Abwasserforum Dynamische Simulation der Kläranlage des Chemieparks Schkopau - Gelsenwasser
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25.
Abwasserforum
Dynamische Simulation der Kläranlage
des Chemieparks Schkopau
© Gelsenwasser 2021
Dynamische Simulation
Inhalt
Dynamische Simulation
25. Abwasserforum des GELSENWASSER-Netzwerks
Grundlagen & Vorgehen
Kläranlage Schkopau
Ergebnisse aus der Simulation
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2
Dynamische Simulation
Hintergrund
Simulation Kläranlage
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▪ Betriebsdatenerfassung
Energieanalyse nach ▪ Modellabgleich
DWA-A 216 ▪ Simulation
Dynamische
▪ Dynamische Verbraucher
▪ Energiecheck Simulation
▪ IST-Zustand
▪ Idealwerte
▪ Einsparpotenziale
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▪ Ableitung von Maßnahmen
3
Dynamische Simulation
Anlagenmodell
Abbildung der Kläranlage inkl.:
▪ Unterschiedlicher Zuläufe
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▪ Vorklärung & Nachklärung
▪ Belebungsbecken
▪ Regelungen & Dosierungen
Modellabgleich durch:
▪ Kalibrierung der CSB-Zulauffraktionen
▪ Abgleich der Schlammbilanz
▪ Anpassung der Modellparameter
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(Wachstumsgeschwindigkeiten etc.)
4
Dynamische Simulation
Statisch VS. Dynamisch
STATISCHE BEMESSUNG VS. DYNAMISCHE SIMULATION
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Lastfall
Parameter Einheit 1 2 n
Qd m³/d 18.000 22.000 21.000
CCSB mg/ 650 480 520
…
Vorteile Simulation: Optimierungen:
▪ Betrachtung längerer Zeiträume ▪ Außerbetriebnahme Becken
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▪ Abgleich mit der Wirklichkeit ▪ Änderung der Belüftung
▪ Mitbetrachtung aller Regelungen ▪ Optimierung Rezirkulation
▪ Energie und Verfahrenstechnik in einem Modell ▪ Optimierung Fällmitteleinsatz
5
Dynamische Simulation
Energieanalyse
ENERGETISCHE IST-SITUATION Abbildung dynamischer Verbraucher
1,5
Leistung [kW]
1,0
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0,5
y = 0,0108x + 0,0301
0,0
0 50 100 150
Durchfluss [m³/h]
Energieverbrauch nach Optimierung spez. Gesamtstromverbrauch
100% 100%
Unterschreitungshäufigkeit
80%
50% 60% Belebung o. Faulung
Istwert
40%
[%]
S Maßnahmen
0% S+K Maßnahmen
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20%
Real Ideal Potenzial S+K+A Maßnahmen
0% Anlagenspez. Idealwert
Zulauf Mechanische Reinigung 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Biologie Hochwasserpumpwerk
eges [kWh/(E*a)]
6ZKA Schkopau
Übersicht
Zulaufdaten:
Zulauf KA
▪ Auslastung 96.250 EW
2 x Belebungsbecken
je 12.000 m³, ▪ Abwassermenge 22.000 m³/d
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1 BB in Betrieb
▪ CSB-Konzentration 525 mg/l
▪ BSB5-Konzentration 200 mg/l
2 x VKB, je 5.000
▪ AFS-Konzentration 575 mg/l
m³, 1 VKB in
Betrieb
▪ NH4-N Konzentration23 mg/l
2 x NKB, je 5.000 ▪ Nges-Konzentration 26 mg/l
m³, 1 NKB in
Betrieb ▪ Pges-Konzentration 19 mg/l
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7Dynamische Simulation
Vorarbeiten
Industrie
Simulation von Industriekläranlagen deutlich schwieriger und komplexer
Säurekapazitätsversuche Abbauversuche Fraktionierung
Kommunal
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pH-Wert - PO4-P BSBhom - Verlauf 0,5
120,00 200,0
0,4
BSBhom [mg/l]
Phosphat [mgl]
0,083
▪ Betriebsdaten
PO4-P-Restkonzentration [%]
100,00
150,0 0,039
80,00
0,3
60,00 100,0
0,2
40,00
50,0
Industrie 20,00
0,00
7,00 7,50 8,00 8,50 9,00 9,50 10,00
0,0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
0,1
0
pH-Wert [-]
NTU: 3,38 NTU: 1,87
PO4-P Hoch PO4-P niedrig BSB_Steink BSB_MW fälbar (PO4-P) n. fällbar part.
▪ Betriebsdaten Phosphat-Fällversuche Schwermetall-Fällversuche
▪ Messkampagnen Reduktion durch pH-Wert Anhebung
Anteile Phosphat-Eliminierung (FeCl3)
▪ Laborversuche 2,5 100
Prozentualler Anteil [%]
100 100 100 100 100 100
2 80
1,5
P [mgl]
60
71
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1
55
0,5 40
37
0 20 27
Blind 2 3,5 6
17
ß-Wert 0
7,26 8,9 9,2 7,26 8,9 9,2 7,26 8,9 9,2 7,26 8,9 9,2
fällbar (PO4-P) n. fällbar part. Nickel Zinn Zink Quecksilber
8Dynamische Simulation
Bereits die detaillierte Datenaufbereitung und
Betriebsdatenauswertung Analyse zur Vorbereitung der Simulation führt zu
einem hohen Erkenntnisgewinn
Beobachtungen Fragestellung für die Simulation
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1 Relativ hohes CSB:N Verhältnis Was passiert wenn einzelne Betriebe nicht mehr
einleiten?
2 Stellenweise höhere Trübungswerte im Ablauf der NK Können diese gesenkt werden?
3 Pges Ablaufwerte werden eingehalten, jedoch hohe Variabilität Optimierungspotenziale?
4 Hohe Sauerstoffkonzentration im Belebungsbecken Reicht ein niedrigerer Sauerstoffwert aus?
5 Relativ hoher TS-Gehalt und niedrige Schlammbelastung Kann der TS-Gehalt reduziert werden?
6 Flockenzerfall sobald niedrigere Säurekapazitätswerte im Ablauf vorliegen Was sind die Hintergründe?
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n Etc.
9ZKA Schkopau
1. Änderung Einleiter
Was passiert wenn einzelne Betriebe nicht mehr einleiten?
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CSB-Fracht Pges -Fracht TNb -Fracht
163 kg/d DOW Rest
1.281 kg/d Einleiter A 5.740 kg/d AZV 67 kg/d AZV
604 kg/d AZV
101 kg/d Einleiter A
3.317 kg/d DOW Rest
245 kg/d DOW Rest
Gesamt = 10.343 kg/d Gesamt = 413 kg/d Gesamt = 767 kg/d
AZV DOW rest Einleiter A AZV DOW rest Einleiter A AZV DOW rest Einleiter A
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CSB-Fracht Reduktion Pges-Fracht Reduktion TNb Fracht Reduktion
12 % 59 % 0%
10ZKA Schkopau
Durch die Simulation können
1. Änderung Einleiter zukünftige Entwicklungen
detailliert betrachtet werden.
Simulation:
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▪ Starker Rückgang der Pges-Fracht führt zu
deutlichen Einsparungen im Fällmittelverbrauch
und in der Schlammentsorgung
▪ Zeitweise keine ausreichende CSB Konzentration
zum vollständigen Stickstoffabbau vorhanden
Nötige Essigsäurefracht
1.400
Empfehlung & Ziel:
1.200
BdCSB [kg/d]
1.000
800 ▪ Instandsetzung der vorhanden
600
Kohlenstoffdosierung
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400
200 ▪ Erhöhung der Betriebssicherheit
0
180 230 280 330 380 430 480 530 580
CSB-Fracht Essigsäure CSB-Fracht Trinseo
11ZKA Schkopau
2. Reduzierung Trübung: Optimierung Nachklärbecken & Eindickung
Ein höhere Eindickung des Rücklaufschlammes führt bereits zu hohen Einsparungen
Simulation:
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Vorher Nachher
(ungeregelt) (geregelt)
RV [-] 1,33 0,75
TS RLS [g/l] 8,89 12,82
▪ Durch konstante Rücklaufschlammmenge lediglich moderate Eindickung
Trübung [NTU] 8,1 5,7 ▪ Variables Rücklaufverhältnis führt zu deutlich höherer Eindickung
▪ Reduzierung des TS-Gehaltes zur Entlastung der Nachklärung
Anteilige Entsorungskosten
900.000
Empfehlung & Ziel:
Entsorgungskosten [€/a]
800.000
700.000
600.000
500.000
400.000
▪ Programmierung variabler Rücklaufschlammmenge
300.000 ▪ Einbau Schlammspiegelmessung
200.000
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100.000
0
vor Optmierung nach Optimierung ▪ Deutliche Einsparung in der Schlammentsorgung
▪ Optimierung der Feststoff- und Pges-Konzentration im Ablauf
12Ergebnisse
3. Optimierung Phosphatfällung Durch die Simulation konnten die Einsparpotenziale einer
optimierten Fällmitteldosierung genau ermittelt werden,
die Maßnahme wurde anschließend umgesetzt.
Phosphat- Konzentrationen Simulation:
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2,5
2,0
▪ Deutliche Einsparungen durch geregelte
CPO4-P,AB [mg/l]
1,5
Dosierung und eine Optimierung der Dosierstelle
1,0
(verbesserten Wirkungsgrad)
0,5
0,0
01.01.18 11.04.18 20.07.18 28.10.18 05.02.19 16.05.19 24.08.19
Empfehlung & Ziel:
Pges Ablauf NK Überwachungswert
alte Dosierstelle neue Dosierstelle ▪ Integrierung FM-Regelung
▪ Umbau der Dosierstelle
▪ Kosteneinsparung durch reduzierte
Fällmittelmenge
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▪ Reduzierung Säurekapazitätsverbrauch
13Ergebnisse
4. Belüftung: Reicht ein niedrigerer Sauerstoffwert aus?
Eine geeignetere Belüftungsstrategie kann zu hohen Energieeinsparungen führen
Simulation:
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Verlauf der Sauersotffkonzentration Im BB
3,5
3,0
▪ Hoher Sauerstoffgradient entlang des Beckens
O2-Gehalt [mg/l]
2,5
2,0
1,5
▪ Deutlich überdimensionierte Verdichter
1,0
0,5
0,0
Denitrifikation Wechselzone Anfang Nitri Mitte Nitri Ablauf BB
Empfehlung & Ziel:
Ort [-]
Kennlinie Verdichter Kennlinie Verdichter
▪ Auslegung der Verdichter anhand der Simulation
▪ Prüfung der Verteilung der Belüfterelementen
12.000 350
10.000 300
Leistung [kW]
Qh [m³/h]
250
▪ Optimierung der Luftmengenverteilung
8.000
200
6.000
150
4.000
100
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2.000 50
0 0
▪ Energie- und Kosteneinsparung
50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000
Sollwertvorgabe [%] Volumenstrom [m³/h]
▪ Erhöhung Betriebsstabilität
CT-301 CT-302 CT-303 CT-301 CT-302 CT-303
14ZKA Schkopau
Fazit
Empfehlungen aus der Simulation:
▪ Ertüchtigung der Essigsäure Dosierstation
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▪ Implementierung eines Reglers für die Rücklaufschlammpumpen
▪ Installation einer Schlammspiegelmessung für die Nachklärung
▪ Reduzierung des TS-Gehaltes
▪ Erweiterung der FeCL3 Dosierstelle und Implementierung einer Regelung
▪ Installation weiterer Sauerstoffsonden
▪ Austausch der Verdichter
Mit Hilfe der Simulation kann das komplexe System Kläranlage ganzheitlich analysiert werden.
Die energetische oder verfahrenstechnischen Auswirkungen veränderter Gegebenheiten können über
längere Zeiträume beobachtet werden!
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Hierbei kann die Simulation für diverse Fragestellungen immer wieder als Werkzeug herangezogen werden.
15VIELEN DANK © Gelsenwasser 2021
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