gelöst (soluble) N Stickstoffkomponenten X partikulär D biol. abbaubar (degradable)

NH NH4+ und NH3 I biol. nicht abbaubar (inert)

NO NO3- und NO2

-NB N in aktiver Biomasse

XNP N in abgestorbener Biomasse

abbaubarer N SND

inerter N SNI

abbaubarer N XND

inerter N XNI XNP

Nitrat und Nitrit N SNO


Weitere Stoffe

SO gelöster Sauerstoff = negativer CSB

SAlk Säurebindungsvermögen, Alkalinität


3 Abwasserreinigung



3.3 Prozesse


3.5 Nachklärung


Peter Krebs



Modellansatz ASM 1

Fokus auf •Biomassewachstum unterschieden nach - Biomassetypen: heterotroph, autotroph - Betriebsbedingungen: aerob, anoxisch •Sauerstoffzehrung •Abbau organischer Stoffe •Stickstoffentfernung

CSB-basierte Modellierung zur Bilanzierung

Matrixdarstellung der gekoppelten Differentialgleichungen erlaubt die Repräsentation von •Reaktionen •Stoffbilanzen


Reaktionen: Wachstum von Biomasse

Bedingungen für Biomassewachstum:

• ev. organische Stoffe

• Nährstoffe

• günstige Bedingungen: z.B. aerob, anoxisch, pH, Temperatur

Grundsätzliche Reaktion:

Org. Material + NH4+ + PO4 + H+ Biomasse

+ Elektronen-Akzeptor (O2, NO3-) + Nebenprodukte (CO2, H2O, N2)


Reaktionen: Biologische Konversion

Zusätzlich werden Wasserinhaltsstoffe umgesetzt

Organische Stoffe CO2 + Biomasse

NH4+ Nitrit Nitrat

NO3- N2

PO43- Poly-P (Bio-P)

Organische Stoffe Biogas (CH4 + CO2)

Wie erfolgt der Umsatz?

Verhältnis Edukt : Produkt Stöchiometrie

Umsatzgeschwindigkeit Kinetik


Reaktion dargestellt als chemische Gleichung

Bsp.: vereinfachtes* Modell für heterotrophes Wachstum

a C18H19O9N + b NH4+ + c O2 d C5H7NO2 + e CO2 + f H2O + g H+

Ausgleich führt zu

50 C18H19O9N + 37 NH4+ + 440 O2 87 C5H7NO2 + 465 CO2 + 226 H2O + 37 H+

Division durch 50, wenn die Gleichung auf das Substrat bezogen wird:

1 C18H19O9N + 0,74 NH4+ + 8,8 O2 1,74 C5H7NO2 + 9,3 CO2 + 4,52 H2O + 0,74 H+

a, b, c, …, bzw. a/a, b/a, c/a, …, sind stöchiometrische Koeffizienten

Für die chemische Gleichung gilt dabei die molare Betrachtung

* Vereinfachung: Ohne Berücksichtigung von P, …


Reaktion dargestellt als CSB-Erhaltung

Verfahrenstechnische Abbildung der Reaktion •Umrechnung auf CSB-Äquivalente •nur Stoffe, die CSB verursachen, werden berücksichtigt •H+, CO2 und H2O verursachen keinen CSB

Notation der für die CSB-Erhaltung maßgebenden Stoffe •leicht abbaubare org. Stoffe C18H19O9 SS

•Gelöster O2 (negativer CSB) O2 SO (bzw. –SO,CSB) •Heterotrophe Biomasse C5H7O2 XB,H

Heterotrophes Wachstum, bezogen auf XB,H , mit CSB-basierten stöchiometrischen Koeffizienten (≠ molare stöch. Koeff.) α SS + β SO,CSB 1 XB,H

α SS + (-β) SO 1 XB,H

CSB-Erhaltung bedeutet

Σ CSB (linke Seite) = Σ CSB (rechte Seite)

α + β = 1 oder α + β -1 = 0


Heterotrophes Wachstum: CSB-Erhaltung

Einführung des Ertragskoeffizienten (Yield)

Yield YH: wie viel heterotrophe Biomasse wird durch den Abbau von SSproduziert? (entspricht einem Wirkungsgrad der Stoffumwandlung)

SS YH⋅XB,H

Bezug auf das Produkt XB,H ergibt

einsetzen in α + β -1 = 0 ergibt

HBSH

XSY ,1

→

H

H

H

H

H

H

H

H

YY

YY

bzwY

YY

Y

−=

−−=β−

−=−=β

=−β+

11

111

011

.,


Chemische Gleichung zur Reaktionsbeschreibung 1 C18H19O9N + 0,74 NH4

+ + 8,8 O2 1,74 C5H7NO2 + 9,3 CO2 + 4,52 H2O + 0,74H+

BOH

HS

H

XSY

YS

Y→

−+

11

Kontrolle der CSB-Erhaltung der chemischen Gleichung

CSB „misst“ Elektronenübergänge

1 C18H19O9 entspricht 1⋅18⋅4 = 72 Elektronenübergängen, C im organischen Material ist bei der Oxidation 4-facher Elektronendonor

8,8 O2 entspricht 8,8⋅2⋅2 = 35,2 Elektronenübergängen, O ist 2-facher Elektronenakzeptor

1,74 C5H7O2 entspricht 1,74⋅5⋅4 = 34,8 Elektronenübergängen, C ist 4-facher Elektronendonor

Verfahrenstechnische Gleichung zur Beschreibung der CSB-Erhaltung

CSB-Erhaltung ist mit 72 + (-35,2) = 36,8 (SOLL 34,8) nahezu erfüllt!



Abschätzung des Yields aus der chemischen Gleichung 1 C18H19O9N + 0,74 NH4

+ + 8,8 O2 1,74 C5H7NO2 + 9,3 CO2 + 4,52 H2O + 0,74H+

oxidiertCSBgCSBBiomasseerproduziertg48,0

728,34

Elektronen4181Elektronen4574,1 −

==⋅⋅⋅⋅

=HY

In Henze et al. (2000) wird für YH ein Wert von 0,67 empfohlen. Obige chemische Gleichung ergibt also lediglich eine Näherung.

011

→+−

−− BOH

HS

H

XSY

YS

Y

Konsistente Darstellung gekoppelter verfahrenstechnischer Gleichungen:

Obiges, einfaches Modell für aerobes Wachstum heterotropher Biomasse

Vorzeichenkonvention: - für verbrauchte Komponenten

+ für produzierte Komponenten



Zusätzliche Reaktion: Zerfall heterotropher MO

Gleichzeitig zum Wachstum heterotropher Biomasse findet ein Biomassezerfall statt. Die vereinfachte Modellvorstellung beinhaltet:

•Zerfall von XB,H

•Produktion von Substrat SS

-XB + SS 0


Kopplung der Gleichungen

0

011

→−+

→+−

−−

BS

BOH

HS

H

XS

XSY

YSY

XB und SS kommen in beiden parallel ablaufenden Reaktionen vor:

•Heterotrophe Biomasse XB nimmt durch Wachstum zu und durch Zerfall ab

•Substrat SS wird durch Wachstum verbraucht und durch Zerfall produziert

Für die CSB-Bilanz heterotropher MO ergibt sich

Aerobes Wachstum heterotropher MO

Zerfall heterotropher MO

BHBHB XbX

dtdX

−μ=

Die resultierenden Konversionsraten sind eine Funktion der spezifischen Prozessraten μH und bH.

Je nach Größe von μH und bH nimmt die Biomasse mehr oder weniger schnell zu bzw. sogar ab.


Abbildung der Kinetik (Prozessgeschwindigkeit)

Die Reaktion

• ist eine Reaktion erster Ordnung bzgl. XB.

• Die Zerfallsrate bH ist eine Konstante

• Die Wachstumsrate μH = f(SS, SO) ist eine Funktion des Angebotes an Substrat und Sauerstoff

Verwendung der sog. Monod-Kinetik

Wachstum = maximale spez. Wachstumsrate (d-1)

C = Stoffkonzentration (g m-3)

Hemmung K = Halbsättigungskonstante (g m-3)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+μ=μ

CKC

ˆ

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+μ=μ

CKK

ˆ

μ̂

( ) BHHBHBHB XbXbX

dtdX

−μ=−μ=


Wachstumskinetik μH = f(SS)

Wachstum von heterotrophen MO als Funktion von SS

•kein Wachstum bei SS = 0 mg/l •maximales Wachstum bei hohen Substratkonzentrationen

Monod-Term als kontinuierliche „Switch-Funktion“

ateWachstumsrespezifischmaximaleˆ =μH

Hμ̂21

KS

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

+μ=μ ....ˆ

SS

SHH SK

S

KS = Halbsättigungs-konstante

Substratkonzentration so, dass

HH μ=μ ˆ21

( )( )3

1

mCODg20

d0,6ˆ−

−

=

=μ

S

H

K


Wachstumskinetik μH = f(SO), μA = f(SO)

Aerobes Wachstum von heterotrophen MO als Funktion von SO

Aμ̂

Aμ̂21

KO,A

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

+μ=μ ....ˆ

, OAO

OAA SK

S

Hμ̂

Hμ̂21

KO,H

Wachstum von Nitrifikanten braucht strikt aerobe Bedingungen

( )( )3

2,

1

mOg20,0

d0,6ˆ−

−

=

=μ

HO

H

K

( )( )3

2,

1

mOg40,0

d80,0ˆ−

−

=

=μ

AO

A

K

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

+μ=μ ....ˆ

, OHO

OHH SK

S


Hemmung (Inhibition) μH(anoxisch) = f(SO)

Bsp.: Hemmung von anoxischem Wachstum heterotropher MO durch Sauerstoff •kein Wachstum bei hohen Werten von SO

•maximales Wachstum nur möglich bei SO = 0 mg/l Hemm-Term als kontinuierliche „Switch-Funktion“

Hμ̂

Hμ̂21

KO,H

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

+μ=μ ....ˆ

,

,

OHO

HOHH SK

Kanoxisch( )

( )32,

1

mOg20,0

d0,6ˆ−

−

=

=μ

HO

H

K

Es werden also die selben Werte verwendet wie zur Beschreibung des aeroben Wachstums heterotropher MO


Umsetzung in der Matrixdarstellung

Stark vereinfachtes Beispiel:

•Wachstum heterotropher Biomasse

•Zerfall heterotropher Biomasse

•unter aeroben Bedingungen

•ohne Nitrifikation

Die Erhaltungsgleichungen werden formalisiert dargestellt

0 = -α SS - (-β) SO + XB,H

Vorzeichenkonvention: - für verbrauchte Komponenten

+ für produzierte Komponenten

In der Matrix werden nur die stöchiometrischen Koeffizienten in den Spalten der zugehörigen Komponenten dargestellt.


Matrixdarstellung der Prozesse

HY1

−H

H

YY−

−1

BSS

S XSK

S+

μ̂

BH Xb

∑∑ ρν==j

jijj

iji rr

Stöchiometrie Stöchiometrische Koeffizienten

νijWachstumsertrag (Yield) Y

Kinetik max. spezifische Wachstumsrate Halbsättigungskonstante KSSpezifische Zerfallsrate b

μ̂


Kontinuitäts-Check

Kontinuität

Die Summe der stöchiometrischen Koeffizienten muss für bilanzierbare Bezugsgrößen null ergeben!

Prozess 1 – Wachstum: ( ) 0111

1 =−⋅−

−−Y

YY

Prozess 2 – Zerfall: 011 =+−

Der Koeffizient zu SO wird mit (-1) multipliziert, da SO zwecks Bilanzierbarkeit als negativer COD abgebildet wird.


Stoffumwandlung

BHBSS

SX

b XbXSK

Srdt

dXB

−+

μ== ˆ

BHBSS

SS

S XbXSK

SY

rdt

dSS

++

μ−== ˆ1

BSS

SS

O XSK

SY

Yrdt

dSO +

μ−

−== ˆ1

Biomasse-produktion

Substrat-verbrauch

Sauerstoff-verbrauch

ri wird in Massenbilanz eingesetzt

VrCQCQdtdC

V iiinii +−= ,

Sto

ffb

ilan

z


Nachvollziehen eines Experimentes

Experiment von Ekama und Marais (1978)

CSTR mit belebtem Schlamm und aerob

Beschickung 12 h/d, von 2 Uhr bis 14 Uhr

Durchfluss 18 l/d

Reaktorvolumen 6,73 l

Prozesse CSB-Abbau und Nitrifikation

Biomassekonzentration 2,09 g CSB / l oder 1,375 g VSS / l

Schlammalter 2,5 d

Temperatur 20,4 °C

Zufluss CSB-Konz. 570 mg CSB / l

Zufluss TKN-Konz. 46,8 mg N / l

Messung: spezifischer Sauerstoffverbrauch in gO2/m-3d-1

entspricht OUR (Oxygen Uptake Rate)


Nachvollziehen eines Experimentes

aus Gujer und Henze (1991)


A Wachstum und Zerfall heterotropher Biomasse

Komponente iSO SS XH

Prozessrate ρj [M L-3 T-1]

Prozess j

Wachstum -0,5 -1,5 +1,0

Zerfall +1,0 -1,0

HOHO

O

SS

SH X

SKS

SKS

++μ

,ˆ

HH Xb

• Der Sauerstoffverbrauch wird überschätzt

• Da in Modell A im Zufluss der CSB fast ausschließlich durch SS abgebildet ist und Biomassezerfall nur SS produziert, ist die Atmung zu hoch



B Zusätzlich Hydrolyse

Komponente iSO SS XH XS

Prozessrate ρj

[M L-3 T-1]Prozess j

Wachstum -0,5 -1,5 +1,0

Zerfall -1,0 +1,0

Hydrolyse +1,0 -1,0

HOHO

O

SS

SH X

SKS

SKS

++μ

,ˆ

HH Xb

HHSX

HSH X

XXKXXk

+


Zufluss enthält hohen XS-Anteil

Zerfall produziert XS anstatt SS

Hydrolyse produziert SS aus XS

Gute Übereinstimmung des O2-Verbrauchs

Biomasse und Biomasse-Produktion aber deutlich zu gering (1,64 anstatt 2,09 g/l)


C Zerfall produziert auch inerte organische Partikel

Komponente iSO SS XH XS XI

Prozessrate ρj

[M L-3 T-1]Prozess j

Wachstum -0,5 -1,5 +1,0

Zerfall -1,0 +0,92 +0,08

Hydrolyse +1,0 -1,0

HOHO

O

SS

SH X

SKS

SKS

++μ

,ˆ

HH Xb

HHSX

HSH X

XXKXXk

+


Zufluss enthält XI

Zerfall produziert XS und XI

Biomasse stimmt

Gute Wiedergabe des Verlaufs des O2-Verbrauchs

Atmung insgesamt auf zu niedrigem Niveau


D Wachstum und Zerfall autotropher Biomasse

Komponente SO SS SNH SNO XH XS XI XA

Prozessrate ρj

[M L-3 T-1]Prozess

Heterotrophes Wachstum -0,5 -1,5 -0,08 +1,0

Zerfall heterotr. Biomasse -1,0 +0,92 +0,08

Hydrolyse von XS

+1,0 +0,08 -1,0

Autotrophes Wachstum -18,0 -4,25 +4,17 +1,0

Zerfall autotr. Biomasse +0,92 +0,08 -1,0

HNHHN

NH

OHO

O

SS

SH X

SKS

SKS

SKS

+++μ

,,ˆ

HH Xb

HHSX

HSH X

XXKXXk

+

ANHAN

NH

OAO

OA X

SKS

SKS

++μ

,,ˆ

AA Xb


Einführung von Wachstum und Zerfall autotropher Biomasse sowie der dazu nötigen Komponenten und Koeffizienten

Zusätzlicher O2-Verbrauch

Zufriedenstellende Wiedergabe von Atmung und Biomasse


1 SI Gelöste inerte organische Stoffe 2 SS Biologisch leicht abbaubare organische Stoffe 3 XI Partikuläre inerte organische Stoffe 4 XS Biologisch langsam abbaubare organische Stoffe 5 XB,H Aktive heterotrophe Biomasse 6 XB,A Aktive autotrophe Biomasse 7 XP Partikuläre inerte Produkte aus dem Zerfall von Biomasse

8 SO Sauerstoff (negativer CSB) 9 SNO Nitrat- und Nitrit-Stickstoff (NO3

- und NO2-)

10 SNH Ammonium- und Ammoniak-Stickstoff (NH4+ und NH3)

11 SND Gelöster biologisch abbaubarer organischer Stickstoff 12 XND Partikulärer biologisch abbaubarer organischer Stickstoff 13 SALK Alkalinität, molar

ASM1 in Gujer Matrix



Stöchiometrische Parameter YH heterotropher Yield YA autotropher YieldfP Biomassefraktion, die beim Zerfall inerte Partikel produziert iXB N/CSB in der Biomasse iXP N/CSB in Zerfallsprodukten der Biomasse



Kinetische Parameter max. spezifische Wachstumsrate heterotropher Biomasse

bH Zerfallsrate heterotropher Biomasse KS Halb-Sättigungskonstante (HSK) für heterotrophe Biomasse KO,H Sauerstoff-HSK für heterotrophe Biomasse KNO Nitrat-HSK für denitrifizierende heterotrophe Biomasse

max. spezifische Wachstumsrate autotropher Biomasse bA Zerfallsrate autotropher Biomasse

Hμ̂

Aμ̂

KO,A Sauerstoff-HSK für autotrophe Biomasse KNH Ammonium-HSK für autotrophe Biomasse ηg Korrekturfaktor für anoxisches Wachstum heterotropher BM ka Ammonifikations-Rate kh max. spezifische Hydrolyse-Rate KX HSK für Hydrolyse von langsam bioabbaubarem Substrat ηh Korrekturfaktor für anoxische Hydrolyse


Bsp. Massenbilanz gelöstes Substrat SS

HBNONO

NO

OHO

HOH

OHO

O

HB

SX

HB

S

hNONO

NO

OHO

HOg

OHO

O

SS

S

H

HS XSK

SSK

KSK

S

XXK

XX

kSK

SSK

KSK

SSK

SYdt

dS,

,

,

,

,

,

,

,

,

ˆ

⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎫

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

++η+

+++⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

++η+

++μ

−=

HBNONO

NO

OHO

HOH

OHO

O

HB

SX

HB

S

h

HBNONO

NO

OHO

HO

SS

Sg

H

H

HBOHO

O

SS

S

H

HSS

XSK

SSK

KSK

S

XXK

XX

k

XSK

SSK

KSK

SY

XSK

SSK

SYdt

dSrS

,,

,

,

,

,

,,

,

,,

ˆ

ˆ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

++η+

+++

+++η

μ−

++μ

−== Verbrauch von SS für aerobes Wachstum heterotropher Biomasse

Verbrauch von SS für anoxisches Wachstum heterotropher Biomasse

Produktion von SS durch Hydrolyse von langsam abbaubarem Substrat XS

Reaktion


3 Abwasserreinigung



3.3 Prozesse


3.5 Nachklärung


Peter Krebs



Fraktionierung und Kalibrierung

„Jedes Abwasser ist anders“

Abwasserfraktionierung bestimmen

Parameteridentifikation bzw. Kalibrierung ist nötig

Stöchiometrische und kinetische Parameter bestimmen oder kalibrieren, so dass sich Simulationsresultate an Messungen anpassen

Systematisches Vorgehen ist wichtig

Nur variable und sensitive Parameter verändern

Nicht mehrere Parameter gleichzeitig verändern

Werte absichern über Versuche, Bilanzen und Plausibilitätskontrollen


Fraktionierung

CSB

CSB p

artiku

lär

CSB g

elöst

CSB-Analytik

SI

SS

XB,H

XS

XI

Modellgrößen

Sonstige Messg.

O2

SK4,3

XB,A

XP

SO

SAlk

SNDXND

0,02 gN / gSI

0,01 gN / gSS

0,03 gN / gXS

0,08

6 gN

/ gX

B,H

0,03

gN

/ gX I

SNH

SNO

Org

. N

NH

4-N

NO

3-N

NO

3-N

TKN

N g

esam

t

Stickstoff-Analytik

mit redundanter Information ist eine Plausibilitätskontrolle möglich


Fraktionierung

Stoffgruppe Zulauf KA Ablauf VK Bemerkungen

SI 5% vom CSB 7% vom CSB Enthält ca. 2% Stickstoff (Norg)

SS 15% vom CSB 20% vom CSB Enthaltener Norg = SND

XI 15% vom CSB 10% vom CSB Enthält ca. 3% Stickstoff (Norg)

XS 45% vom CSB 48% vom CSB Enthaltener Norg = XND

XB,H 20% vom CSB 15% vom CSB Enthält 8,6% Stickstoff (Norg)

XB,A 0,02 mg/l 0,01 mg/l

XP 0,02 mg/l 0,01 mg/l

SO 0,1 mg/l 0,1 mg/l besser: Messwert

SNO Messwert Messwert

SNH Messwert Messwert

SND 1% von SS 1% von SS Bereich 0 – 2% von SS

XND 3% von XS 3% von XS Bereich 2 – 4% von XS

SAlk 8 mmol/l 8 mmol/l besser: Messwert


Einheit 20°C 10°C Literatur

Stöchiometrische Parameter aus Jeppsson (1996)YH heterotropher Yield g Biomasse-CSB (g oxidierter CSB)-1 0.67 0.67 0.38 – 0.75 YA autotropher Yield g Biomasse-CSB (g oxidierter N)-1 0.24 0.24 0.07 – 0.28 fP Biomassefraktion, die beim Zerfall inerte Partikel produziert (-) 0.08 0.08 iXB N/CSB in der Biomasse g N (g CSB)-1 in der Biomasse 0.086 0.086 iXP N/CSB in Zerfallsprodukten der Biomasse g N (g CSB)-1 0.06 0.06

Kinetische Parameter max. spezifische Wachstumsrate heterotropher Biomasse d-1 6.0 3.0 0.6 – 13.2

bH Zerfallsrate heterotropher Biomasse d-1 0.62 0.2 0.05 – 1.6 KS Halb-Sättigungskonstante (HSK) für heterotrophe Biomasse g CSB m-3 20 20 5 – 225 KO,H Sauerstoff-HSK für heterotrophe Biomasse g O2 m-3 0.2 0.2 0.01 – 0.2 KNO Nitrat-HSK für denitrifizierende heterotrophe Biomasse g NO3–N m-3 0.5 0.5 0.1 – 0.5

max. spezifische Wachstumsrate autotropher Biomasse d-1 0.8 0.3 0.2 – 1.0 bA Zerfallsrate autotropher Biomasse d-1 0.2 0.1 0.05 – 0.2 KO,A Sauerstoff-HSK für autotrophe Biomasse g O2 m-3 0.4 0.4 0.4 – 2.0 KNH Ammonium-HSK für autotrophe Biomasse g NH3–N m-3 1.0 1.0 ηg Korrekturfaktor für anoxisches Wachstum heterotropher BM (-) 0.8 0.8 0.6 – 1.0 ka Ammonifikations-Rate m-3 (g CSB d)-1 0.08 0.04 kh max. spezifische Hydrolyse-Rate g langsam abb. CSB (g BM-CSB d)-1 3.0 1.0 KX HSK für Hydrolyse von langsam bioabbaubarem Substrat g langsam abb. CSB (g BM-CSB)-1 0.03 0.01 ηh Korrekturfaktor für anoxische Hydrolyse (-) 0.4 0.4

Hμ̂

Aμ̂

Empfohlene Werte für stöchiometrische und kinetische Parameter (Henze et al., 2000)


3 Abwasserreinigung



3.3 Prozesse


3.5 Nachklärung


Peter Krebs



0 TSS-KonzentrationX (kg/m3)

Höhe über der Sohle

0

hS

Überstand

Schlammbett

XB

Annahme Konzentrationsprofil im Schlammbett

Konzeptuelles Modell


Schlammmasse BSNBNBS XhAM 5.0, =

Bodenkonzentration ( )[ ] 3/11000E

1/3h3ml/B t

DSVIX ⋅

=

Aufenthaltszeit Rr

NBSE XQ

Mt ,=

Rücklaufkonzentration BR XX 7.0=

RRXX BBR

+=

1

Konzeptuelles Modell

Gilt nur für Gleichgewichtszustand


Schlammbett

Belebungsbecken

( ) BRBBRBS

NB XQXQQtdXhdA 7.05.0 −+=

( ) BBRBRBB

BB XQQXQtd

XdV +−= 7.0

XBBQ (1+R)XBB = X0

XB

Q RXR

Q Q (1+R)Q

Belebungsbecken Nachklärbecken

(XE)

(QÜS)XR

Dynamische Beschreibung


0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

-6 0 6 12 18 24 30

Zeit t (h)

Schl

amm

asse

MS

(kg)

- zum Zeitpunkt t = 0 wird Q für 24 Stunden verdoppelt

- der Rücklaufvolumenstrom bleibt konstant

im Belebungsbecken

im Nachklärbecken

400

500

600

700

800

900

-6 0 6 12 18 24 30

Zeit t (h)Fe

stst

offfl

uss

Q· X

(kg/

h)

BB → NKB

NKB → BB

Schlammverlagerung


00.20.40.60.8

11.21.4

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4Zeit t (d)

C02

(gO

/m3 )

Schlammbett flexibel

Schlammbett konstant

O2-Konzentration im Schlammbett

-100200300400500600700800900

1'000

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

MS,

NB

(kg

CSB

)

Schlammbett flexibel

Schlammbett konstant

Schlammasse im Schlammbett

Dynamische Simulation


Q0 X0 = Q XE + QR XR

Abwärts-strömung

Aufwärts-strömung

Vo

Vu

XinQ0

X0

Q

QR

XE

XR

y

yin

Q0 = Q + QR

Bilanzen im Gleichgewichtszustand

Wasser

Partikelflux

Schichtenmodell


Schicht i

Vo Xi

Vo Xi+1 VS,i Xi

VS,i-1 Xi-1

hi

Schicht j

Vu Xj-1

Vu XjVS,j Xj

hj

VS,j-1 Xj-1

iiSiiSiioi

i XVXVXXVtdXdh ,11,1 )( −+−= −−+

jjSjjSjjuj

j XVXVXXVtdXd

h ,11,1 )( −+−= −−−

Schichtenmodell


Vo Xin

Zuflussschicht in

Vu Xin VS,in Xin

VS,in-1 Xin-1

(Vo+Vu) X0 ( ) inuinouoin

in XVXVXVVdt

dXh −−+= 0

11,, −−+− ininSininS XVXV

Bodenschicht bot

Vu Xbot-1

VR XR

VS,bot-1 Xbot-1

11,1 )( −−− +−= botbotSbotbotubot

bot XVXXVtd

Xdh

Oberflächenschicht top

VE XE

Vo Xtop+1 VS,top Xtop

toptopStoptopotop

top XVXXVtd

Xdh ,1 )( −−= +

Randbedingungen des Schichtenmodells

= Vo Xtop

= Vu Xbot


X0 X0

>X0

05

101520253035404550556065707580859095

100105

ΔhS

Δt

hS

hS

)( 0Xft

hV SS =

ΔΔ

=

Absetzversuch


XnS eVV ⋅−⋅= 0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 2 4 6 8X (g/l)

VS

(m/h

)

Einzelne Messung

Vesilind (1968)

Kalibrierung der Absetzfunktion


Vesilind (1968)

XnS eVV ⋅−⋅= 0

Wahlberg und Keinath (1988)

SSVIV ⋅−= 061503150 ,,2000054300038404260 SSVISSVIn ⋅+⋅−= ,,,

Härtel und Pöpel (1992)

9313417 011300 ,, , +⋅= ⋅− SVIeV

043198340 005810 ,, , +⋅−= ⋅− SVIen

Absetzfunktion ohne Kalibrierung (?)

(m/h)

(m/h)

(m/h)


)(0

)(0

24 BBnsBBns XfXnXfXnS eVeVV −−−− ⋅−⋅=

0

1

2

3

4

5

0 1 2 3 4 5 6

Konzentration X (g/l)

Abs

etzg

esch

win

digk

eit

(mm

/s)

unbehinderte, flockende Sedimentation

maximale Absetzgeschwindigkeit

behindertes Absetzen (Flux Theorie)

nicht absetzbare Partikel

Absetzfunktion nach Takács et al. (1991)


0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

21.01.01 25.01.01 29.01.01 02.02.01 06.02.01Datum

Schl

amm

spie

gel [

m]

Schlammspiegel modelliert mit NK-KSchlammspiegel modelliert mit NK-OFSchlammspiegel modelliert mit NK-TSchlammspiegel gemessen mit "SONATAX"Schlammspiegel gemessen mit "STAMOMAT 7200 MTS"

Ausfall der Schlamm-spiegelhöhenmes-sung "SONATAX"

aus Hupfer (2001)

Vergleich einfacher Modelle


Impuls

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

ν∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

ν∂∂

+∂∂

ρ−=

∂∂

+∂∂

+∂∂

yU

yxU

xxP

yUV

xU

tU

effeff12

Weffeff g

yV

yxV

xyP

yV

xUV

tV

ρρΔ

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

ν∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

ν∂∂

+∂∂

ρ−=

∂∂

+∂∂

+∂∂ 12

teff ν+ν=νε

=ν μ

2kct

Kontinuität

0=∂∂

+∂∂

yV

xU

2D Strömungsmodellierung


Turbulenz

ε−++⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛∂∂

σν

∂∂

+⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛∂∂

σν

∂∂

=∂∂

+∂∂

+∂∂

grk

eff

k

eff PPyk

yxk

xyVk

xUk

tk

kcP

kc

yyxxyV

xU

t reffeff

2

21ε

−ε

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂ε

σν

∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂ε

σν

∂∂

=∂ε∂

+∂ε∂

+∂ε∂

εε

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

+∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

ν=222

22xV

yU

yV

xUP effr

( )y

gP W

c

eff

Wg ∂

ρ−ρ∂⋅

σν⋅

ρ=

Partikelkonzentration ( )

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

σν

∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

σν

∂∂

=∂−∂

+∂

∂+

∂∂

yX

yxX

xyXVV

xUX

tX i

c

effi

c

effsii


Zufluss U0 X0

Freie Oberfläche

U X

Randbedingungen


Wand

U X

Schlamm-rücklauf

Randbedingungen


0

5

10

15

20

25

30

(cm)

(cm

)

10 40 80 1801300

10 20 (cm/s)

200

0

0

5

10

15

20

25

30

(cm)

(cm

)

10 40 80 1801300

10 20 (g/l)

200

0

Verifikation der Simulation


30

28

26

24

22

20

18

16

14

13

10

8

6

4

2

0

x

x

x

xx

x

xx

x

xx

xxxxx

x

xx

xx

xxxx

xxx

xx x

xx

xx

xxx

x

xxx

x

xx

xxx

x

xx x

x

xx

xx

xxx

xxxx

xx

x

x

xx

xxxx

x xxxxx

-0,1

-0,4

-0,7

-1,0

-1,3

-1,6

-1,9

-2,2

-2,5

-2,8

-3,1

-3,4

-3,7

-4,0

Klarwasserabzugsrohre

0-2

6-8

12-1

418

-20

0-2

6-8

12-1

418

-20

0-2

6-8

12-1

418

-20

0-2

6-8

12-1

418

-20

0-2

6-8

12-1

418

-20

0-2

6-8

12-1

418

-20

0-2

6-8

12-1

418

-20

abfil

trie

rbar

e St

offe

[mg/

l]

Schl

amm

spie

gel

abf. Stoffe [mg/l]

Schlammspiegelx

28.2.96 - 5.3.96

Flockenfilter Ablaufkonzentration

Hoher Schlammspiegel wirkt als Flockenfilter

© Holthausen


Dynamische Belastung (Armbruster et al., 2000)


Acoustic Doppler Velocimeter

receiverultrasonic transmitter

fixed distance to measured volume


Acoustic Doppler Current Profiler

probeultrasonic impulse (1200 kHz)

of 4 transmitter

reflection on particles

depth cell


Acoustic Doppler Current Profiler


Radial cross-section


Measuring positions

4.5m 6m 8m 12m 16m 20m

RAS

Effluent

Influent

4.5m 6m 8m 12m 16m 20m

RAS

Effluent

Influent

0°

180°270° 90°


Radial velocity component

positive vel.: outwards flow


Tangential velocity comp.

positive vel.: clockwise flow


Vertical velocity component

positive vel.: upwards flow


Origin of flow discontinuities

Secondary flow induced by elbow pipe

2 currents 90° against inflow pipe


Four-leaf clover flow

Source: http://en.wikipedia.org


Literatur

Bornemann C., Londong J., Freund M., Nowak O., Otterpohl R. und Rolfs T. (1998). Hinweise zur dynamischen Simulation von Belebungsanlagen mit dem Belebtschlammmodell Nr. 1 der IAWQ. Korrespondenz Abwasser, 45 (3), 455-462.

Gujer W. und Henze M. (1991). Activated sludge modelling and simulation. Water Science and Technology, 23 (4-6), 1011-1023. Henze M., Gujer, W., Mino T. und van Loosdrecht M.C.M. (2000). Activated sludge models ASM1, ASM2, ASM2d and ASM3. IWA Publishing,

London, England, ISBM 1 900222 24 8. Jeppsson U. (1996). Modelling aspects of wastewater treatment processes. PhD Thesis, Lund University, Sweden. ISBN 91-88934-00-4van Loosdrecht M.C.M., Ekama G.A., Wentzel M.C., Brdjanivic D. und Hooijmans C.M. (2008). Modelling activated sludge processes. pp. 361-391. In:

Biological Wastewater Treatment – Principles, Modelling and Design, Ed. Henze M., van Loosdrecht M.C.M., Ekama G.A. and Brdjanivic D., IWA Publishing, London, UK. ISBN 9781843391883

Modellierung von Abwassersystemen - Technische ... · produziert? (entspricht einem Wirkungsgrad...

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