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Neuer Modellansatz zur Beschreibung der biologischen Phosphorelimination in Kläranlagen (Emder Modell)

Nach dem Prinzip des neuen Modellansatzes FUKA (= Fundamentaler Kinetischer Ansatz) wurde ein neuer Kinetischer
Modellansatz für die Prozesse der biologischen Phosphorelimination (Emder Modell) formuliert. Dieser beschreibt die biologischen Abbauvorgänge mit einem Satz fundamentaler, kinetischer Gleichungen und weist dadurch gegenüber der Monod-Kinetik einige bedeutende Vorteile auf. Nachfolgend wird das neue Emder Modell für die biologische Phosphorelimination vorgestellt und mit den auf der Monod-Kinetik basierenden Modellansätzen ASM 2 und ASM 2d der IWA, dem Bio-P-Modell der TU Delft sowie dem Bio-P-Modul der EAWAG verglichen.

In der kommunalen Klärtechnik werden heute vielfach anspruchsvolle biotechnologische Verfahren eingesetzt. Damit diese auch unter schwierigsten Randbedingungen optimal betrieben werden können, ist ein möglichst umfassendes Verständnis der dabei ablaufenden biologischen Vorgänge notwendig. Die dynamische Simulation kritischer Prozesszustände beschreibt diese Vorgänge und ist somit ein wichtiges Werkzeug zur Optimierung der Kläranlagenfahrweise, der Verhinderung von Betriebsstörungen, der Ermittlung von Belastungsgrenzen und der Bestimmung von Kapazitätsreserven. Die Dimensionierung von biologischen Abwasserreinigungssystemen basiert auch heute noch meistens auf statischen Modellen und Berechnungen, die keine Zeitabhängigkeit erfassen. Mit Hilfe von Erfahrungswerten und Berechnungen werden Zustände dargestellt, die vergleichbare Situationen beschreiben. Die Auswirkungen von zeitabhängigen Phänomenen werden durch dynamische Simulationen beschrieben.
Für die Beschreibung der biologischen Abbauvorgänge in Kläranlagen werden in den aktuell auf dem Markt verfügbaren Simulationsprogrammen überwiegend die Modellansätze ASM 1, ASM 3 und ASM 2/2d (Activated Sludge Model No. 1/No. 2/No. 3, IWA-Modell No. 1/No. 2/No. 3) der „International Water Association“ (IWA; früher: IAWQ) verwendet [1–4]. ASM 1 und ASM 3 beschreiben die Vorgänge der CSBElimination sowie der Stickstoffelimination (Nitrifikation und Denitrifikation) in Belebtschlammsystemen. Das ASM 2/2d enthält zusätzlich die Prozesse der biologischen Phosphorelimination. Die ASM-Modellansätze beruhen auf dem von J. Monod 1949 veröffentlichten Ansatz zur Charakterisierung des Wachstums von Mikroorganismen [5]. Der Ansatz von Monod ist in Analogie zu der enzymkinetischen Reaktionskinetik von Michaelis-Menten [6] aufgestellt worden. Die hierin getroffenen Annahmen (z. B. Quasistationarität der Zwischenprodukte) führen zu Einschränkungen der auf diesen Ansätzen basierenden Modelle. Die am Institut für Umwelttechnik EUTEC entwickelten Modelle benutzen die Monod-Näherung nicht mehr, sondern lösen das System voneinander abhängiger Differentialgleichungen numerisch (z. B. mit MATLAB). Dadurch ergeben sich auch für Zwischenprodukte zeitabhängige Konzentrationen. Für die Beschreibung der biologischen Phosphorelimination wird ein Modell vorgeschlagen, das die wichtigsten, mitdem Phosphor verknüpften Zellvorgänge zeitlich zusammenfasst, d. h. nicht mehr zeitlich trennt. Diese Näherung ist dann realistisch, wenn die Vorgänge in der Zelle schneller ablaufen als die zum Gesamtprozess beitragenden extrazellulären Schritte (z. B. Diffusionsschritte).

Copyright:	© DIV Deutscher Industrieverlag GmbH
Quelle:	GWF 02/2008 (Februar 2008)
Seiten:	11
Preis:	€ 11,00
Autor:	Dr. Frank Uhlenhut Prof. Dr. Axel Borchert Prof. Dr. Michael Schlaak Prof. Dr. Elke Siefert
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