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In entwickelten Ländern ist die Abwasseraufbereitung für etwa 1 % des gesamten elektrischen Energieverbrauchs verantwortlich, wobei die biologische Behandlung in Belebungsbecken bis zu 80 % des gesamten Energieverbrauchs ausmacht. Zudem wird für die nahe Zukunft ein Anstieg des Energieverbrauchs im Wassersektor um 80 % prognostiziert. Ein wesentlicher Faktor dabei ist die Verwendung energieintensiver Druckbelüftungssysteme, um den für die biologische Aktivität notwendigen Sauerstoff bereitzustellen. Wissenschaftler des Helmholtz-Innovationslabors CLEWATER arbeiten daran, die Effizienz des Belüftungsprozesses deutlich zu steigern. In diesem Artikel werden die aktuellen Fortschritte bei zwei von CLEWATEC vorgeschlagenen Ansätzen zur effizienten Belüftung vorgestellt.

Kenntnisse über die Durchmischung und die Strömungsvorgänge in Biogasfermentern ermöglichen Optimierungspotenziale bezogen auf die Vermischung, aber auch auf die Biogasausbeute und Energieeinsparung. Aufgrund der Beschaffenheit der Fermenter (große Abmessungen, Stahlbeton) und des Biosubstrats (nicht opakes Fluid) gibt es derzeit kein Messsystem, um Strömungen und räumlich verteilte Prozessparameter zu vermessen. In dem Projekt „NeoBio“ wurde dazu eine Wireless Sensor Network (WSN) entwickelt.

Data set for the publication in the wwt modernisierung magazine with the tittle "Sauerstoffeintragstechnologien für die biologische Abwasseraufbereitung".

Zur Untersuchung der ablaufenden Prozesse in großen Behältern, wie z. B. Biogasfermentern, Bioreaktoren und Belebtschlammbecken, wurde am HZDR das Konzept instrumentierter, strömungsfolgender Sensorpartikel entwickelt [1],[2]. Bisher wurden damit die Strömungsverhältnisse mit probabilistischen Auswertemethoden ausschließlich basierend auf der Messung der vertikalen Position als Funktion des hydrostatischen Drucks charakterisiert und Parameter einfacher Prozessmodelle für Anlagen im Labor- und Pilotmaßstab bestimmt. Derzeit wird das Konzept des Sensorsystems mit dem Ziel weiterentwickelt, eine räumliche Lage- und Bewegungsverfolgung für Bioreaktoren basierend auf Inertialsensoren zu realisieren. Dies umfasst sowohl die dafür zu qualifizierenden Sensoren für Beschleunigung, Drehrate, Magnetfeld sowie Umgebungsdruck als auch die Softsensor-Algorithmen zur Bestimmung der Lage und der Bewegung. Damit sollen zukünftig Auftriebsmanöver der Sensorpartikel autonom ablaufen und die räumliche Strömungscharakterisierung erfolgen. Im Beitrag werden drei Softsensor-Algorithmen zur Bewegungsverfolgung vorgestellt und verglichen. Diese sind ein linearisiertes Kalman-Filter (Error State Kalman Filter ESKF) und zwei nichtlineare Komplementärfilter (Direct und Passive Complementary Filter DCF, PCF) nach [3]. Diese Algorithmen wurden mit praxisrelevanten simulierten Strömungsbewegungen (siehe Abb. 1) unter Berücksichtigung von Unsicherheiten der Sensoren und realen Sensordaten analysiert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass durch die genaue Lagebestimmung, die Beschleunigung permanent im Koordinatensystem des Behälters nahezu driftfrei bestimmt wird (Abb. 1 und 2). Der Beitrag führt einen umfassenden Vergleich anhand simulierter und gemessener Referenztrajektorien von drei qualifizierten, kommerziellen Inertialsensoreinheiten und diskutiert die relevanten Implikationen für die Auslegung des Sensorsystems.

In fast 10.000 kommunalen Kläranlagen in Deutschland werden jährlich 4.400 GWh Strom benötigt, um den Nährstoffgehalt des Abwassers zu reduzieren. Der höchste Energiebedarf besteht dabei mit einem Anteil von bis zu 80 % bei dem Prozess-schritt der biologischen Abwasserreinigung. Während der Nitrifikation benötigen die Mikroorganismen Sauerstoff, welcher durch Druckbelüftung vom Beckenboden bereitgestellt wird. Die Gebläse müssen den Druckverlust der Belüftungselemente und den hydrostatischen Druckverlust aufgrund von 4 bis 6 m Wassertiefe überwinden, woraus der hohe Energieaufwand resultiert. Jedoch wird aufgrund des limitierten Stoffübergangs nicht der gesamte Sauerstoff der im Nitrifikationsbecken aufsteigenden Blasen in die flüssige Phase übertragen. Durch einen verbesserten Sauerstoffübergang kann der benötigte Luftvolumenstrom und somit die Gebläse-leistung reduziert werden. Dafür wird die dynamische Belüftung vorgeschlagen. Die dynamische Belüftung beruht auf einer zeitlichen Dynamik im Gasvolumen-strom, welcher durch die Belüftungselemente geleitet wird. Der Volumenstrom kann harmonisch oder gepulst variiert sein. Dies hat zur Folge, dass die Blasenfahne über dem Belüfter diskontinuierlich wird. Im Vergleich zur kontinuierlichen Blasenfahne entstehen Bereiche, in denen die Flüssigphase vermischt wird und Konzentrationsgradienten größer werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden optimale Belüftungsregime für dynamische, gepulste Belüftung untersucht, welche in Stoffübergang und Durchmischung der kontinuierlichen Belüftung überlegen sein sollen. Hierfür werden in transienten Euler-Euler Simulationen die wichtigsten Parameter variiert. Dazu zählen die Parameter Pulsfrequenz, Pulsweite, Pulshöhe und Pulsoffset. Die simulativ gefundenen Regime werden experimentell überprüft. Weiterhin wird das Sedimen-tationsverhalten von Belebtschlamm simuliert, um dessen Ablagerung am Beckenboden bei dynamischer Belüftung untersuchen und geeignete Kriterien zur Verhinderung der Sedimentation ableiten zu können.

Für den Großteil der in Deutschland betriebenen Kläranlagen übersteigt die aufgewendete Energie zur Durchmischung und Belüftung des Abwassers oftmals den tatsächlich notwendigen Energiebedarf. Zwischen 50% und 80% des Gesamtenergiebedarfs einer Kläranlage fällt auf die Belüftung des Belebungsbeckens (Fricke, 2009; Haberkern et al., 2008). Unabhängig von der Ausbaugröße der Kläranlage ist dementsprechend dort das mit Abstand größte Energieeinsparpotenzial zu finden. Dies wird oft durch eine nicht-optimale Auslegung bzw. Anordnung der Begasungs- und Dispergierorgane im Belebtschlammbecken hervorgerufen. Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung einer Methodik, mit welcher basierend auf numerischen Simulationen die Optimierungspotenziale der jeweiligen Anlage aufgedeckt werden, optimierte Anlagenkonfigurationen und Betriebsweisen bestimmt bzw. bewertet werden. Dies entspricht einer virtuellen Anlagenoptimierung durch numerische Experimente. Weiterhin werden die Maßnahmen nach ihrer Umsetzung der an der konkreten Anlage mit Hilfe innovativer Sensorik messtechnisch validiert. Damit soll eine grundlegende Verbesserung der Hydrodynamik und des Stofftransportes in Belebungsbecken in Verbindung mit der Effizienzsteigerung der Anlage basierend auf numerischen Simulationen und innovativen Sensortechnologien möglich werden.

Die Kenntnis der in Bioreaktoren und speziell in großen Behältern, wie Biogasfermentern, Belebtschlammbecken und Hefefermentern, ablaufenden hydrodynamischen und biochemischen Prozesse ist begrenzt. Der Zugang für Messtechnik ist durch die Behälter und die rauen mechanischen und chemischen Umgebungsbedingungen stark eingeschränkt. Daher sind bekannte bildgebende Messverfahren zur Strömungscharakterisierung, wie Hochgeschwindigkeitsvideometrie, Particle Image Velocimetry (PIV) und Prozesstomografie, nicht anwendbar. Zur räumlichen Erfassung der Prozessparameter in Bioreaktoren wurde am HZDR das Konzept instrumentierter, strömungsfolgender Sensorpartikel entwickelt [1,2]. Die Sensorpartikel werden als auftriebsneutrale Strömungsfolger eingesetzt und erfassen dabei kontinuierlich Prozessparameter. Nach der Rückgewinnung der Sensorpartikel aus dem Prozess werden die Daten ausgewertet. Die Sensorpartikel bestehen aus robusten Kapseln, welche mit einer integrierten Messelektronik und einer mechanischen Auftriebseinheit ausgestattet sind (siehe Abb. 1). Das Systemkonzept berücksichtigt derzeit miniaturisierte Sensoren für die Umgebungstemperatur, die Eintauchtiefe als Funktion des hydrostatischen Drucks, die Beschleunigung, die Drehrate und das Magnetfeld. Das Konzept ist zudem offen für die Einbindung ergänzender miniaturisierter Messfühler, wie z.B. für pH-Wert und Gelöst-Sauerstoff. Eine Auftriebseinheit erlaubt zum einen die automatisierte Tarierung der Sensorpartikel im ruhenden Prozessmedium und weiterhin eine erleichterte Rückgewinnung der Sensorpartikel von der Flüssigkeitsoberfläche nach Beendigung der Messung [3]. Die Sensorpartikel wurden bereits unter realen Bedingungen von Biogasfermentern getestet und es wurden erste Strömungsanalysen erstellt [2,4]. Ein weiteres aktuelles Anwendungsfeld der Sensorpartikel sind Kläranlagen und speziell Belebtschlammbecken zur biologischen Abwasserreinigung. Erste Tests mit Sensorpartikeln wurden bereits durchgeführt (siehe Abb. 2). Der Beitrag stellt neben dem Konzept der Sensorpartikel deren Anwendungsmöglichkeiten in Bioreaktoren und damit verbundene technische Herausforderungen vor.

Zur Untersuchung der ablaufenden Prozesse in großen Behältern, wie z. B. Biogasfermentern, Bioreaktoren und Belebtschlammbecken, wurde am HZDR das Konzept instrumentierter, strömungsfolgender Sensorpartikel entwickelt. Die Sensorpartikel werden als auftriebsneutrale Strömungsfolger eingesetzt und erfassen dabei kontinuierlich Prozessparameter. Diese Daten werden nach der Rückgewinnung der Sensorpartikel aus dem Prozess einem computergestützten Analysesystem zur Verfügung gestellt. Die erweiterten Sensorpartikel bestehen aus robusten Kapseln, welche mit einer integrierten Messelektronik und einer mechanischen Auftriebseinheit zur Tarierung und Rückgewinnung ausgestattet sind (Abb. 1). Das Systemkonzept berücksichtigt derzeit miniaturisierte Sensoren für die Umgebungstemperatur, die Eintauchtiefe als Funktion des hydrostatischen Drucks, die Beschleunigung und das Magnetfeld und offen für die Einbindung ergänzender miniaturisierter Messfühler, wie z.B. für pH-Wert und Gelöst-Sauerstoff. Zur Erweiterung der Positionserfassung wurde die Detektion eines festen Positionsmarkers mit den Sensorpartikeln realisiert. Als Positionsmarker wird eine eigens entwickelte Tauschspule eingesetzt, deren kodiertes Anregungssignal über das entstehende Magnetfeld von den vorbeiströmenden Sensorpartikeln empfangen wird. Die Sensorpartikel mit magnetischer Positionsdetektion wurden erstmals in einer hydrodynamischen Studie von drei Fermentern mit ovalen Behältergeometrien genutzt . Die Fermenter haben ein Füllvolumen von 1,5 m³, 2 m³ und 32 m³ und wurden mit je zwei horizontalen Rührwerken bei zwei Umfangsgeschwindigkeiten (5,5 m/s und 6,7m/s) in einer Xanthan-Lösung (5 g/L) betrieben (Abb. 2). Mit der Positionsdetektion im Scheitelpunkt der Fermenter wurden die Zirkulationszeitverteilungen der Fluidelemente bestimmt (Abb. 3). Dies lässt Aussagen über das Mischverhalten in den Behältern zu. In Kombination mit den extrahierten vertikalen Aufenthaltsprofilen der Sensorpartikel erfolgt ein Vergleich der drei Fermenter.

Für den Großteil der in Deutschland betriebenen Kläranlagen übersteigt die aufgewendete Energie zur Durchmischung und Belüftung des Abwassers oftmals den tatsächlich notwendigen Energiebedarf. Dies wird oft durch eine nicht-optimale Auslegung bzw. Anordnung der Begasungs- und Dispergierorgane im Belebtschlammbecken hervorgerufen. Im Vortrag werden die am HZDR durchgeführten Forschungsvorhaben zur Effizienzsteigerung von Abwasseraufbereitungsanlagen vorgestellt.

Zur langzeiterfassung räumlich verteilter Parameter in großskaligen Behältern, wie Chemiereaktoren, Biogasfermentern oder Belebtschlammbecken, wurde ein Konzept instrumentierter, strömungsfolgender Sensoren entwickelt. Diese sind bezogen auf die Makroskale von Mischprozessen in Großbehältern aufgrund ihrer geringen Baugröße als strömende Partikel bzw. Sensorpartikel zu betrachten. In Experimenten an Technikumsanlagen, wie einem Fermenter, einer Blasensäule und einem Schleifenreaktor, wurde die Funktionstüchtigkeit der Sensorpartikel gezeigt. Die Analyse der aufgenommenen Messdaten und die daraus extrahierten räumlichen Parameterprofile zeigen, dass die vorherrschenden Strömungsbedingungen innerhalb des Behälters über einen längeren Zeitraum erfasst werden können und der Zustand des Prozesses abgebildet wird. Es können Aussagen über die Homogenität der Vermischung, die axiale Feststoffverteilung bzw. die Suspensionsgüte, das axiale Strömungsprofil und die Struktur grobballiger Wirbel getroffen werden. Weiterhin können anhand gemessener Zirkulationszeitverteilungen relevante Parameter von Rührwerksmodellen, wie z. B. Zirkulationsbeiwerte und äquivalente Förderhöhen, und Parameter von Dispersionsmodellen, wie die PECLÉT-Zahl, bestimmt werden. Der Beitrag gibt einen Überblick über die Sensortechnik sowie deren Anwendungsprinzip an Kläranlagen und Biogasfermentern und zeigt die derzeitigen Grenzen des Messsystems auf. Weiterhin werden die Ergebnisse der Technikumsversuche vorgestellt. Durch den Vergleich zu Referenzmessungen wird die Qualität der mit den Sensorpartikeln gemessenen Daten verdeutlicht.

Zur Untersuchung der Prozesse in Mischbehältern wurde am HZDR das Konzept instrumentierter, Strömungsfolger entwickelt. Diese können als auftriebsneutrale Sensorpartikel in großen Behältern, wie z. B. Biogasfermentern, Bioreaktoren und Belebtschlammbecken, eingesetzt werden und erfassen dabei kontinuierlich Prozessparameter. Nach der Rückgewinnung der Sensorpartikel aus dem Prozess werden die Daten einem computergestützten Analysesystem zur Verfügung gestellt. Die entwickelten prototypischen Sensorpartikel bestehen aus auftriebsneutralen Kapseln, welche mit einer integrierten Messelektronik ausgestattet sind. Das Systemkonzept berücksichtigt derzeit miniaturisierte Sensoren für die Umgebungstemperatur, die vertikale Position als Funktion des hydrostatischen Drucks sowie für die Beschleunigung. Die Funktionstüchtigkeit der Sensorpartikel wurde bereits unter realen Strömungsbedingungen von Biogasfermentern nachgewiesen. Im Beitrag werden die Ergebnisse weiterführender Validierungsexperimente mit den Sensorpartikeln in einem Rührbehälter mit Wasser und einer viskosen Glycerin-Lösung bei verschiedenen Rührerdrehzahlen vorgestellt. Die Messdaten der Sensorpartikel lassen Aussagen über die Homogenität der Vermischung, das axiale Strömungsprofil und die Struktur grobballiger Wirbel zu. Weiterhin wurden mit den Sensorpartikeln Zirkulationszeiten ermittelt und mit Referenzdaten aus Salztracermessungen verglichen. Basierend auf den Zirkulationszeiten wurden relevante Parameter von Rührwerksmodellen, wie z. B. Zirkulationsbeiwerte, und Parameter von Dispersionsmodellen, wie die PECLÉT-Zahl, bestimmt. Zudem wurde in dem Rührbehälter das Strömungsfolgeverhalten der Sensorpartikel untersucht und Rückschlüsse auf die Anwendung in z. B. Biogasfermentern gezogen.

Der Betrieb großer Anlagen und Behälter wird von dem Problem begleitet, dass darin ablaufende verfahrens- und energietechnische Prozesse aufgrund erschwerter oder unmöglicher messtechnischer Zugänglichkeit nicht genügend beschrieben und überwacht werden können. Die Installation von lokal installierten Sonden mit Kabelverbindungen ist in großen Behältern, wie Chemie- und Bioreaktoren, Fermentern oder Schüttgutbehältern, oft nicht realisierbar oder unerwünscht. Zudem sind bildgebende Messverfahren, wie Kameras oder Tomografiesysteme, auf Grund der trüben Medien und der Behälterabmessungen von mehreren Metern meist nicht anwendbar. Der Einsatz intelligenter Strömungsfolger und autonomer Sensortechnologien ermöglicht die messtechnische Erfassung verteilter Parameter und gewinnt deshalb zunehmend an Bedeutung für Anwendungen in der Prozessindustrie [1]. Aus diesem Grund wurde am HZDR das Konzept autonomer Sensorpartikel entwickelt, welche als auftriebsneutrale Strömungsfolger in großen Behältern, wie Biogasfermentern, eingesetzt werden können und dabei kontinuierlich Prozessparameter erfassen, speichern und diese nach Rückgewinnung der Partikel aus dem Prozess einem computergestützten Analysesystem zur Verfügung stellen [2].

Für eine effiziente Steuerung von Prozessen in verfahrenstechnischen Anlagen ist eine detaillierte räumliche und zeitliche Erfassung von Prozessparametern erforderlich, die jedoch mit herkömmlichen Messverfahren nicht realisiert werden kann. Als vollkommen neuen Lösungsansatz dazu wurde am HZDR ein autonomes Sensorpartikel entwickelt, welches als Strömungsfolger in großen Behältern, wie Biogasfermentern, eingesetzt werden könnte und somit kontinuierlich Prozessparameter erfasst, speichert und diese nach Wiedergewinnung des Partikels am Behälterauslass einem Analysesystem zur Verfügung stellt.

Zur Langzeiterfassung räumlich verteilter Parameter in Prozessbehältern wurde das Konzept autonomer Sensorpartikel entwickelt und getestet. Die Sensorpartikel sind auftriebsneutral und bewegen sich frei mit der vorherrschenden Strömung im Prozess. Die integrierte Messelektronik erfasst die Signale der internen Messfühler für die Temperatur, die Eintauchtiefe und die Beschleunigung in einem autonomen und energieeffizienten Messregime. Die Validierung des Messsystems erfolgte unter realen Strömungsbedingungen in einem Versuchsfermenter. Die aufgenommenen Messdaten und die daraus extrahierten Prozesskenndaten charakterisieren den Zustand des Prozesses und die vorherrschenden Strömungsbedingungen.

Die Erfindung beschreibt eine Anordnung zur Bestimmung des dreidimensionalen räumlichen Geschwindigkeitsprofils rheologischer Medien, wobei die Anordnung in einem Prozessbehälter untergebracht ist und aus im Prozessbehälter drehbar und beweglich angeordneten Messlanzen mit mindestens einer Detektoreinheit besteht. In das Prozessmedium eingebrachte Tracer werden von den Detektoren erfasst und die gemessenen Signale zur Bestimmung des räumlichen Geschwindigkeitsprofiles herangezogen. Die für die Geschwindigkeitsprofilmessung benutzten Tracer können im Anschluss für die Bestimmung des Verweilzeitspektrums des Prozessgemischs im Prozessbehälter verwendet werden.

Für eine effiziente Steuerung von Prozessen in verfahrenstechnischen Anlagen ist eine detaillierte räumliche und zeitliche Erfassung von Prozessparametern erforderlich, die jedoch mit herkömmlichen Messverfahren nicht realisiert werden kann. Als vollkommen neuen Lösungsansatz dazu wurde am HZDR ein autonomes Sensorpartikel entwickelt, welches als Strömungsfolger in großen Behältern, wie Biogasfermentern, eingesetzt werden könnte und somit kontinuierlich Prozessparameter erfasst, speichert und diese nach Wiedergewinnung des Partikels am Behälterauslass einem Analysesystem zur Verfügung stellt.

Die räumliche Erfassung relevanter Prozessparameter wird bei einer Vielzahl industrieller Anwendungen durch den begrenzten Zugang zum Prozess erschwert. Beispiele sind Reaktoren mit Rührwerken, Bioreaktoren, Fermenter und Schüttgutbehälter. In solchen Behältern ist die Installation von fest angebrachten Sensoren und Kabelverbindungen oft nicht realisierbar oder unerwünscht. Zudem sind räumlich auflösende Apparate, wie Kameras oder Tomografiemesssysteme, meist nicht anwendbar. Daher bietet die Überwachung der räumlichen Verteilung relevanter Prozessparameter ein hohes Potential für die verbesserte Untersuchung und die Optimierung der Anlagen und Prozesse. Zur Erfassung räumlich verteilter Parameter in Prozessbehältern wurde ein Konzept autonomer Sensorpartikel entwickelt und getestet. Das Messsystem beinhaltet mehrere autonome Sensorpartikel und eine Basiseinheit.

Die räumliche Erfassung relevanter Prozessparameter wird bei einer Vielzahl industrieller Anwendungen durch den begrenzten Zugang zum Prozess erschwert. Beispiele sind Reaktoren mit Rührwerken, Bioreaktoren, Fermenter und Schüttgutbehälter. In solchen Behältern ist die Installation von fest angebrachten Sensoren und Kabelverbindungen oft nicht realisierbar oder unerwünscht. Herkömmliche Messsonden werden üblicherweise nur lokal installiert, womit die Erfassung räumlich verteilter Parameter nur eingeschränkt möglich ist. Zudem sind räumlich auflösende Apparate, wie Kameras oder Tomographiemesssysteme, meist nicht anwendbar. Daher bietet die Überwachung der räumlichen Verteilung relevanter Prozessparameter ein hohes Potential für die verbesserte Untersuchung und die Optimierung der Anlagen und Prozesse. Speziell für Fermenter sind der lokale Vergärungsgrad von Biomasse, Temperaturprofile, pH-Wertverteilungen, Gas- und Flüssigkeitsbestandteile im Substrat sowie lokale Strömungscharakteristiken (Geschwindigkeitsprofile, Totzonen, Kurzschlussströmungen) für die Einschätzung der Prozesseffizienz von Interesse. Dabei kann es oft ausgehend von wenigen physikalischen Basisparametern, wie Temperatur und Druck, Rückschlüsse auf die Effektivität der Heiz- und Rührregime geben. Autonome Sensortechnologien ermöglichen die messtechnische Erfassung verteilter Parameter durch den Einsatz intelligenter Strömungsfolger und gewinnen deshalb zunehmend an Bedeutung für Anwendungen in der Prozessindustrie. Zur Erfassung räumlich verteilter Parameter in Prozessbehältern wurde ein Schwarm autonomer Sensorkapseln mit einer zugehörigen Basiseinheit entwickelt und getestet. Die Validierung des Messsystemes erfolgte unter realen Strömungsbedingungen in einem Pilotfermenter. Die aufgenommenen Messdaten und die daraus extrahierten Parameterprofile liefern neuwertige und verlässliche Informationen über den Zustand im Prozess und die vorherrschenden Strömungsbedingungen.