Durch Prozessregelung zum Rotteerfolg

Frank Scholwin: Durch Prozessregelung zum Rotteerfolg Ein modellbasiertes Regelungskonzept für biologische aerobe Abfallbehandlungsanlagen auf der Grundlage von Fuzzy Logic 288 Seiten. 2005. Preis: 32,00 Euro ISBN 3-937231-78-1 Band 8. Reihe Manuskripte zur Abfallwirtschaft Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. habil. W. Bidlingmaier (Bauhaus-Universität Weimar) und Prof. Dr.-Ing. Martin Kranert (Universität Stuttgart) Die Kompostierung zählt zu den ältesten Methoden, Abfälle in eine wieder brauchbare Form zu transformieren. Es wurden im Laufe der letzten 100 Jahre vielfältige technische Verfahren zur Umsetzung des biologischen Prozesses entwickelt, um zeiteffektiver ein definiertes Produkt zu erhalten. Allen Entwicklungen ist gemein, dass sie empirisch entstanden sind und stets nur ein relatives Optimum darstellen. Trotz umfangreicher Forschung und Entwicklung ist es der Fachwelt weder gelungen, aus den zahlreichen vorliegenden Arbeiten Bemessungsregeln für den aeroben biologischen Teil von Kompostierungsanlagen, wie es sie analog in der Anaerobtechnik gibt, zu entwickeln, noch wurden allgemeingültige Steuerungsalgorithmen entwickelt. Der Autor hat sich in seiner hier vorliegenden Arbeit mit eben diesem Komplex des Steueralgorithmus beschäftigt. Dabei galt es, den Hygienisierungseffekt ebenso zu berücksichtigen, wie die gewünschte Qualität des Endproduktes. Für die Wahl einer Steuerung, die über eine reine Zeitintervall- oder Temperatursteuerung hinausgeht, welche beide den Nachteil großer Trägheit aufweisen, mussten Parameter definiert werden, die messtechnisch unkompliziert zu bestimmen sind und das Ausgangsmaterial sowie dessen Veränderung über den Abbauprozess charakterisieren. Dies ist durch den Ansatz der Modellbildung auf der Basis der normierten Kohlendioxidfreisetzung gelungen. Die eigentliche modellgestützte Steuerung basiert auf Fuzzy Logic, der Methode, die vielfältige Einflussfaktoren in klare Regeln fasst. Es ist dem Autor gelungen, auf diesem Fundament einen funktionstüchtigen Steuerungsalgorithmus aufzubauen, der für alle geschlossenen Rottesysteme als prinzipiell anwendbar gilt, solange eine aktive Belüftung vorhanden ist. Für jeden Planer und Anlagenbetreiber, auch wenn er dieses System nicht einsetzt, ist das Lesen dieser Arbeit ein Muss, vermittelt sie doch ein umfassendes Verständnis des Rotteprozesses und Anregungen zur Qualifizierung von Rotteprozessen. Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Bidlingmaier Zum Geleit II Vorwort III Abbildungsverzeichnis VII Tabellenverzeichnis X Einheiten, Symbole und Indizes XII Abkürzungen XV Definitionen XVI 1. Einleitung 2 1.1 Ausgangssituation und Problemstellung 2 1.2 Zielstellung 3 1.3 Vorgehensweise 4 2 Grundlagen zur Modellierung und Regelung der biologischen aeroben Abfallbehandlung 8 2.1 Parameter bei der biologischen aeroben Abfallbehandlung - Einflussgrößen, Beherrschbarkeit, Eignung als Indikator und räumliche Verteilung im Abfallhaufwerk 8 2.1.1 Temperatur 9 2.1.2 Wassergehalt und Wasserkapazität 15 2.1.3 Sauerstoffkonzentration 18 2.1.4 Kohlendioxidkonzentration 21 2.1.5 Durchströmung 21 2.1.6 Luftfeuchte 25 2.1.7 Chemische Materialeigenschaften 26 2.1.8 Physikalische Materialeigenschaften 29 2.1.9 Biologische Diversität 30 2.1.10 Weitere Einflussparameter 32 2.2 Interrelationen zwischen den Parametern 32 2.3 Qualitätskriterien für den Erfolg der biologischen Abfallbehandlung 48 2.4 Steuerungs- und Regelungskonzepte der biologischen aeroben Abfallbehandlung 50 2.5 Modelle und Modellierungsansätze der biologischen aeroben Abfallbehandlung 54 2.5.1 Ansätze zur Modellierung der biologischen aeroben Abfallbehandlung 54 2.5.2 Teilprozesse der aeroben biologischen Abfallbehandlung 56 2.6 Simulation der biologischen aeroben Abfallbehandlung 62 2.7 Schlussfolgerungen zur Modellierung und Regelung der biologischen aeroben Abfallbehandlung 63 3 Entwicklung eines Konzeptes für die modellbasierte Regelung des biologischen aeroben Abfallbehandlungsprozesses 68 4 Simulation der biologischen aeroben Abfallbehandlung 72 4.1 Simulationsanlage - Konzept und Umsetzung 72 4.1.1 Konzept für die Simulationsanlage 72 4.1.2 Umsetzung und technische Realisierung der Simulationsanlage 73 4.1.3 Verwendete organische Abfallstoffe 77 4.1.4 Analytische Methoden 79 4.2 Angewandte Methoden der Prozessregelung zur Simulation 80 4.3 Durchführung der Simulationsversuche 81 5 Entwicklung des Modells für die aerobe biologische Abfallbehandlung 84 5.1 Modellierungskonzept und -umgebung 84 5.1.1 Vorhersage des Prozessverlaufes 84 5.1.2 Vorhersage von Qualitätskriterien 88 5.1.3 Berücksichtigung der heterogenen Parameterverteilung 88 5.1.4 Vorhersage der zeitlichen Dimension des Prozesses 90 5.1.5 Ableitung eines Modellkonzeptes 90 5.1.6 Modellierungsumgebung 91 5.2 Eingangsparameter 92 5.2.1 Reaktorgeometrie 92 5.2.2 Umgebungstemperatur und Luftfeuchte 93 5.2.3 Materialeigenschaften 93 5.2.4 Durchströmungsverteilung 95 5.2.5 Abbauaktivität unter Idealbedingungen 97 5.3 Biologisches Modell 101 5.3.1 Prognose der biologischen Aktivität 102 5.3.2 Prognose des Materialabbaues 119 5.3.3 Prognose der biologischen Wasserfreisetzung 119 5.3.4 Prognose der Sauerstoffzehrung 119 5.3.5 Prognose der Gaszusammensetzung 121 5.4 Physikalisches Modell 121 5.4.1 Zugeführter Luftstrom 122 5.4.2 Zuluftraum 124 5.4.3 Siebboden 127 5.4.4 Bodenregion 127 5.4.5 Wandregion 134 5.4.6 Kernregion 136 5.4.7 Deckregion 137 5.4.8 Abluftraum 139 5.4.9 Sonderfall: Materialwende 141 5.5 Stellgrößenregelung 142 5.6 Modellprüfung 142 5.6.1 Qualität des biologischen Modells 143 5.6.2 Qualität des physikalischen Modells 143 5.6.3 Qualität des kombinierten physikalischen und biologischen Modells 145 6 Entwicklung der modellbasierten Regelung für den aeroben biologischen Abfallbehandlungsprozess 148 6.1 Prozessgrößen 149 6.1.1 Regelgrößen 149 6.1.2 Prozesseingangsgrößen 150 6.1.3 Störgrößen 150 6.1.4 Prozessausgangsgrößen 150 6.2 Prozessziele 150 6.3 Steuereinrichtung 152 6.3.1 Steuerkurvenanwendung 153 6.3.2 Anwendung der herkömmlichen Regelungsmethode 153 6.4 Beratungssystem 155 6.4.1 Prozessoptimierungsrechnung 157 6.4.2 Prozesserfolgsprüfung 166 6.5 Umsetzung der modellbasierten Prozessregelung 173 6.6 Prüfung der Regelung 173 7 Qualitätsvergleich der modellbasierten Regelung mit herkömmlichen Prozessregelungen 176 7.1 Vergleich mit der Regelung nach der Temperatur 176 7.2 Vergleich mit der Regelung nach Temperatur und Sauerstoffkonzentration 179 8 Schlussfolgerungen 184 9 Ausblick 190 10 Zusammenfassung 194 11 Literatur 198 Anhang 217 Anhang I: Detailangaben der für die Entwicklung und Prüfung der Regelung relevanten Prozesssimulationen 218 Anhang II: Verlauf wesentlicher Prozessparameter bei der Prozesssimulation 230 Anhang III: Literaturübersicht über Modelle, die für die Modellierung des aeroben biologischen Abbauprozesses von organischen Abfällen relevant sind 246 Anhang IV: Regelbasis des biologischen Teilmodells auf Basis von Fuzzy Logic Berechnungen 258