Zeitschrift Heft 03/08

Fuzzy-Logic-basierte Reglersysteme für Kläranlagen –
ein fi nanzieller Lichtblick für den öffentlichen Haushalt
von Dr. Malte Jordy, Königswinter und Oliver Keuer, Wesseling
1. Einleitung
Kommunale und städtische Kläranlagen sind in vielerlei Hinsicht
bedeutende Bauwerke. Neben ihrer wichtigen ökologischen
Funktion zur Entlastung der Fließgewässer sind Kläranlagen
auch erhebliche Kostenfaktoren für den öffentlichen
Haushalt. Dies gilt sowohl für bauliche Leistungen als auch
für die dauerhaft anfallenden Betriebskosten der Anlagen.
Die Entsorgungsbetriebe Stadt Wesseling hatten sich in Bezug
auf die Ertüchtigung ihrer Kläranlage über effizienzsteigernde
Maßnahmen informiert und sich letztendlich für die
Installation des wissensbasierten Reglersystems AQUALO-
GIC® der Passavant-Intech GmbH für die Kläranlage Rodderweg
entschieden.
Nachfolgend werden die mit der Installation von AQUALO-
GIC® erzielten Energie- und Kosteneinsparungen von jährlich
ca. 80.000 Euro sowie die zusätzlich erreichten Umweltentlastungen
dargestellt und diskutiert.
2 Ausgangssituation
Die Kläranlage Rodderweg der Entsorgungsbetriebe Stadt
Wesseling ist eine seit ihrem Bau Anfang der 60er Jahre permanent
wachsende und an die über die Jahre verschärften
Einleiterbedingungen angepasste mechanisch-biologisch
arbeitende Abwasserreinigungsanlage. Das anaerob stabilisierende
Klärwerk hat eine Bemessungsgröße von 40.000
Einwohnerwerten. Das Betriebsgelände der Kläranlage ist
mittlerweile nahezu vollständig bebaut und bietet somit keine
weiteren räumlichen Ausbaumöglichkeiten mehr. Die nachfolgende
Luftbildaufnahme bietet einen Überblick über die
Gesamtanlage.
Die Betriebsleitung der Kläranlage Rodderweg hatte sich im
Rahmen verschiedenster Sanierungsarbeiten auch verstärkt
mit den Möglichkeiten einer Effizienzsteigerung der Reinigungsleistung
und der Senkung des Energieverbrauchs
der Anlage auseinandergesetzt. Gründe hierfür waren zum
einen die relativ hohe Auslastung der Anlage und der damit
verbundene Wunsch nach weiteren Reserven für zukünftige
Betriebsjahre und zum anderen die deutlich gestiegenen Energiekosten
und den damit verbundenen erhöhten Betriebskosten.
Nach einer detaillierten Marktanalyse hat man sich
für die mit dem Bayerischen Umweltpreis prämierte Reglersystemserie
AQUALOGIC® der Passavant-Intech GmbH aus
Rimpar entschieden.
Das Fuzzy-Logic-basierte Reglersystem erzielt über eine bedarfsgerechte
Ansteuerung der Belüftungsaggregate einen
hocheffizienten Sauerstoffeintrag in die Belebungsbecken
von Kläranlagen, was eine Verringerung der ablaufenden
Schmutzfrachten zur Folge hat. Weiterhin werden durch die
gezielte Belüftung Energieeinsparungen und somit Betriebskostenreduktionen
erreicht.
3 Maßnahmen und Ergebnisse
Möchte man die Effizienz einer Kläranlage steigern, gilt es,
im Vorfeld einen genauen Überblick über den aktuellen Stand
der Anlage zu gewinnen. Beckengeometrien, Sauerstoffeintragsysteme,
Verfahrensführung, aktuelle Betriebsdaten und
nicht zuletzt die vorhandene Sensorik müssen aufgenommen
und bewertet werden.
Nach der Bestandsaufnahme durch die Passavant-Intech
GmbH wurde in enger Absprache mit dem Betriebspersonal
der Kläranlage Rodderweg befunden, dass die beiden in
Reihe geschalteten Belebungsbecken der Kläranlage sowohl
von Seiten der Belüftungsauslegung (Belebung 1 mit Druckbelüftung,
Belebung 2 mit Oberflächenrotoren) als auch von
Seiten der Sensorikausstattung (je Belebung drei Sauerstoffsonden
mit Temperaturmessung und Ammonium- und Nitratanalysatoren)
für einen über AQUALOGIC® geregelten intermittierenden
Betrieb ausreichend waren.
Zur regelungstechnischen Überwachung wurde ein Personal
Computer (PC) und eine mit dem PC kommunizierende speicherprogrammierbare
Steuerung (SPS) installiert. Eingehende
Sensoriksignale werden dem PC über die SPS zugeleitet und
dort über die patentierte Fuzzy-Logic-Regelung sekündlich
miteinander verrechnet. Je nach Belastungszustand im Belebungsbecken
werden im PC berechnete Stellsignale über
die SPS an die Belüftungsaggregate zur Änderung der Sauerstoffzufuhrleistung
weitergegeben. Das letztendliche Resultat
sind bedarfsabhängige und somit unterschiedlich lang belüftete
Phasen im Wechsel mit bedarfsabhängigen unbelüfteten
Phasen. Während dieser jeweiligen Zustände werden unterschiedliche
Abbauprozesse durch unterschiedliche Mikroorganismengruppen
erreicht, was zu einem gezielten Abbau
der schädlichen Abwasserinhaltsstoffe führt.
3.1 Entwicklung der Ablaufkonzentrationen
Aus Tabelle 1 können die gemittelten Ablaufkonzentrationen
der unterschiedlichen Abwasserinhaltsstoffe im Auslauf der
Kläranlage entnommen werden. Die Ablaufwerte der Vergleichsmonate
Februar bis Dezember 2006 wurden ohne, die
der Vergleichsmonate Februar bis Dezember 2007 mit der
Fuzzy-Logic-Regelung erreicht.
Tab. 1: Gemittelte Ablaufkonzentrationen der verschiedenen
ablaufrelevanten Parameter sowie deren relative Änderungen
für die Untersuchungszeiträume Februar bis Dezember 2006
und 2007
CSB NH 4 -N NO 3 -N Nanorg P ges
(mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l)
Ablaufkonzentration
Feb. – Dez. 2006
(ohne AQUALOGIC ® ) 19,74 0,15 6,80 6,99 0,97
Ablaufkonzentration
Feb. – Dez. 2007
(mit AQUALOGIC ® ) 20,04 0,18 5,13 5,46 0,88
Änderung (%) 1,5 20 -24,6 -21,9 -9,2
Tabelle 1 zeigt, dass die organische Restbelastung (CSB)
des ablaufenden Abwassers während der beiden Vergleichs-
226 Kommunalwirtschaft 03/2008