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Originaltitel:
State Detection and Feedback Control of the Anaerobic Wastewater Treatment Using Fuzzy Logic 
Übersetzter Titel:
Zustandserkennung und Regelung der anaeroben Abwasserreinigung mittels Fuzzy-Logik 
Jahr:
2002 
Dokumenttyp:
Dissertation 
Institution:
Fakultät Wissenschaftszentrum Weihenstephan 
Betreuer:
Delgado, A. (Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil.) 
Gutachter:
Delgado, Antonio (Prof. Dr. habil.); Meyer-Pittroff, R. (Univ.-Prof. Dr.-Ing.); Wilderer, Peter A. (Prof. Dr. Dr. h.c.) 
Format:
Text 
Sprache:
en 
Fachgebiet:
UMW Umweltschutz und Gesundheitsingenieurwesen 
Stichworte:
Biogas; anaerobe Abwasserbehandlung; Wasserstoff; Überlastung; Fuzzy-Logik; Expertensystem; Regelung; Modellierung; Simualtion; Abwasser 
Übersetzte Stichworte:
biogas; anaerobic treatment; hydrogen; overload; fuzzy logic; expert system; control; modelling; simulation; wastewater 
TU-Systematik:
UMW 470d; UMW 540d 
Kurzfassung:
Anaerobic treatment of wastewater offers the advantage of the elimination of the main part of pollutants, which saves disposal charges. Compared to the aerobic technology, less sludge is formed, and energy is produced in the form of biogas. However, anaerobic treatment has also several drawbacks. These are the more difficult handling and the extreme long characteristical times, whereby particularly an overload can lead to a complete break-down of the plant. A restart takes weeks to months, which has restricted the user’s acceptance compared to conventional aerobic plants. But using intelligent control systems can circumvent this problem. Up to now comparatively few control engineering is applied in the wastewater treatment. The controlled variables are mostly regarded in isolation, e.g. temperature and pH are held constant and controlled by a local controller. Connecting the particular measurands and manipulated variables, one can essentially increase the efficiency of wastewater treatment systems as well as the stability. Even though such controllers would be possible by using classical control engineering, the effort would be considerable due to its high complexity. Therefore, Fuzzy logic (the classical Mamdani-type fuzzy rulebase) was chosen for state detection and control of the two-stage anaerobic wastewater treatment. A two-stage anaerobic wastewater treatment reactor system was modelled and controlled the way the biological state of the reactors could be predicted. Based upon this, proper control actions were enacted automatically. Even very strong fluctuations in the loading of both, concentration and volumetric flow rate, could thereby be handled successfully. Moreover, effluent concentrations could be kept relatively low without using TOC, COD or equivalent measurements. In concrete, the engineering should be developed and tested on a lab scale plant using wastewater from the potato processing industry. As no existing plant meeting the requirements was available, particularly in consideration of the automation, a new lab scale plant was developed and constructed. For further testing of the control system developed, a dynamic mathematical simulation model was used. For this, an existing model for an anaerobic digester was extended in order to be able to simulate the two-stage anaerobic wastewater treatment reactor system with biofilm. All the relevant measurands, like pH, hydrogen, methane, as well as the manipulated variables (flows, pH, temperature) of the controller are covered by the new simulation model. The model was validated with both sensitivity analysis and with experimental data. Sensitivity analysis points out the important parameters of the model. Connected with the fuzzy logic controller software, dynamic simulations were performed where the command variables were altered by the output of the fuzzy logic. Data from controlled and uncontrolled experiments could be reproduced satisfactorily by the use of the dynamic model. Moreover, effluent quality could be improved by changing several fuzzy sets. Simulating different overload scenarios, the control system was able to detect overloads and thus to execute proper control actions.

Abstract in Deutsch Die anaerobe Abwasserreinigung wird hauptsächlich eingesetzt, um den Hauptanteil der organischen Schmutzfracht aus Abwässern zu entfernen, wobei die Einleitergebühren gesenkt werden können. Im Vergleich mit der aeroben Abwasserbehandlung fällt weniger Überschuss-Schlamm an und zudem wird Energie, in der Form von Biogas, gewonnen. Jedoch weist die anaerobe Behandlung auch Nachteile auf, wie die schwierigere Handhabung und die sehr langen charakteristischen Zeiten. Insbesondere kann eine Überladung mit Nährstoffen zu einem Zusammenbruch des Systems führen. Ein Neuanfahren der Anlage dauert einige Wochen bis zu mehreren Monaten, was die Akzeptanz dieses Systems bei den Betreibern einschränkt. Dieses Problem kann jedoch gelöst werden, wenn intelligente Regelsysteme eingesetzt werden. Bisher wird noch relativ wenig Regelungstechnik in Abwasserreinigungsanlagen eingesetzt. Die Regelgrößen werden meist isoliert betrachtet, so werden zum Beispiel die Temperatur und der pH-Wert mit Hilfe eines lokalen Reglers konstant gehalten. Wenn die entsprechenden Meß- und Stellgrößen auf geeignete Weise verbunden werden, dann kann sowohl die Effektivität als auch die Stabilität von anaeroben Abwasserbehandlungsanlagen gesteigert werden. Obwohl solche Regelsysteme auch mit klassischer Regelungstechnik realisiert werden könnten, wäre der Aufwand auf Grund der großen Komplexität beträchtlich. Deshalb wurde Fuzzy-Logik (die klassische Fuzzy-Regelbasis nach Mamdani) sowohl für die Zustandserkennung als auch für die Regelung für die zweistufige anaerobe Abwasserreinigung eingesetzt. Ein zweistufiges Abwasserreinigungssystem wurde in der Weise modelliert und geregelt, daß der biologische Zustand in den Reaktoren abgeschätzt werden konnte. Darauf aufbauend wurden geeignete Stelleingriffe automatisch durchgeführt. Sogar sehr große Schwankungen in der Konzentration und der volumetrischen Belastung konnten damit erfolgreich gehandhabt werden. Ausserdem konnte die Auslauf-Konzentration relativ niedrig gehalten werden, ohne daß Größen wie der chemische Sauerstoffbedarf (CSB) oder der gesamte organische Kohlenstoff (TOC) gemessen worden wären. Konkret sollte die Technik an einer Anlage im Labormaßstab entwickelt und getestet werden. Da aber auf keine geeignete Anlage zugegriffen werden konnte, besonders in Bezug auf die Automation, wurde eine neue Anlage entwickelt und konstruiert. Für weitere Tests des Regelungssytems wurde ein dynamisches mathematisches Simulationsmodell verwendet. Dafür wurde ein exisitierendes Model für einen anaeroben Reaktor erweitert, um ein zweistufiges System mit Biofilm simulieren zu können. Alle relevanten Messgrößen, wie der pH-Wert, die Wasserstoff- und Methankonzentration, wie auch die Stellgrößen des Regelsystems (Durchflußraten, pH-Wert, Temperatur) wurden durch das neue Modell abgedeckt. Das Model wurde mittels einer Sensitivitätsanalyse und mit Hilfe von Daten aus Experimenten validiert. Die Sensitivitätsanalyse hebt die wichtigen Modell-Parameter hervor. Mit der Simulation, die mit der Fuzzy-Logik-Software verbunden wurde, konnten dynamische Simulationen durchgeführt werden, wobei die Führungsgrößen des Prozesses durch die Ausgangswerte der Fuzzy-Logik dynamisch festgelegt wurden. Daten von sowohl ungeregelten als auch von geregelten Versuchen konnten mit dem Modell zufriedenstellend simuliert werden. Ausserdem konnte die Ablaufqualität in der Simulation verbessert werden, indem einige Fuzzy-Sets geändert wurden. Bei der Simulation von verschiedenen Überlastungs-Szenarien konnte das System die Überlastungs-Zustände erkennen und geeignete Stellmaßnahmen durchführen. 

[Abstract nur auf Englisch verfügbar.] Anaerobic treatment of wastewater offers the advantage of the elimination of the main part of pollutants, which saves disposal charges. Compared to the aerobic technology, less sludge is formed, and energy is produced in the form of biogas. However, anaerobic treatment has also several drawbacks. These are the more difficult handling and the extreme long characteristical times, whereby particularly an overload can lead to a complete break-down of the plant. A restart takes weeks to months, which has restricted the user’s acceptance compared to conventional aerobic plants. But using intelligent control systems can circumvent this problem. Up to now comparatively few control engineering is applied in the wastewater treatment. The controlled variables are mostly regarded in isolation, e.g. temperature and pH are held constant and controlled by a local controller. Connecting the particular measurands and manipulated variables, one can essentially increase the efficiency of wastewater treatment systems as well as the stability. Even though such controllers would be possible by using classical control engineering, the effort would be considerable due to its high complexity. Therefore, Fuzzy logic (the classical Mamdani-type fuzzy rulebase) was chosen for state detection and control of the two-stage anaerobic wastewater treatment. A two-stage anaerobic wastewater treatment reactor system was modelled and controlled the way the biological state of the reactors could be predicted. Based upon this, proper control actions were enacted automatically. Even very strong fluctuations in the loading of both, concentration and volumetric flow rate, could thereby be handled successfully. Moreover, effluent concentrations could be kept relatively low without using TOC, COD or equivalent measurements. In concrete, the engineering should be developed and tested on a lab scale plant using wastewater from the potato processing industry. As no existing plant meeting the requirements was available, particularly in consideration of the automation, a new lab scale plant was developed and constructed. For further testing of the control system developed, a dynamic mathematical simulation model was used. For this, an existing model for an anaerobic digester was extended in order to be able to simulate the two-stage anaerobic wastewater treatment reactor system with biofilm. All the relevant measurands, like pH, hydrogen, methane, as well as the manipulated variables (flows, pH, temperature) of the controller are covered by the new simulation model. The model was validated with both sensitivity analysis and with experimental data. Sensitivity analysis points out the important parameters of the model. Connected with the fuzzy logic controller software, dynamic simulations were performed where the command variables were altered by the output of the fuzzy logic. Data from controlled and uncontrolled experiments could be reproduced satisfactorily by the use of the dynamic model. Moreover, effluent quality could be improved by changing several fuzzy sets. Simulating different overload scenarios, the control system was able to detect overloads and thus to execute proper control actions.

Abstract in Deutsch Die anaerobe Abwasserreinigung wird hauptsächlich eingesetzt, um den Hauptanteil der organischen Schmutzfracht aus Abwässern zu entfernen, wobei die Einleitergebühren gesenkt werden können. Im Vergleich mit der aeroben Abwasserbehandlung fällt weniger Überschuss-Schlamm an und zudem wird Energie, in der Form von Biogas, gewonnen. Jedoch weist die anaerobe Behandlung auch Nachteile auf, wie die schwierigere Handhabung und die sehr langen charakteristischen Zeiten. Insbesondere kann eine Überladung mit Nährstoffen zu einem Zusammenbruch des Systems führen. Ein Neuanfahren der Anlage dauert einige Wochen bis zu mehreren Monaten, was die Akzeptanz dieses Systems bei den Betreibern einschränkt. Dieses Problem kann jedoch gelöst werden, wenn intelligente Regelsysteme eingesetzt werden. Bisher wird noch relativ wenig Regelungstechnik in Abwasserreinigungsanlagen eingesetzt. Die Regelgrößen werden meist isoliert betrachtet, so werden zum Beispiel die Temperatur und der pH-Wert mit Hilfe eines lokalen Reglers konstant gehalten. Wenn die entsprechenden Meß- und Stellgrößen auf geeignete Weise verbunden werden, dann kann sowohl die Effektivität als auch die Stabilität von anaeroben Abwasserbehandlungsanlagen gesteigert werden. Obwohl solche Regelsysteme auch mit klassischer Regelungstechnik realisiert werden könnten, wäre der Aufwand auf Grund der großen Komplexität beträchtlich. Deshalb wurde Fuzzy-Logik (die klassische Fuzzy-Regelbasis nach Mamdani) sowohl für die Zustandserkennung als auch für die Regelung für die zweistufige anaerobe Abwasserreinigung eingesetzt. Ein zweistufiges Abwasserreinigungssystem wurde in der Weise modelliert und geregelt, daß der biologische Zustand in den Reaktoren abgeschätzt werden konnte. Darauf aufbauend wurden geeignete Stelleingriffe automatisch durchgeführt. Sogar sehr große Schwankungen in der Konzentration und der volumetrischen Belastung konnten damit erfolgreich gehandhabt werden. Ausserdem konnte die Auslauf-Konzentration relativ niedrig gehalten werden, ohne daß Größen wie der chemische Sauerstoffbedarf (CSB) oder der gesamte organische Kohlenstoff (TOC) gemessen worden wären. Konkret sollte die Technik an einer Anlage im Labormaßstab entwickelt und getestet werden. Da aber auf keine geeignete Anlage zugegriffen werden konnte, besonders in Bezug auf die Automation, wurde eine neue Anlage entwickelt und konstruiert. Für weitere Tests des Regelungssytems wurde ein dynamisches mathematisches Simulationsmodell verwendet. Dafür wurde ein exisitierendes Model für einen anaeroben Reaktor erweitert, um ein zweistufiges System mit Biofilm simulieren zu können. Alle relevanten Messgrößen, wie der pH-Wert, die Wasserstoff- und Methankonzentration, wie auch die Stellgrößen des Regelsystems (Durchflußraten, pH-Wert, Temperatur) wurden durch das neue Modell abgedeckt. Das Model wurde mittels einer Sensitivitätsanalyse und mit Hilfe von Daten aus Experimenten validiert. Die Sensitivitätsanalyse hebt die wichtigen Modell-Parameter hervor. Mit der Simulation, die mit der Fuzzy-Logik-Software verbunden wurde, konnten dynamische Simulationen durchgeführt werden, wobei die Führungsgrößen des Prozesses durch die Ausgangswerte der Fuzzy-Logik dynamisch festgelegt wurden. Daten von sowohl ungeregelten als auch von geregelten Versuchen konnten mit dem Modell zufriedenstellend simuliert werden. Ausserdem konnte die Ablaufqualität in der Simulation verbessert werden, indem einige Fuzzy-Sets geändert wurden. Bei der Simulation von verschiedenen Überlastungs-Szenarien konnte das System die Überlastungs-Zustände erkennen und geeignete Stellmaßnahmen durchführen. 

Mündliche Prüfung:
30.01.2002 
Schlagworte:
Abwasserreinigung Anaerobe Behandlung Fuzzy-Logik 
Dateigröße:
1379698 bytes 
Seiten:
160 
Letzte Änderung:
27.06.2005