Das Projekt hat sich intensiv mit den Prozessen der Schlammbehandlung sowie dem Energieverbrauch einzelner Anlagenteile beschäftigt. Die Arbeit hat zu den folgenden Zwischenschritten und Ergebnissen geführt.
Begonnen hat die Arbeit mit der Recherche geeigneter Modellgrundlagen für die Prozessschritte Eindickung, Schlammfaulung und Entwässerung. Es hat sich herausgestellt, dass für jeden Prozessschritt eine Vielzahl von Modellgrundlagen zur Verfügung stehen, was insbesondere für die Schlammfaulung gilt. Im Gegensatz zu den vordergründig vielfältigen Möglichkeiten ergaben nähere Betrachtungen ein differenzierteres Bild, was zwei Gründe hat. Der erste Grund lässt sich gut am Beispiel der Schlammfaulung darstellen. Modelle werden für ein bestimmtes System bzw. biologisches Milieu entwickelt und sind auch nur dort gültig. Ein Modell, das z.B. für die anaerobe Behandlung Dung oder Gülle entwickelt wurde, lässt sich nicht für die Modellierung der kommunalen Klärschlammfaulung verwenden. Die Fraktionen, Prozesse sowie die Parameter eines Modells sind in der Regel auf ein bestimmtes Material/Substrat (z.B. Dung/Glukose) ausgelegt. Das heißt, für die kommunale Schlammfaulung sind nur die Modelle anwendbar, die auch explizit dafür entwickelt wurden. Eine Sonderstellung nimmt das ADM1 der IWA ein. Diese Modellgrundlage soll weitergehenden Modellentwicklungen dienen. Die kommunale Schlammfaulung hat hier eine Rolle gespielt. Aber für die Anwendung des Modells gibt es bisher nur wenige Erfahrungsberichte und Versuche zeigen, dass ein spezieller Parametersatz notwendig ist. Ein zweiter Grund ist liegt in speziellen Voraussetzungen, die einige Modell erfordern. Gerade bei Modellen der Eindickung und Entwässerung sind Parameter erforderlich, die sich nur mit zusätzlichem Mess- und Analyseaufwand ermitteln lassen. Zwar wird hier versucht den rheologischen Eigenschaften von Schlämmen Rechung zu tragen, doch erscheint der dafür zu erbringende Aufwand und der in einem Modell zu erzielende Nutzen ungerechtfertigt. Im Verlauf des Projekts hat sich gezeigt, dass sich auch mit sehr einfachen Ansätzen hinreichend genaue Ergebnisse erzielen lassen.
Bei der Wahl der Modellgrundlagen wurde auf einfache Parametrierbarkeit geachtet. Parameter sollen sich nicht aus einer wenig verbreiteten Analytik ergeben. Diese Forderung betraf Modelle, die mechanische Prozesse beschreiben. Bei der Modellgrundlage der Schlammfaulung war Bedingung, dass sie für die kommunale Schlammfaulung entwickelt wurden. Wie bei allen anderen biochemischen Modellgrundlagen erfordert die Anwendung von Faulungsmodellen ein grundlegendes Prozessverständnis. Eine einfache Modellstruktur war also nicht explizit bei der Wahl vorgegeben. Ein weiterer Punkt betraf die Implementierung in SIMBA. Basierend auf den Erfahrungen mit den Vorgängerversionen wird an speziellen Konzepten gearbeitet, die einen einfachen Umgang mit biochemischen Modellgrundlagen erlauben. Die gewählten Modellgrundlagen sollten sich in die bestehenden Konzepte einfügen lassen bzw. diese zu sinnvollen Erweiterungen führen. Im Wechselspiel zwischen Modellrecherche, Bewertung, Implementierung und Erprobung an einem realen Beispiel wurden vier Modelle der anaeroben Schlammfaulung ausgewählt und in SIMBA implementiert. Dabei handelt es sich um die drei Modell nach Siegrist (Siegrist et.al 1995, 2002), das ADM1 der IWA (2002) sowie eine vereinfachte Version des Siegristmodells von 1995 (Ogurek, 2000). Intensiv verwendet und erprobt wurde das Modell nach Siegrist aus dem Jahr 1995. Das Modell beschränkt sich auf die wesentlichen anaeroben Abbauschritte. Zudem wurden gute Erfahrungen bei der Konvertierung zwischen dem Belebtschlammmodell und dem Siegristmodell gemacht.
Für die maschinelle Schlammeindickung und -entwässerung wurde auf Modelle zurückgegriffen, die auf einer einfachen Massenbilanz basieren. Bei der Arbeit an dem Modell für die KA Wolfenbüttel erwiesen sich die Ergebnisse frühzeitig als hinreichend genau. Daraufhin wurde verzichtet, weitere, aus der Modellrecherche resultierende Modellansätze, zu berücksichtigen.
Eine ähnliche Vorgehensweise hat sich bei der Modellierung des statischen Eindickers für die Schlammbehandlung der KA Wolfenbüttel ergeben. Der seit der SIMBA-Version 4.0 erfolgreich eingesetzte 3-Schichten-Nachklärblock wurde für eine erste Version des Gesamtmodells für den statischen Primäreindicker verwendet. Später sollte er dann durch ein Modell aus der Modellrecherche ersetzt werden. Aufgrund der guten Simulationsergebnisse und einfachen Handhabbarkeit wurde auf die Implementierung anderer Modelle verzichtet.
Während der Arbeit mit dem Modell der KA Wolfenbüttel wurde die Notwendigkeit einer detaillierten Modellierung der Vorklärung deutlich. Der in SIMBA vorhandene Vorklärblock basiert auf einem einfachen empirischen Ansatz zur Vorhersage des Ablaufs. Das Absetz- sowie Speicherverhalten wird darin nicht berücksichtigt. Doch gerade diese beiden Aspekte entscheiden mit dem Primärschlammanfall über die Güte der Modellierung der Schlammbehandlung. Gute Ergebnisse wurden erst erzielt, als der Block umprogrammiert wurde. Der ursprünglich auf die mittlere Schicht beschränkte Zulauf wurde umgestaltet. Es besteht nunmehr die Möglichkeit, den Zulauf über einen Parameter auf die erste und zweite Schicht zu verteilen.
Die Ermöglichung der Analyse des Energieverbrauchs stellte einen weiteren Schwerpunkt des Projektes dar. Wie bei den Prozessmodellen waren die entscheidenden Forderungen ein einfacher Umgang mit entsprechenden Modellen sowie die Möglichkeit der einfachen Implementierung in SIMBA. Ein einfacher Umgang setzt einfache Modelle voraus. Ziel war es nicht Anlagenteile elektromechanisch zu modellieren. Dieser Ansatz wäre in Verbindung mit der bisherigen vereinfachten Modellierung der Verfahrensschritte in der Abwasserreinigung nicht sinnvoll. Es wurde darauf geachtet Ansätze, aus der statischen Bemessung zu verwenden bzw. als Alternative die Möglichkeit zu bieten, einfache Regressionen aus Messprogrammen zu verwenden. Bei der Frage der Implementierung in SIMBA wurden verschiedene Lösungsansätze angedacht und zum Teil auch begonnen, prototypisch umzusetzen.
Aus Aufwandsgründen oder wegen der für Nutzer zu erwartenden Komplexität wurden jedoch alle Lösungsansätze verworfen. Zu einem späteren Zeitpunkt der Projektbearbeitung wurde dann auf das Konzept der Konvertermodelle in SIMBA zurückgegriffen. Konvertermodelle sind einfache algebraische Modelle und ursprünglich dazu gedacht, eine einfache Möglichkeit zu bieten, Modelle für die Konvertierung zwischen den Vektoren verschiedener Modellgrundlagen einzuführen. Das Konzept der Konvertermodelle bot also schon die Grundlagen, um einfache Energiemodelle in SIMBA zu integrieren. In einem weiteren Schritt wurde das Konzept dahingehend erweitert, dass die Modelle nicht mehr direkt in einem Modell als Blöcke verwendet werden müssen. Es wurde ein Block entwickelt, der alle für die Berechung der Energieverbräuche relevanten Signale und Parameter im Hintergrund aufzeichnet. Der Nutzer muss nur den Aufzeichnungsblock in das gewünschte Modell kopieren. Die Konfiguration der Energieberechnung erfolgt automatisch, sprich, den einzelnen Verfahrensblöcken werden Energiemodelle zugeordnet. Vom Nutzer braucht nur noch die Parametrierung der Energieberechnung durchgeführt zu werden. Aus Sicht des Projektziels und selbstgewählter Randbedingungen (einfache Anwendung und Implementierung) kann das als maximal erreichbares Ergebnis gewertet werden.
In Begleitung der Entwicklungsarbeit wurden die Zwischenergebnisse immer wieder an einem realen Beispiel getestet. Als Kläranlage wurde die KA der Stadt Wolfenbüttel gewählt. Die Arbeit mit dem Modell erbrachte immer wieder Hinweise zur Handhabbarkeit implementierter Modelle als auch auf Fehler in der Implementierung. Als eine selbstgewählte Randbedingung wurde außer für die Energieanalyse der GKE Consult auf zusätzliche Messkampagnen verzichtet. Diese Selbstbeschränkung stellte zu Beginn ein großes Problem dar, da zum einen keiner der Beteiligten umfangreiche Erfahrungen in der Modellierung der Schlammfaulung hatte, sowie zum anderen nicht klar war, wie wichtig die Modellierung der Vorklärung als auch die der statischen Eindickung ist. Ohne die im Ergebnis dafür erarbeiteten Blöcke kam es zu einer Überinterpretation der Problemstellung und der Eindruck entstand, dass ohne zusätzliche Messungen für eine Verifikation keine befriedigenden Simulationsergebnisse zu erzielen wären. Im Nachhinein ist zu vermerken, dass auch mit zusätzlichen Messungen keine besseren Simulationsergebnisse möglich wären, da der für die Vorklärung verwendete Ansatz keine Besserung zugelassen hätte. Mit Abschluss der Arbeiten am Modell wurde auf Grundlage rein betrieblicher Messungen ein beachtliches Ergebnis hinsichtlich der Simulationsergebnisse erzielt. Wie auch schon bei der ausschließlichen Modellierung und Simulation der Belebung hängt die Güte der Simulationsergebnisse von der Zulaufbeschreibung ab. Alle in diesem Bericht präsentierten Simulationsergebnisse wurden ohne Kalibrierung erzielt. Für die Parameter zur Fraktionierung des Zulaufs als auch die Parameter für das Belebtschlammmodell (ASM1) und das Faulungsmodell (Siegrist, 1995) wurden Standardparameter verwendet. Außer für die Zulaufbeschreibung wurden nur Volumenströme als Simulationseingangsgrößen eingesetzt.
Das Modell der KA Wolfenbüttel wurde so aufgebaut, dass immer wieder vordefinierte Varianten durchgespielt werden konnten. Ein Beispiel befasste sich mit den Effekten, die durch eine Umfahrung der Vorklärung auftreten. Es konnte anhand der Simulationsergebnisse gezeigt werden, dass durch die Umfahrung Energiekosten gespart werden könnten. Laut dem Modell wären keine Verschlechterungen der Nitrat-Abläufe zu erwarten. Das Beispiel berücksichtigt nicht bauliche Eigenschaften der Anlage sowie die maschinentechnische Leistungsfähigkeit. Die Gültigkeit der Ergebnisse kann nicht verifiziert werden. Begleitende Untersuchungen mittels statischer Bemessungsansätze (Umfahrung eines Vorklärbeckens) bestätigen zumindest die Tendenz.