Belüftungsoptimierung der zweiten Belebungsstufe der Wiener Kläranlage bei Starkregenereignissen mittels Simulation in SIMBA#

Abstract

Die Wiener Kläranlage reinigt das gesamte Abwasser aus dem Kanalnetz der Stadt Wien, und deckt mit bis zu 4 Millionen Einwohnergleichwerten etwa 99,8 % aller Haushalte sowie angeschlossene Industrie- und Gewerbebetriebe ab. Zur Reinigung des Abwassers werden hohe Energiemengen benötigt, wobei ein wesentlicher Anteil von über 50 % des Energieverbrauchs auf die Belüftung der Belebungsbecken entfällt. Dementsprechend liegt auch genau hier ein großes Optimierungs- und Einsparungspotenzial, das nun Gegenstand dieser Arbeit ist. Ziel der Arbeit ist die Optimierung der bestehenden Belüftungsregelung im Hinblick auf eine Reduktion des Luft- und Energieverbrauchs bei gleichbleibend hoher Reinigungsleistung. Insbesondere soll das Belüftungssystem im Falle von Starkregenereignissen verbessert werden, da diese im aktuellen Zustand unverhältnismäßig hohe Luftverbräuche verursachen und daher bei starkem Niederschlag oft manuell in die Regelung eingegriffen werden muss. Hierfür wird in der Simulationssoftware SIMBA# ein realitätsnahes Modell der zweiten Belebungsstufe der Kläranlage verwendet, um das bestehende ammoniumgeregelte Belüftungssystem nachzustellen und anhand von Betriebsdaten aus dem Jahr 2024 zu validieren. Aufbauend auf dem SIMBA#-Modell des Ist-Zustandes werden zwei alternative Regelungsstrategien mit einer Sauerstoff- anstatt Ammoniumregelung implementiert und getestet. Die Bewertung der Varianten erfolgt anhand ausgewählter Trockenwetterzeiträume und Starkregenereignisse im August und September des Jahres 2024. Die verschiedenen Ereignisse und Regelungsvarianten werden hinsichtlich ihres Luftbedarfs, ihres abgeschätzten Energieverbrauchs und ihrer Reinigungsleistung, insbesondere der Nitrifikation, miteinander verglichen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass beide sauerstoffgeregelten Varianten im Vergleich zum Ausgangszustand eine Reduktion des Luftverbrauchs von etwa 10 % ermöglichen, ohne die gesetzlichen Anforderungen an die Ammoniumkonzentration im Ablauf zu gefährden. Während sich die Luft- und Energieeinsparungen beider Alternativen in ähnlicher Größenordnung bewegen, unterscheiden sie sich dennoch in einigen Kriterien hinsichtlich ihres Betriebsverhaltens, nach denen eine Bewertung der einzelnen Varianten mit Entscheidung für eine optimale Lösung getroffen werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass computergestützte Simulationen von Kläranlage gut zur Bewertung betrieblicher und technischer Optimierungsmaßnahmen geeignet sind. Eine endgültige Verifikation der ermittelten Ergebnisse erfordert jedoch eine Validierung im Realbetrieb.

The Vienna wastewater treatment plant treats all wastewater from the sewer network of the City of Vienna and, with a capacity of up to 4 million population equivalents, covers approximately 99.8 % of all households as well as connected industrial and commercial facilities. High amounts of energy are required for wastewater treatment, with a significant share of over 50 % of total energy consumption attributable to the aeration of the activated sludge tanks. Consequently, this is where considerable optimisation and savings potential exists, which forms the subject of this thesis. The aim of this work is the optimisation of the existing aeration control strategy with regard to a reduction in air and energy consumption while maintaining a high level of treatment performance. In particular, aeration during heavy rainfall events is to be improved, as under current conditions these events cause disproportionately high air consumption, often requiring manual intervention in the control system during periods of intense precipitation. For this purpose, a realistic model of the second activated sludge stage of the treatment plant implemented in the simulation software SIMBA# is applied in order to reproduce the existing ammonium-based aeration control and to validate it using operational data from the year 2024. Based on the SIMBA# model of the current state, two alternative control strategies are implemented and tested, using dissolved oxygen control instead of ammonium control. The variants are evaluated using selected dry-weather periods and heavy rainfall events in August and September 2024. The different events and control strategies are compared with respect to their air demand, estimated energy consumption, and treatment quality, particularly their nitrification performance. The simulation results show that both oxygen-controlled variants enable a reduction in air consumption of approximately 10 % compared to the current state, without compromising the legal requirements for ammonium concentrations in the effluent. While the air and energy savings of both alternatives are of a similar magnitude, they differ in several aspects of operational behaviour, on the basis of which an assessment of the individual variants and a decision on an optimal solution can be made. The results demonstrate that computer-based simulations of wastewater treatment plants are well suited for the systematic evaluation of operational and technical optimisation measures. However, final verification of the obtained results requires validation under real operating conditions.