Optimierungsbasierte Regelung verfahrenstechnischer Prozesse Teilantrag 4: Dynamische Modellierung und Echtzeitoptimierung einer Abwasseraufbereitungsanlage mit getauchter Membrantrenneinheit

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Abwasseraufbereitungsanlagen mit integrierten getauchten Membranen zur Rückhaltung partikulärer Substanzen sind attraktive Alternativen zu herkömmlichen Belebungsanlagen. Sie vereinbaren erhöhte Abwasserqualität und erhöhte Betriebssicherheit mit einem verringerten Platzbedarf. Allerdings bedingen der höhere Energiebedarf und der Membranersatz höhere Betriebskosten im Vergleich zur konventionellen Prozessvariante. Diese Kosten sollen durch Methoden der optimierungsbasierten Prozessführung minimiert werden. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde die Gesamtanlage zunächst in die Prozesseinheiten „Biologie" und „Membrantrennung" unterteilt. Diese wurden im Folgenden separat betrachtet und modelliert. Für beide Anlagenteile wurden Modelle unterschiedlicher Komplexität erstellt, die als Teil des Anlagenersatzmodells und in der Optimierung verwendet werden. Die Interaktion zwischen der biologischen Abwasserbehandlung und der Membranfiltration wurde anhand dieser Modelle untersucht und bewertet. Weiterhin wurden mit großem Erfolg Verfahren und Konzepte zur Echtzeitoptimierung und modell-prädiktiven Regelung der beiden Prozesseinheiten entwickelt und implementiert. Die Zulaufrate und -konzentrationen sowie die Sonneneinstrahlung und Zulauftemperatur wurden als wesentliche dynamische Störgrößen erkannt und parametriert. Es wurde damit begonnen, Konzepte für die integrierte Prozessführung der Gesamtanlage zu entwickeln. In der hier beantragten zweiten Antragsphase sollen die vorliegenden Arbeiten konsequent weiterverfolgt und zu einem integrierten Konzept für die Prozessführung der Gesamtanlage zusammengeführt werden. Dabei müssen die unterschiedlichen Zeitskalen und Prozesseinheiten mit Hilfe von Dekompositions- und Dezentralisierungsstrategien berücksichtigt werden. Dies soll zunächst für den nominalen Fall geschehen, das heißt ohne die explizite Behandlung der Prozessunsicherheiten. In einem zweiten Schritt sollen dann die in der Realität immer vorhandenen Modell- und Messfehler berücksichtigt werden. Das dritte Arbeitspaket widmet sich speziell der modellgestützten Prädiktion der externen Störgrößen (z.B. Zulaufmenge und -konzentrationen), deren Güte wesentlich zum erfolgreichen Einsatz der optimierungsbasierten Prozessführung in der industriellen Praxis beiträgt.