gwf Wasser/Abwasser Qualität auf den ersten Blick (Vorschau)

FACHBERICHTE Abwasserbehandlung
Mathematische Beschreibung
der Temperaturabhängigkeit
der Nitrifikation in der Simulation
Abwasserbehandlung, Belebungsverfahren, Nitrifikation, Temperaturabhängigkeit, Simulation,
Temperaturterme
Frank Uhlenhut
Die Abwassertemperatur hat eine entscheidende
Bedeutung für die biologischen Prozesse in einer
Kläranlage. Um die Prozesse der biologischen Abwasserreinigung
in den Programmen zur dynamischen
Simulation von Kläranlagen auch unter variablen
Temperaturbedingungen realistisch abbilden zu
können, werden geeignete mathematische Ausdrücke
für die Beschreibung der Temperaturabhängigkeit
benötigt. Dies ist insbesondere für die Nachbildung
von Abwasserreinigungsanlagen in anderen Klimazonen
von großer Bedeutung und somit auch eine
Voraussetzung für den Export dieser Technologie in
solche Gebiete.
Unter Verwendung eines neuen Temperaturterms
konnte die in einer kommunalen Kläranlage durch
eine langanhaltende Kälteperiode verursachte Problematik
mithilfe der Simulation erfolgreich nachgebildet
und erklärt werden.
Mathematical Description of Temperature
Dependency in Simulation
The temperature of wastewater has a crucial significance
for the biological processes in a wastewater
treatment plant. Therefore appropriate mathematical
terms for the description of the temperature dependency
are required to get a realistic modeling of the
biological processes of wastewater treatment in the
software programs for the dynamic simulation of
wastewater treatment plants even under variable
temperature conditions. This is in particular important
for the modeling of wastewater treatment plants
in different climate zones and therefore also an
essential condition for the export of wastewater technologies
in such areas.
Using a new mathematical term for temperature
dependency a problem that arose in a municipal
wastewater treatment plant caused by a longer cold
spell could be successfully simulated and interpreted.
1. Einleitung
Der optimale Temperaturbereich der im Belebungsverfahren
relevanten Organismen liegt zwischen 20 °C und
42 °C (mesophil). Bei der Elimination von Kohlenstoffverbindungen
in häuslichen Abwässern ist der Temperatureinfluss
relativ gering (es wird noch Abbau unter
einer Eisdecke beobachtet!) [1]. Bei der Elimination von
Stickstoffverbindungen wird eine signifikante Temperaturabhängigkeit
beobachtet und die Nitrifikation ist
bei niedrigen Temperaturen deutlich verlangsamt
(Gesetzgebung schreibt vollständige Nitrifikation nur
bei T > 12 °C vor).
Der Temperatureinfluss lässt sich prinzipiell auf zwei
Wegen im Modellansatz nachbilden. Eine Möglichkeit
besteht in der Variation der mathematischen Terme, mit
denen die Temperaturabhängigkeit in den entsprechenden
Modellen beschrieben wird. Es handelt sich in
der Regel um verschiedene Exponentialfunktionen, die
empirisch ermittelt wurden und ein bestimmtes Temperaturoptimum
(bzw. einen optimalen Bereich) für das
Wachstum und das Absterben der Mikroorganismen
vorgeben. Aus der Kombination dieser Funktionen
ergibt sich das temperaturabhängige Wachstumsverhalten
(Summe aus Wachstum und Absterben) der
betrachteten Biomassefraktionen. Die zweite Möglichkeit
besteht in einer Anpassung geeigneter Modellparameter
(z. B. F 2 = Koeffizient für die Bildung (Wachstum)
der autotrophen Biomasse durch die Nitratation; k N =
Reaktionsgeschwindigkeitskonstante für die Stickstoffbildung
(Denitrifikation)) bei unveränderten Temperaturtermen.
Diese Vorgehensweise wurde ebenfalls im
Rahmen des BMBF-Verbundprojektes „Exportorientierte
Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet Abwasser“
für den Modellansatz FUKA erprobt [2]. Dabei ergaben
sich Parameteränderungen, die sich leicht mit einem
Temperatureinfluss erklären lassen.
Januar 2013
102 gwf-Wasser Abwasser