DE10034645A1 - Monitoring and control process for biological sewage plant, useful for treating sewage of varying composition from industrial, agricultural, biological or communal source, uses neuronal network computer to generate control signals - Google Patents
Monitoring and control process for biological sewage plant, useful for treating sewage of varying composition from industrial, agricultural, biological or communal source, uses neuronal network computer to generate control signalsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und Steuerung der Prozeßabläufe für die Bestimmung der Eigenschaften von Abwässern unterschiedlicher Zusammen setzung aus industriellen, landwirtschaftlichen oder kommunalen Bereichen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for monitoring and controlling the process sequences for determining the properties of wastewater of different types setting from industrial, agricultural or municipal areas as well as a Device for performing the method.
Es ist bekannt, daß Abwässer aus industriellen, landwirtschaftlichen oder kommunalen Bereichen in ihrer Zusammensetzung großen Schwankungen unterliegen. So können beispielsweise diskontinuierliche Produktionsabläufe, Umstellungen im Herstellungs prozeß oder Havarien in chemischen Anlagen zu einer kurz- oder längerfristigen Veränderung der Qualität der Abwässer führen. Auch starke Regenfälle würden die Abwasserzusammensetzung, zum Beispiel in kommunalen Abwasseranlagen, beein flussen. Einleitungen von Abwässern, die derartigen Schwankungen unterliegen, führen zu Überbelastungen bis hin zu Vergiftungen der nachgeschalteten Kläranlagen. Die Folge ist ein Absterben oder Ausschwemmen der Biomasse, die dem Abbau von Inhalts- und Schadstoffen im Abwasser dient, aus der biologischen Klärstufe der Abwasseranlage, wodurch die Abbauleistung der Anlage sinkt und die Gefahr einer Überschreitung der zulässigen Schadstoffgrenzwerte für die Einleitung der geklärten Abwässer in den Vorfluter besteht.It is known that wastewater from industrial, agricultural or municipal Areas in their composition are subject to large fluctuations. So can for example discontinuous production processes, changes in manufacturing process or accidents in chemical plants at a short or long term Change the quality of the waste water. Heavy rains would also Waste water composition, for example in municipal wastewater treatment plants rivers. Discharges of wastewater that are subject to such fluctuations to overloads or poisoning of the downstream sewage treatment plants. The consequence is a death or flushing away of the biomass, which degrades its content and Serves pollutants in the wastewater, from the biological clarification stage of the wastewater plant, which reduces the dismantling performance of the system and the risk of exceeding the permissible pollutant limit values for the discharge of the treated wastewater into the Receiving water exists.
Die JP 100 43 788 A offenbart ein Kontrollverfahren für Einrichtungen zur Behandlung von belastetem Abwasser. Die offenbarte Steuerungseinrichtung für eine biologische Kläranlage arbeitet nach dem Prinzip der Feststellung der Phosphat- oder Stickstoffkonzentration mit der Temperatur, wobei die Daten des Volumenstroms in ein neuronales Netz eingespeist werden, welches dann als direkte Steuerung die Belüftungsintervalle des Rücklaufschlammverhältnisses und den Überschuss schlammabzug regelt. Die Steuerung beeinflusst die Prozessführung der Anlage mit dem Ziel, die Werte des Phosphatanteils und der Stickstoffmenge einzuhalten. Die Schrift offenbart weder Lösungen aus dem Bereich der Toxizitätserkennung noch den Einsatz bzw. die Verwendung von neuronalen Netzen für dieses eingegrenzte Gebiet. Die Steuerung findet ihren Einsatz innerhalb der Anlage und kann ein Erkennen der Toxizität auf die Anlage zufließenden Abwassers nicht signalisieren. JP 100 43 788 A discloses a control method for treatment facilities of polluted wastewater. The disclosed control device for a biological Sewage treatment plant works on the principle of determining the phosphate or Nitrogen concentration with temperature, the data of the volume flow in one neural network can be fed, which then as the direct control the Aeration intervals of the return sludge ratio and the excess sludge removal regulates. The control influences the process control of the plant with the The aim is to adhere to the values of the proportion of phosphate and the amount of nitrogen. The font does not disclose solutions in the field of toxicity detection or its use or the use of neural networks for this limited area. The Control is used within the plant and can detect toxicity do not signal waste water flowing into the system.
Joachim Hansen, Jörg Ramacher, "Fuzzy Control und Neuronale Netze in der Abwasserreinigung" Korrespondenz Abwasser 46/1999, Nr. 2 S. 168; 169, stellt die Anwendung von neuronalen Netzen auf der Basis der Fuzzy Control für die Steuerung des Betriebes von bestehenden biologischen Kläranlagen vor. Sie beschäftigt sich mit der Optimierung der Stickstoff- und Phosphorelimination. Bei der Durchführung des Verfahrens werden verschiedene Abwasserparameter ermittelt, die dabei gewonnenen Informationen bewertet und mit bekannten Automatisierungstechniken zur Steuerung der Vorgänge in der Kläranlage herangezogen. Dabei werden die Volumenströme, die Verweilzeiten und die Belüftungsraten des zu behandelnden Abwassers während des Verfahrensablaufs gemessen und gewichtet. Die Verwendung der neuronalen Netze hat dabei das Ziel, die konventionelle Steuerungs- und Regelungstechnik zur Reduzierung der Stickstoff- und Phosphatkonzentration gleitend im Verlauf der Abwasserbehandlung zu regeln. Die Schrift gibt keine Information her, wie ein Erkennen der Toxizität im Zulauf der Kläranlage durchgeführt werden soll und wie es möglich sein kann, die Toxizität gleitend zu erkennen und rechtzeitig Maßnahmen zur Erhaltung der Betriebssicherheit der Anlage zur Abwasserbehandlung einzuleiten.Joachim Hansen, Jörg Ramacher, "Fuzzy Control and Neural Networks in the Wastewater treatment "Correspondence sewage 46/1999, No. 2 p. 168; 169, provides the Application of neural networks based on fuzzy control for controlling the Operation of existing biological sewage treatment plants. It deals with the Optimization of nitrogen and phosphorus elimination. When performing the Various wastewater parameters are determined in the process, and the parameters obtained are determined Information evaluated and using known automation techniques to control the Processes in the sewage treatment plant. The volume flows that Residence times and the aeration rates of the wastewater to be treated during the Process flow measured and weighted. The use of neural networks has the aim is to use conventional control technology to reduce the Nitrogen and phosphate concentrations slipping in during the wastewater treatment regulate. The document gives no information, such as recognizing the toxicity in the inflow the sewage treatment plant should be carried out and how it can be possible the toxicity to be recognized smoothly and timely measures to maintain the operational safety of the Initiate plant for wastewater treatment.
M. Köhne legt in "Optimierung von Abwasserreinigungsprozessen in Kläranlagen auf der Basis kontinuierlicher Messungen"; Wasser und Boden 48. JG 9/1996, S. 8-12 dar, wie ein kontinuierliches Messverfahren zur Steuerung von Abwasserreinigungsprozessen in den zugehörigen Anlagen ablaufen kann. Dabei wird vor allem dargestellt, wie die Auswertung der Messdaten im Wesentlichen zur Reduktion der gesetzlich relevanten Abwasserinhaltsstoffe im Regime eines streng reduzierten Energieverbrauchs durchgeführt werden soll. Beispielsweise führt der Artikel an, dass eine biologische Stickstoffeliminierung vorgenommen wird, bei der durch on-line-Messung von Stickstoff und Sauerstoff ein maximaler Stickstoffabbau bei minimalem Sauerstoffverbrauch erreicht werden kann. Optional berührt der Inhalt der Veröffentlichung eine Realisierung von Steuerungsprozessen unter Einbeziehung neuronaler Netze. Wie die Toxizität im Zulauf der Kläranlage für das Verfahrensregime erkannt und zur Beeinflussung des Behandlungsprozesses verwertet wird, ist hier nicht angegeben und auch nicht Gegenstand der zur Anwendung aufgeführten kontinuierlichen Messungen der Abwasserparameter. M. Köhne puts in "Optimization of wastewater treatment processes in sewage plants on the Basis of continuous measurements "; Wasser und Boden 48. JG 9/1996, pp. 8-12, show how a continuous measurement method for controlling wastewater treatment processes in the associated systems can run. Above all, it shows how the Evaluation of the measurement data essentially to reduce the legally relevant Waste water ingredients in the regime of strictly reduced energy consumption to be carried out. For example, the article states that a biological Nitrogen elimination is done by on-line measurement of nitrogen and oxygen maximum nitrogen degradation with minimal oxygen consumption can be achieved. Optionally, the content of the publication affects implementation of control processes including neural networks. How toxicity in Inlet of the sewage treatment plant recognized for the process regime and to influence the Treatment process is not used here and neither Subject of the continuous measurements of the Wastewater parameters.
Der gleiche Autor stellt in "On-line-Messverfahren in der Abwassertechnik"; Korrespondenz Abwasser 10/1993 40. JG, S. 1628-1638, ein Verfahren der on-line- Messung mit folgenden Grundsätzen vor.The same author poses in "On-line measurement methods in wastewater engineering"; Correspondence sewage 10/1993 40th JG, pp. 1628-1638, a process of on-line Measurement with the following principles.
Überwachung und Kontrolle der Funktion der Kläranlage und deren Reinigungsleistung mit den Vorgängen: Messen, Registrieren, Dokumentieren.Monitoring and control of the function of the sewage treatment plant and its cleaning performance with the processes: measuring, registering, documenting.
Manuelle und automatische Beeinflussung des Abwasserreinigungsprozesses mit der Zielstellung: Steuern, Regeln und Optimieren der Anlagenfunktion.Manual and automatic influencing of the wastewater treatment process with the Objective: controlling, regulating and optimizing the system function.
Gewinnung von allgemeinen Informationen der Übersicht zur Erkennung stetiger und variabler Funktionsweisen der Kläranlage im Sinne von Analysieren, Identifizieren, Modellieren und Simulieren.Obtaining general information from the overview for the detection of continuous and variable functioning of the sewage treatment plant in the sense of analyzing, identifying, Model and simulate.
Die Veröffentlichung setzt sich durch einen Abgleich im Rahmen praxisnaher Erkenntnisse mit Vor- und Nachteilen kontinuierlicher und diskontinuierlicher Messverfahren auseinander. Interpretiert werden TS-Messungen, BSB-Messungen und Ammonium-Messungen, die im Einzelnen für sich gesehen werden. Eine Toxizitätserkennung ist in keiner Weise Gegenstand der herangezogenen Verfahrensweisen zur Prozesssteuerung. In dieser Veröffentlichung fehlt jeder konkrete Bezug auf den Einsatz künstlicher Intelligenz, also von neuronalen Netzen, vor allem bei einer Toxizitäts- bzw. Eigenschaftserkennung eines auf die Abwasserkläranlage zulaufenden Abwassers.The publication continues through a comparison in the context of practical Findings with advantages and disadvantages more continuously and discontinuously Measurement methods apart. TS measurements, BOD measurements and Ammonium measurements that are seen individually. A Detection of toxicity is in no way the subject of the reference Process Control Procedures. Every concrete one is missing in this publication Regarding the use of artificial intelligence, i.e. of neural networks, especially with a toxicity or property detection on the wastewater treatment plant incoming wastewater.
Beim Betrieb biologischer Kläranlagen besteht die zwingende Notwendigkeit, die vorhandene Biomasse vor toxischen Einleitungen zu schützen. Zu diesem Zweck passieren Abwässer aus den verschiedenen Herkunftsbereichen vor dem Einlauf in die Kläranlage häufig sogenannte "Toxizitätsmonitore". Hierbei handelt es sich um Messeinrichtungen, die kontinuierlich oder diskontinuierlich arbeiten und Aussagen über die Unbedenklichkeit des einzuleitenden Abwassers für die biologische Aktivität der Kläranlage treffen sollen. Bei Auftreten toxischer Einflüsse, z. B. bei unbeabsichtigter Einleitung giftiger Inhaltsstoffe, wird eine Warnmeldung ausgegeben, damit das Abwasser in ein Havariebecken umgeleitet werden kann. Sämtliche gegenwärtig verfügbaren Toxizitätsmonitore beruhen auf der Messung der Sauerstoffzehrung. Dieses Erkennungsverfahren quantifiziert die Stoffwechselleistung der Mikroorganismen über die Geschwindigkeit der Abnahme der Sauerstoffkonzentration in einem Reaktionsbehälter, in dem Abwasser und bestimmte Mikroorganismen vermischt werden. When operating biological sewage treatment plants, there is an imperative that protect existing biomass from toxic discharges. To this end waste water from the various areas of origin pass through before entering the Sewage treatment plant often called "toxicity monitors". This is Measuring devices that work continuously or discontinuously and statements about the safety of the wastewater to be discharged for the biological activity of the Sewage treatment plant. If toxic influences occur, e.g. B. inadvertent Introduction of toxic ingredients, a warning message is issued so that the Waste water can be diverted into an emergency basin. All currently The available toxicity monitors are based on the measurement of oxygen consumption. This The detection process quantifies the metabolic performance of the microorganisms the rate of decrease in oxygen concentration in one Reaction tank in which wastewater and certain microorganisms are mixed.
Das Resultat dieser Messung ist eine nachfolgend beispielhaft dargestellte
Sauerstoffzehrungskurve.
The result of this measurement is an oxygen consumption curve, which is shown below by way of example.
Bei konstanter Biomassekonzentration im Reaktionsbehälter stellt die Geschwindigkeit der Sauerstoffabnahme - also die Steilheit der Zehrungskurve dO2/dt - ein Maß für die Stoffwechselaktivität der Mikroorganismen dar. Problematisch bei dieser Betrachtungsweise ist jedoch die Tatsache, dass ein Zusammenhang zwischen Sauerstoffzehrung und Stoffwechselaktivität nur unter reproduzierbaren Bedingungen gültig ist. Neben der Biomassekonzentration wirken sich z. B. noch der pH-Wert, der Salzgehalt (Leitfähigkeit), die Temperatur und die Substratkonzentration auf die Sauerstoffzehrung aus. Ein weiterer wichtiger Einflussfaktor ist ebenfalls die Grundvitalität der eingesetzten Biomasse unter Normalbedingungen, die z. T. erheblichen Schwankungen unterliegt.With a constant biomass concentration in the reaction vessel, the rate of oxygen removal - that is, the steepness of the depletion curve dO 2 / dt - represents a measure of the metabolic activity of the microorganisms. However, the problem with this approach is the fact that a relationship between oxygen consumption and metabolic activity is only possible under reproducible conditions is valid. In addition to the biomass concentration, z. B. still the pH, the salinity (conductivity), the temperature and the substrate concentration on the oxygen consumption. Another important influencing factor is the basic vitality of the biomass used under normal conditions. T. is subject to considerable fluctuations.
Da die aufgeführten chemisch-physikalischen Parameter des Abwassers in der Praxis nicht beeinflusst werden können, müssen sie zumindest bei der Bewertung der Sauerstoffzehrung Berücksichtigung finden. Ohne die Beachtung der individuellen Abwasserparameter ist eine befriedigende Aussage über zu vermutende toxische Wirkungen eines Abwassers nicht möglich. Die Abwasserqualität wird bei den derzeitigen Gerätetypen, wie später dargestellt, auf dem Markt jedoch nicht berücksichtigt. Die einwandfreie Funktion solcher Toxizitätsmonitore setzt daher eine über lange Zeiträume weitgehend konstante Abwasserqualität voraus. Es wird also von einem Zustand ausgegangen, der in der Praxis nur sehr selten auftritt.Because the listed chemical-physical parameters of wastewater in practice cannot be influenced, at least when evaluating the Find oxygen consumption. Without paying attention to the individual Wastewater parameter is a satisfactory statement about the suspected toxic Effects of waste water not possible. The wastewater quality is with the current device types, as shown later, but not on the market considered. The flawless functioning of such toxicity monitors is therefore essential Wastewater quality largely constant over long periods. So it is from a condition that occurs very rarely in practice.
Gegenwärtig werden zum Erkennen von veränderten Abwasserzusammensetzungen Einzelparametermessungen durchgeführt, elektronisch erfasst und einzeln extrapoliert. Solche Meßwerterfassungen sind oft sehr langwierig und in ihrer Auswertung recht unübersichtlich. Je mehr Parameter in die Bewertung der Abwasserqualität einbezogen werden, desto ungenauer wird bei dem herkömmlichen Datenabgleich das Gesamt ergebnis, da ständig veränderte Abwasserzusammensetzungen ein Angleichen einzelner Parameter an den Gesamtdatenbestand erschweren. Hinzu kommt, dass einzelne Abwasserinhaltsstoffe oft schwer zu analysieren sind und häufig erst das Zusammenwirken mehrerer Komponenten zu Beeinträchtigungen des Reinigungs prozesses führen. Weiterhin besteht die Gefahr, daß zwischen der Untersuchung des Abwassers und der Ausgabe einer Warnung eine zu große Zeitspanne vergeht, bevor mit geeigneten Mitteln auf eine mögliche Störung reagiert werden kann.At present, changing wastewater compositions are being identified Single parameter measurements carried out, electronically recorded and individually extrapolated. Such measurements are often very lengthy and right to evaluate confusing. The more parameters included in the assessment of wastewater quality the more inaccurate the total becomes in the conventional data comparison result, since constantly changing wastewater compositions make it necessary to adapt individual Complicating parameters to the overall database. Add to that individual Waste water constituents are often difficult to analyze and often only that Interaction of several components to impair cleaning lead process. Furthermore, there is a risk that between the investigation of the Waste water and the issuance of a warning takes too long a time before using appropriate means to respond to a possible disturbance.
Bekannt sind weiterhin biologische Überwachungssysteme, die über Einzelparameter die
Atmungsaktivität von Mikroorganismen in biologischen Medien messen.
Kümmerer, Friedrich
"Betriebsüberwachung der Kläranlage über on-line-BSB-Messungen"
Korrespondenz Abwasser Nr. 7/99, S. 1086-1093Biological monitoring systems are also known which measure the breathability of microorganisms in biological media via individual parameters.
Kümmerer, Friedrich
"Operation monitoring of the sewage treatment plant using on-line BOD measurements"
Correspondence sewage No. 7/99, pp. 1086-1093
Das dargestellte Verfahren beruht ausschließlich auf der Sauerstoffzehrungsmessung.
Eine Auswertung der Resultate auf Basis neuronaler Netze findet nicht statt. Ferner sind
die hier verwendeten Mengenverhältnisse von eingesetztem Belebtschlamm und
Abwasser unvorteilhaft für die Bewertung.
Guhl; Gode; Peter
"Störungen der Funktion biologischer Kläranlagen durch Chemikalien"
Vergleich der Grenzkonzentration mit Ergebnissen im Sauerstoffzehrungstest; Vom
Wasser, 72 165-173The method shown is based exclusively on the oxygen consumption measurement. The results are not evaluated on the basis of neural networks. Furthermore, the proportions of activated sludge and waste water used here are disadvantageous for the evaluation.
Guhl; Gode; Peter
"Malfunctions of biological sewage treatment plants caused by chemicals"
Comparison of the limit concentration with results in the oxygen depletion test; From the water, 72 165-173
Das dargestellte Verfahren beruht ausschließlich auf der Sauerstoffzehrungsmessung. Eine Auswertung der Resultate auf der Basis von neuronalen Netzen erfolgt nicht. The method shown is based exclusively on the oxygen consumption measurement. The results are not evaluated on the basis of neural networks.
Grundsätzlich wird in dieser Arbeit lediglich ein Vergleich der Grenzwerte von
Laborkläranlagen in Anwesenheit als toxisch vermuteter Stoffe mit einem einfacheren
Sauerstoffzehrungstest durchgeführt. Eine Prognose der Toxizität mit Ausgabe einer
Warmmeldung war nicht Ziel dieser Untersuchung. Die Übertragbarkeit der erzielten
Ergebnisse auf eine reale Kläranlage wird dabei auch in Frage gestellt.
Pilz, Ulrich
"Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Nitrifikanten - Toxizität"
DE 196 40 334 A,Basically, this work only compares the limits of laboratory wastewater treatment plants in the presence of substances suspected of being toxic with a simpler oxygen depletion test. A forecast of the toxicity with the issue of a warm message was not the aim of this investigation. The transferability of the results obtained to a real wastewater treatment plant is also questioned.
Pilz, Ulrich
"Method and device for the determination of the nitrificants - toxicity"
DE 196 40 334 A,
Das in der Abhandlung dargestellte Verfahren beruht ausschließlich auf Untersuchungen toxischer Auswirkungen auf Nitrifikanten. Diese Organismengruppe stellt aber lediglich einen kleinen Teil der am CSB-Abbau beteiligten Mikroorganismen dar, gibt aber keinen Überblick über den Gesamtvorgang während des Reinigungsprozesses. Eine Auswertung der Grundlagen größerer Übersichten von Messwerten ist nicht erkennbar.The procedure described in the paper is based solely on investigations toxic effects on nitrifying bacteria. This group of organisms only represents represent a small part of the microorganisms involved in COD degradation, but there are none Overview of the entire process during the cleaning process. An evaluation the basics of larger overviews of measured values are not recognizable.
Zur Feststellung einer möglichen Toxizität wird die Sauerstoffzehrung von Mikroorganismen in Kontakt mit dem zu untersuchenden Abwasser verfolgt. Die Toxizität stellt das Maß der Abnahme der Sauerstoffzehrung dar, bzw. wird die Menge an Frischwasser angegeben, die zum Messsystem zugeführt werden muß, um die Atmungshemmung aufzuheben. In Gegenwart von Giftstoffen kann die Atmungsaktivität deutlich herabgesetzt sein. Sie hängt jedoch nicht nur von Hemmstoffen ab, sondern auch von den Umgebungsbedingungen, wie Temperatur, Salzgehalt, pH-Wert, Konzentration an Nährstoffen, Konzentration der Mikroorganismen und Feststoffgehalt, so dass häufig eine falsche Schlußfolgerung aus einer verschlechterten Atmungsaktivität gezogen wird. Ein geringer Substratgehalt bewirkt beispielsweise nur eine geringe Sauerstoffzehrung, d. h., die gemessene Veränderung der Atmungsaktivität ist sehr klein. Daraus ist jedoch nicht erkennbar, inwiefern toxische Stoffe auf das Gesamtsystem eingewirkt haben. Zur Feststellung der Toxizität von Abwässern sind folgende Toxizitätsmonitore bekannt:To determine a possible toxicity, the oxygen consumption of Microorganisms in contact with the wastewater to be investigated. The Toxicity is the measure of the decrease in oxygen consumption, or is the amount Fresh water specified, which must be supplied to the measuring system in order to Remove breathing inhibition. In the presence of toxins, breathability can decrease be significantly reduced. However, it depends not only on inhibitors, but also of the environmental conditions, such as temperature, salinity, pH, concentration in nutrients, concentration of microorganisms and solids content, so that often a wrong conclusion is drawn from poor breathability. A low substrate content, for example, causes only a low oxygen consumption, d. that is, the measured change in breathability is very small. But that's from it not recognizable to what extent toxic substances have affected the entire system. The following toxicity monitors are known to determine the toxicity of waste water:
TOXalarm pro, Fa. LAR Analytik und Umweltmesstechnik Berlin
STIPTox adapt, Fa. Stip GmbH, Groß Ulmstadt
RODtox, Fa. UPM Umwelt Pollution Messtechnik GmbH, Langgöns
TOXalarm pro, LAR Analytik und Umweltmesstechnik Berlin
STIPTox adapt, Stip GmbH, Groß Ulmstadt
RODtox, UPM Umwelt Pollution Messtechnik GmbH, Langgöns
Aus dieser Übersicht wird deutlich, dass alle hier dargestellten Produkte von einer konstanten Sauerstoffzehrung ausgehen, bei deren Unterschreitung eine Toxizitätswarnung ausgegeben wird. Die realen Abwassereigenschaften werden dabei in keiner Weise berücksichtigt. Dies führt im praktischen Betrieb solcher Anlagen zur häufigen Auslösung von Fehlalarmen.From this overview it is clear that all products shown here are from one constant oxygen consumption, below which a Toxicity warning is issued. The real wastewater properties are in not considered in any way. This leads to the practical operation of such systems frequent triggering of false alarms.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung und Steuerung von Prozeßabläufen für die Bestimmung der Eigenschaften von Abwässern aus industriellen, landwirtschaftlichen oder kommunalen Bereichen zu schaffen, wodurch eine kontinuierliche, flexible und kurzfristige Bewertung der Qualität der Abwässer zuverlässig möglich wird und das Auftreten von Störungen im Prozessverlauf der Anlage äußerst schnell mit Gegenmaßnahmen vermieden werden kann.The invention has for its object a method and an apparatus for Monitoring and control of process flows for the determination of the properties of wastewater from industrial, agricultural or municipal areas create a continuous, flexible and short-term quality assessment the waste water is reliably possible and the occurrence of faults in the Process flow of the system can be avoided extremely quickly with countermeasures.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mit einem Verfahren zur Überwachung und Einflussnahme auf Prozeßabläufe biologischer Kläranlagen und Klärstufen für die Behandlung von Abwasser und Abwassergemischen sich verändernder Zusammensetzung eine Probemenge des zu überwachenden Abwassers in einem Überwachungsbehälter mit Belebtschlamm und Zehrungssubstrat gemischt wird, zu dieser Mischung Sauerstoff zugeführt und dann in der Mischung ein Parameter als Sauerstoffverbrauch von Mikroorganismen in Abhängigkeit von weiteren Parametern bestimmt und mit einem künstlichen neuronalen Netz ausgewertet wird.According to the invention the object is achieved in that with a method for Monitoring and influencing processes in biological sewage treatment plants and Clarification stages for the treatment of wastewater and wastewater mixtures are changing Composition a sample of the wastewater to be monitored in one Monitoring tank is mixed with activated sludge and growth substrate, to this Mixture supplied oxygen and then in the mixture as a parameter Oxygen consumption of microorganisms depending on other parameters is determined and evaluated with an artificial neural network.
Vorteilhaft ist die Erfindung dadurch ausgebildet, daß vom Zeitpunkt des Erreichens eines Sauerstoffsättigungsgrades, bei dem für die Mikroorganismen eine optimale Sauerstoff zehrung gewährleistet ist, über einen Zeitraum von 5 bis 15 Minuten unterschiedliche Parameter parallel bestimmt werden, die Meßwerte von Meßdatenwandlern in zeitabhängige Datensätze umgewandelt und die Datensätze über elektronische Schnittstellen zu einem Rechner mit neuronalem Netz transferiert werden. Die Datensätze werden von da, unter Berücksichtigung der Erkennung ihrer Eigenschaften, für den Betrieb der Anlage geeignet oder nicht geeignet zu sein, schnell und direkt zu Ausgabewerten verarbeitet. Die ermittelten Ausgabewerte des neuronalen Netzes werden für die Steuerung der Überwachungsvorrichtung der Vorrichtungen für die Abwasser reinigung verwendet.The invention is advantageously embodied in that from the time of reaching a Degree of oxygen saturation, at which an optimal oxygen for the microorganisms consumption is guaranteed to vary over a period of 5 to 15 minutes Parameters are determined in parallel, the measured values from measurement data converters in converted time-dependent records and the records via electronic Interfaces to a computer with a neural network are transferred. The records from there, taking into account the recognition of their properties, for the Operation of the facility to be suitable or not suitable, quickly and directly Output values processed. The determined output values of the neural network are for the control of the monitoring device of the devices for waste water cleaning used.
Ein wesentlicher Inhalt der Erfindung ist, daß das neuronale Netz die ermittelten Datensätze als Eingangsdaten entsprechend ihrer Wichtung berücksichtigt und mathematisch mit einem Schwellwert, der einen Grenzwert für die Annahme des Vorhandenseins von Toxizität oder Nichttoxizität des Abwassers darstellt, vergleicht, wobei aus diesem Vergleich Ausgabewerte generiert werden, mit denen die Überwachungsvorrichtung oder Vorrichtungen vor den Kläranlagen und Klärstufen direkt gesteuert werden und eine Aussage über die Qualität des in die Anlage einzuleitenden Abwassers gegeben ist. Auf diese Weise können komplexe Systeme mit qualitativ unterschiedlichen Parametern, ohne Kenntnis von funktionalen Zusammenhängen, zwischen den Parametern exakt dargestellt werden.An essential content of the invention is that the neural network determined the Data records are considered as input data according to their weighting and mathematically with a threshold that is a threshold for accepting the Represents the presence of toxicity or non-toxicity of the wastewater, whereby from this comparison output values are generated with which the Monitoring device or devices in front of the sewage treatment plants and clarification stages directly can be controlled and a statement about the quality of what is to be introduced into the system Sewage is given. This way, complex systems with qualitative different parameters, without knowledge of functional relationships, between the parameters.
Vorteilhafterweise werden die durch die Bestimmung der Parameter im zu überwachenden Abwasser gewonnen Datensätze mathematisch dahingehend gewichtet, ob sie eine geeignete Größenordnung aufweisen. Ebenso werden meßtechnisch verfälschte Meßwerte oder Meßwerte aus der Bestimmung von Parametern, die sich in der Abwassermischung gegenseitig derart beeinflussen, daß Verfälschungen entstehen, bei der Wichtung berücksichtigt. Im neuronalen Netz wird die Fähigkeit zur Wichtung der Datensätze vor dem eigentlichen Beginn der Überwachungsmessungen mit Meßwerten generiert, die aus Abwässern während des normalen störungsfreien Betriebes gewonnen wurden. Bestehen einzelne Daten die Wichtung nicht, so werden sie vom neuronalen Netz herausgefiltert und im weiteren Verlauf der Berechnungen nicht mehr berücksichtigt. Erfindungsgemäß wird der Schwellwert des neuronalen Netzes mit Datensätzen erstellt, die getrennt aus Abwässern gewonnen wurden. Der Schwellwert stellt damit im Überwachungsverfahren einen Wert dar, bei dessen Unter- und Überschreitung die Normalität des Abwassers als Ausgabewert generiert wird.Advantageously, by determining the parameters in the monitoring wastewater obtained data sets mathematically weighted to whether they are of a suitable size. Likewise, measuring technology falsified measured values or measured values from the determination of parameters that are in the Waste water mixture influence each other in such a way that adulteration occurs weighting. In the neural network the ability to weight the Data records before the actual start of the monitoring measurements with measured values generated from wastewater during normal, trouble-free operation were. If individual data do not exist the weighting, they are from the neural network filtered out and no longer considered in the further course of the calculations. According to the invention, the threshold value of the neural network is created using data records, which were obtained separately from waste water. The threshold thus represents Monitoring method is a value, when falling below or exceeding the Normality of the waste water is generated as an output value.
Es ist für die Erfindung wesentlich, wenn als Parameter unterschiedliche chemische, biologische oder physikalische Meßwerte zeitlich parallel bestimmt werden, wobei es sich vorzugsweise um den Sauerstoffpartialdruck, die Temperatur, die elektrische Leitfähigkeit, die Menge des gelösten organischen Kohlenstoffs, die Trübung, den pH- Wert, das Mischungsverhältnis der Abwasserkontingente zueinander bei Abwässern aus verschiedener Herkunft oder um die Tages- oder Jahreszeit, bei der Abwasserkontingente in eine Kläranlage oder Klärstufe eingeleitet werden, handelt. Die Parameter sind mit geringem technischen Aufwand leicht und schnell bestimmbar. Die einfache und schnelle Bestimmbarkeit der Parameter ist eine wichtige Voraussetzung für möglichst kurze Meßzyklen. Kurze Meßzyklen wiederum sind für den sicheren Betrieb und die Überwachung vor einer Kläranlage erforderlich, damit gegebenenfalls bei ermittelten toxischen Meßwerten genügend Zeit für eine angemessene Steuerung der Kläranlage verbleibt. Die Totzeit zwischen der Untersuchung des Abwassers und der Ausgabe einer Warnung, ob das Abwasser einer Kläranlage zugeführt werden soll, überschreitet einen Zeitraum von 15 Minuten nicht, kann aber bereits nach Sekunden ausgegeben werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, daß Belebtschlamm verwendet wird, der auch für die Reinigungsstufe der jeweiligen biologischen Kläranlage oder Klärstufe eingesetzt wird. Besondere Belebtschlämme für das Überwachungsverfahren sind nicht erforderlich. Im Belebtschlamm befinden sich eine Vielzahl von unterschied lichsten Mikroorganismen, die für die Reinigung der jeweils anfallenden Abwässer geeignet sein müssen. Die in biologischen Kläranlagen und Klärstufen verwendeten Belebtschlämme gewährleisten einen sicheren Verlauf der Parameterbestimmung.It is essential for the invention if different chemical, biological or physical measured values can be determined in parallel at the same time preferably around the oxygen partial pressure, the temperature, the electrical Conductivity, the amount of dissolved organic carbon, the turbidity, the pH Value, the mixing ratio of the wastewater quotas to one another for wastewater of different origins or around the time of day or season, in the case of waste water quotas are introduced into a sewage treatment plant or clarification stage. The parameters are with low technical effort easily and quickly determined. The simple and quick Determinability of the parameters is an important prerequisite for the shortest possible Measuring cycles. Short measuring cycles are in turn for safe operation and Monitoring in front of a wastewater treatment plant is necessary so that, if necessary, toxic measured values enough time for adequate control of the sewage treatment plant remains. The dead time between the waste water analysis and the discharge of a Warning whether the wastewater should be sent to a sewage treatment plant exceeds one Period of 15 minutes is not, but can already be output in seconds. An advantageous embodiment of the invention is that activated sludge is used which is also for the cleaning stage of the respective biological sewage treatment plant or Clarification stage is used. Special activated sludge for the monitoring process are not required. There are a number of differences in the activated sludge most microorganisms for the purification of the waste water must be suitable. The used in biological treatment plants and treatment stages Activated sludges ensure a reliable course of the parameter determination.
Die Mikroorganismen benötigen als Lebensvoraussetzung Sauerstoff, um im Abwasser Inhaltsstoffe abzubauen. Bei dem Abbau der Inhaltsstoffe verbrauchen die Mikro organismen mehr Sauerstoff als ohne Abbau, so daß es zu einer deutlichen Abnahme der Sauerstoffkonzentration im Abwasser kommt. Die Abnahme der Sauerstoffkonzentration in Abhängigkeit von der Zeit ist ein Maß für die Abbauaktivität der Mikroorganismen. Ist die Abbauaktivität der Mikroorganismen gestört, d. h., es werden nur sehr kleine oder keine Verringerungen der Sauerstoffkonzentration im Abwasser gemessen, so können verschiedene Ursachen dafür verantwortlich sein. Die Sauerstoffzehrungsaktivität der Mikroorganismen kann durch toxische Stoffe, durch nicht optimale Lebensbedingungen, wie Temperatur-, pH-Wertabweichungen u. a. oder durch das Vorhandensein einer zu geringen Konzentration von Stoffen, die von Mikroorganismen abgebaut werden können, gehemmt sein.The microorganisms need oxygen to be in the wastewater as a prerequisite for life Break down ingredients. When the ingredients are broken down, the microconsume organisms more oxygen than without degradation, so that there is a significant decrease in the Oxygen concentration in the wastewater comes. The decrease in oxygen concentration depending on the time is a measure of the degradation activity of the microorganisms. Is disrupted the degradation activity of the microorganisms, d. that is, only very small or no reductions in the oxygen concentration measured in the wastewater, so various causes may be responsible. The oxygen depletion activity of the Microorganisms can be caused by toxic substances, by suboptimal living conditions, such as temperature, pH deviations u. a. or by the presence of one too low concentration of substances that can be broken down by microorganisms, be inhibited.
Unmittelbar vor dem Beginn der Parameterbestimmung wird der Mischung aus Abwasser, Belebtschlamm und Zehrungssubstrat erfindungsgemäß Sauerstoff bis zu einem Sättigungsgrad von 50-95% zugeführt. Es ist von besonderem Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung, wenn die Mischung einen Sauerstoffsättigungsgrad von 80 zu Beginn der Meßgrößenbestimmung aufweist, damit die Mikroorganismen am Anfang der Messung über ein optimales Sauerstoffzehrungspotential verfügen. Ein optimales Zehrungspotential gewährleistet gute Lebensbedingungen für die Mikro organismen. Außerdem wird dadurch eine stetige Verfolgung des Parameters Sauerstoff zehrung über einen weiten Meßbereich zur Erzeugung großer Datensätze möglich, bevor die Sauerstoffkonzentration in der Mischung durch Zehrung der Mikroorganismen so gering wird, daß die Sauerstoffkonzentration nicht mehr gemessen werden kann. Der Sauerstoff kann als reines Gas oder gemeinsam mit inerten Gasen der Mischung zugeführt werden.Immediately before the start of parameter determination, the mixture of wastewater, Activated sludge and growth substrate according to the invention oxygen up to one Degree of saturation of 50-95% fed. It is of particular advantage solution according to the invention if the mixture has an oxygen saturation degree of 80 at the beginning of the measurement, so that the microorganisms on Have an optimal oxygen depletion potential at the beginning of the measurement. On Optimal consumption potential ensures good living conditions for the micro organisms. This also means that the parameter oxygen is constantly tracked consumption over a wide measuring range to generate large data sets possible before the oxygen concentration in the mixture by consuming the microorganisms it becomes small that the oxygen concentration can no longer be measured. The Oxygen can be added to the mixture as a pure gas or together with inert gases become.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist, daß der Mischung aus Abwasser und Belebtschlamm ein Zehrungssubstrat, das die Mikroorganismen nicht schädigt, zudosiert wird, das die Mikroorganismen kontinuierlich abbauen können. Das Fehlen von Inhalts- und Schadstoffanteilen im Abwasser bedingt eine geringere Abbauaktivität der Mikroorganismen, gibt jedoch keine Aussage über die Reinigungseigenschaften des Abwassers. Erst die Zugabe des Zehrungssubstrates gewährleistet eine Abbauaktivität der Mikroorganismen auch dann, wenn das Abwasser mit zu geringem Inhalts- und Schadstoffanteil, der eigentlich die Abbauaktivität der Mikroorganismen bestimmt, belastet ist.Another embodiment of the invention is that the mixture of waste water and Activated sludge doses a growth substrate that does not damage the microorganisms that the microorganisms can continuously break down. The lack of content and pollutant levels in the wastewater result in a lower degradation activity of the Microorganisms, however, gives no information about the cleaning properties of the Sewage. Only the addition of the food substrate ensures that the Microorganisms even if the wastewater with insufficient content and Proportion of pollutants that actually determines the degradation activity of the microorganisms, is burdened.
Es ist von Vorteil, wenn als Zehrungssubstrat Nährstoffe verwendet werden, die an Mikroorganismen adaptiert sind, wobei vorzugsweise ein Protein oder Proteingemisch, ein Lipid oder Lipidgemisch oder ein Kohlenhydrat oder Kohlenhydratgemisch verwendet wird. Es ist ein Vorteil bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung, daß die Proteine, Lipide oder Kohlenhydrate jederzeit durch Erwerb zur Verfügung stehen und für eine hohe Zehrungsaktivität der Mikroorganismen gut geeignet sind. Eine jederzeit reproduzierbare und stabile Zehrungsaktivität ist für den Erhalt von gut strukturierten Datensätzen eine wichtige Voraussetzung.It is advantageous if nutrients are used as the growth substrate Microorganisms are adapted, preferably a protein or protein mixture, a lipid or lipid mixture or a carbohydrate or carbohydrate mixture is used becomes. It is an advantage when using the solution according to the invention that the Proteins, lipids or carbohydrates are available at any time through purchase and for a high cultivation activity of the microorganisms are well suited. One at any time Reproducible and stable consumption activity is essential for maintaining well-structured Records an important requirement.
Es ist ein Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass zu Beginn der eigentlichen Sauerstoffzehrungsmessung die relevanten physikalisch-chemischen Parameter des Abwassers im Reaktionsbehälter ermittelt werden. Zusätzlich werden weitere Abwasser kenngrößen, die dem jeweiligen Betreiber zur Verfügung stehen und zur Charak terisierung geeignet sind (Herkunft, Volumenanteile, etc.), mit in den Datensatz übernommen. Weiter wird ein sogenanntes Hintergrundsubstrat zu dem Abwasser- /Biomassegemisch dosiert, um auch bei geringen Substratkonzentrationen (z. B. starke Verdünnung durch Spülwässer o. ä.) die messbare Abnahme der Sauerstoffkonzentration zu sichern. Anderenfalls würde - wie bei Produkten anderer Hersteller bereits mehrfach geschehen - eine Toxizitätswarnung mangels messbarer Sauerstoffzehrung erfolgen. In einer mehrwöchigen Trainingsphase werden bei Normalbetrieb der Kläranlage mehrere tausend Datensätze, d. h. Kombinationen aus Messparametern und der dazugehörigen Sauerstoffzehrung, ermittelt. Daraus werden in einem neuronalen Netz Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften des Abwassers und der Sauerstoffzehrung "gelernt". Nach Abschluss der Trainingsphase kann dann mit hoher Genauigkeit die zu erwartende Sauerstoffzehrung jedes Abwassers - auch bei unterschiedlicher Teilstromzu sammensetzung - prognostiziert werden. Mit diesem Vorgabewert steht für jedes Abwasser- oder Abwassergemisch eine individuelle Kenngröße zur Verfügung, mit deren Hilfe der real gemessene Wert direkt verglichen und exakt bewertet werden kann. Im späteren Routinebetrieb werden die ständig neu anfallenden Messdaten wieder zum Training des neuronalen Netzes herangezogen. Damit entsteht ein selbstlernendes System, das in der Lage ist, sich an Veränderungen der Abwasserzusammensetzung im Laufe der Zeit anzupassen und die Eignung des Abwassers zur Einleitung in die Anlage als Abweichung von dem "normalen" Sollwert stets neu zu definieren.It is an advantage of the method according to the invention that at the beginning of the actual Oxygen consumption measurement the relevant physico-chemical parameters of the Waste water can be determined in the reaction vessel. In addition, more wastewater Characteristics that are available to the respective operator and for character terization (origin, volume shares, etc.) are included in the data record accepted. Furthermore, a so-called background substrate is added to the wastewater / Biomass mixture dosed to ensure that even with low substrate concentrations (e.g. strong Dilution with rinsing water or similar) the measurable decrease in the oxygen concentration to secure. Otherwise, as with products from other manufacturers, this would happen several times happen - there is a toxicity warning due to lack of measurable oxygen consumption. In a training phase lasting several weeks, there will be several during normal operation of the sewage treatment plant thousand records, d. H. Combinations of measurement parameters and the associated one Oxygen consumption, determined. This creates relationships in a neural network "learned" between the properties of wastewater and oxygen depletion. To Completion of the training phase can then be expected with high accuracy Oxygen consumption of every wastewater - even with different partial flows composition - to be predicted. With this default value stands for everyone Wastewater or wastewater mixture an individual parameter available with their With the help of the real measured value, it can be directly compared and precisely evaluated. in the later routine operation, the constantly new measurement data will become Training of the neural network used. This creates a self-learning system which is able to adapt to changes in the wastewater composition in the course of Adjust time and the suitability of the wastewater for discharge into the plant as Always redefine deviation from the "normal" setpoint.
Mit dem Verfahren wird vorteilhaft eine effektive Erkennung der Eignung zur Einleitung in die Anlage erhalten, indem die "Normalität" des Abwassers sicher bestimmt werden kann und die Nichteignung durch das Ausmaß der auffälligen (negativen) Abweichung vom prognostizierten Normalwert, die eine Toxizität als Gefahr vermuten lässt, erkannt wird.With the method, an effective recognition of the suitability for introduction is advantageous get into the plant by safely determining the "normality" of the wastewater can and the unsuitability due to the extent of the conspicuous (negative) deviation from the predicted normal value, which suggests toxicity as a hazard becomes.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Überwachung und Steuerung von Prozeßabläufen vor biologischen Kläranlagen und Klärstufen für die Behandlung von Abwässern unterschiedlicher Zusammensetzung besteht aus einem Überwachungsbehälter zur Aufnahme des Abwassers, des Belebtschlammes, des Zehrungssubstrates und des Sauerstoffs. Für die Dosierung des Abwassers, des Belebtschlammes, des Zehrungssubstrates und des Sauerstoffs sind vor dem Überwachungsbehälter Dosiervorrichtungen angeordnet. Der Überwachungsbehälter verfügt über eine Mischvorrichtung, die nach der Zugabe aller Komponenten in den Behälter diese miteinander vermischt. Weiterhin ist an dem Behälter ein Reinigungsablauf angebracht, durch den nach Beendigung der Messung die verbrauchte Mischung aus dem Überwachungsbehälter entfernt wird.The device according to the invention for carrying out the monitoring method and control of processes before biological treatment plants and treatment stages for the Treatment of waste water of different compositions consists of one Monitoring tank to hold the waste water, the activated sludge, the Depletion substrates and oxygen. For dosing the wastewater, the Activated sludge, the drainage substrate and the oxygen are before the Monitoring container dosing devices arranged. The monitoring tank has a mixing device that after the addition of all components in the Containers mixed together. There is also a cleaning procedure on the container attached, through which the used mixture of the Monitoring container is removed.
Eine sinnvolle Ausbildung erhält die Erfindung dadurch, daß am Überwachungsbehälter mindestens zwei unterschiedliche Meßsonden angeordnet sind, mit denen im Abwasser die unterschiedlichen chemischen, biologischen oder physikalischen Parameter mehrfach gemessen werden können. Für die Korrelation im neuronalen Netz sind mindestens zwei Parameter erforderlich, die in dem zu untersuchenden Mischungssystem eine Wirkung ausüben. Je mehr Parameter gemessen werden, desto mehr Datensätze können für das neuronale Netz zur Verfügung gestellt werden, was den Einfluß von fehlerhaften Daten auf den gesamten Überwachungsprozeß vermindert.The invention receives a meaningful training in that the monitoring container at least two different measuring probes are arranged, with which in the wastewater the different chemical, biological or physical parameters several times can be measured. There are at least two for the correlation in the neural network Parameters required that have an effect in the mixture system to be examined exercise. The more parameters are measured, the more data sets can be used for the neural network are made available, reflecting the influence of incorrect data reduced to the entire monitoring process.
Die Meßsonden sind erfindungsgemäß an Messdatenwandlern angeschlossen, in denen die bei der Parametermessung ermittelten Werte in elektronische Datensätze umgewandelt werden, damit die qualitativ verschiedenen, jedoch zeitlich voneinander abhängigen Datensätze im neuronalen Netz verarbeitet werden können. Die Meßdatenwandler sind zur Übertragung der Datensätze über elektronische Schnittstellen mit dem Rechner verbunden. Der Rechner ist mit einem neuronalen Netz ausgestattet, das aus den Datensätzen Ausgabewerte generiert, die der Steuerung der Überwachungsvorrichtung und der Beurteilung der Abwasserqualität dienen. Der Rechner ist vorteilhafterweise zur Steuerung und mehrfachen Wiederholung der Überwachungsprozesse mit den Meßsonden, der Mischvorrichtung und den Dosiervorrichtungen elektronisch verbunden. According to the invention, the measuring probes are connected to measuring data converters in which the values determined during the parameter measurement are converted into electronic data records so that the qualitatively different, but time-dependent Data records can be processed in the neural network. The measurement data converters are for transferring the data records via electronic interfaces with the computer connected. The computer is equipped with a neural network that consists of the Records output values generated by the control of the monitoring device and serve to assess wastewater quality. The calculator is advantageously used for Control and repeated repetition of the monitoring processes with the Measuring probes, the mixing device and the metering devices electronically connected.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Rechner, in dem aus den Datensätzen mit Hilfe des neuronalen Netzes Ausgabewerte generiert werden, die der Steuerung von Abwasserreinigungsprozesse dienen können, mit den Vorrichtungen der Kläranlage zur Steuerung der Reinigungsprozesse elektronisch verbunden.In a further advantageous embodiment of the invention, the computer in which the datasets are generated with the aid of the neural network, which the Control of wastewater treatment processes can be used with the devices Wastewater treatment plant to control the cleaning processes electronically connected.
Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:The invention will be explained below using an exemplary embodiment. In the associated drawing show:
Fig. 1: Das Schema der Messwerterfassung und -verarbeitung Fig. 1: The diagram of the measurement value acquisition and processing
Fig. 2: Darstellung des Mess- und Auswertungsverfahrens Fig. 2: Representation of the measurement and evaluation process
Fig. 3 Die Lage und Bewertung von Messpunkten im neuronalen Netz Fig. 3 The location and evaluation of measuring points in the neural network
Das Verfahren soll anhand der schematischen Darstellung der Vorrichtung nach Fig. 1 erläutert werden. Abwasser 1, Belebtschlamm 2, Zehrungssubstrat 3 und Sauerstoff 4 befinden sich vor dem Beginn des ersten Zyklus des Überwachungsprozesses in geeigneten Vorratsbehältnissen. Mit Hilfe der Dosiervorrichtungen 12 werden die Komponenten in der Reihenfolge 1, 2 und 3 nacheinander in den Überwachungsbehälter 6 gegeben und mit Hilfe der Mischvorrichtung 7 miteinander vermischt. Unter weiterem Mischen wird Sauerstoff 4 in Form von Luft solange zugeführt, bis ein Sauerstoffsättigungsgrad von 80% in der Mischung erreicht ist. Nach Beendigung der Sauerstoffzufuhr beginnt der Meßzyklus. Es werden mit Hilfe der Messsonden 5 über einen Zeitraum von 10 Minuten die Messgrößen Sauerstoffpartialdruck, Temperatur, elektrische Leitfähigkeit und pH-Wert im Abstand von 15 Sekunden zeitlich parallel bestimmt. Nach Ablauf der Meßwertaufzeichnung wird der Überwachungsbehälter 6 über den Reinigungsablauf 8 entleert und mit neuem Abwasser 1 gespült. Das Spülwasser wird ebenfalls aus dem Überwachungsbehälter 6 entfernt und ein neuer Meßzyklus kann beginnen. Die ermittelten Meßwerte werden an den Messdatenwandler 9 weitergeleitet und in zeitabhängige Datensätze umgewandelt. Die Datensätze werden über die elektronische Schnittstelle 10 an den Rechner 11 übertragen, der über ein künstliches neuronales Netz 18 verfügt, in dem diese zuerst gewichtet, dann miteinander mathematisch in Beziehung gesetzt und mit einem Schwellwert verglichen werden. Der Schwellwert und die Fähigkeit zur Wichtung sind dem neuronalen Netz schon vor Beginn des Überwachungsprozesses mit Datensätze generiert worden, die getrennt aus den bewerteten Abwässern gewonnen wurden. Aus dem Vergleich der verarbeiteten Datensätze mit dem generierten Schwellwert gibt das neuronale Netz eine Ja-/Nein- Entscheidung zur Eignung des Abwassers für eine Einleitung in die Anlage als Signal aus. Das ausgegebene Signal löst in einem mathematischen Programm mit Steuerung 14 der Messsonden 5, der Mischvorrichtung 7 und den Dosiervorrichtungen den Beginn eines neuen Meßzyklus aus, so daß nacheinander mehrere Meßzyklen durchgeführt werden können.The method is to be explained on the basis of the schematic representation of the device according to FIG. 1. Waste water 1 , activated sludge 2 , growth substrate 3 and oxygen 4 are in suitable storage containers before the start of the first cycle of the monitoring process. With the aid of the metering devices 12 , the components are placed in the order 1 , 2 and 3 in succession in the monitoring container 6 and mixed with one another with the aid of the mixing device 7 . With further mixing, oxygen 4 is supplied in the form of air until an oxygen saturation level of 80% is reached in the mixture. After the oxygen supply has ended, the measuring cycle begins. With the aid of the measuring probes 5, the measured variables oxygen partial pressure, temperature, electrical conductivity and pH value are determined in parallel at intervals of 15 seconds over a period of 10 minutes. After the measurement value recording has ended, the monitoring tank 6 is emptied via the cleaning process 8 and rinsed with new wastewater 1 . The rinse water is also removed from the monitoring tank 6 and a new measuring cycle can begin. The measured values determined are forwarded to the measurement data converter 9 and converted into time-dependent data records. The data records are transmitted via the electronic interface 10 to the computer 11 , which has an artificial neural network 18 in which they are first weighted, then mathematically related to one another and compared with a threshold value. The threshold value and the ability for weighting were generated for the neural network before the start of the monitoring process with data records that were obtained separately from the assessed wastewater. By comparing the processed data sets with the generated threshold, the neural network issues a yes / no decision on the suitability of the waste water for discharge into the system as a signal. The output signal triggers the start of a new measuring cycle in a mathematical program with control 14 of the measuring probes 5 , the mixing device 7 and the dosing devices, so that several measuring cycles can be carried out in succession.
Der Verfahrensverlauf gemäß der Erfindung zeigt die Darstellung des Mess- und Auswertungsverfahrens gemäß Fig. 2. In einem Diagramm 15 ist der Sättigungsgrad des Abwassers mit Sauerstoff dargestellt. Nach Erreichen des höchsten Grades der Aufsättigung beginnt die Zehrungsmessung bei ca. 4 Minuten. Dabei werden der pH- Wert, die Leitfähigkeit, die Temperatur und/oder weitere benötigte Kennwerte erfasst und nach Richtungspfeil 16' dem Rechner mit neuronalem Netz zugeleitet. Der Rechner 11 errechnet nach einer Trainingsphase die Prognose zu erwartender Sauerstoffzehrung in Abhängigkeit zu den Abwasserparametern. Zeitgleich in 5 wird im Verlauf der Zehrungs messung im Bereich zwischen 5 und 14 Minuten die Steigung der Sauerstoffzehrungs kurve erfasst und bei 17 einer Vergleichseinheit zugeführt. Im Vergleich wird die Prognose mit der Messung abgeglichen. Bei Überdeckung, also Identität der errechneten Werte der Steigung der Kurve der Sauerstoffzehrung mit den Messwerten, erfolgt eine Zuleitung bei 17" an die Abwasserbehandlungsanlage und bei Nichtübereinstimmung mit der zu erwartenden Sauerstoffzehrung in Abhängigkeit von den Abwasserparametern erfolgt bei 17''' eine Warnung und eine Umleitung des Abwassers aus der normalen Strömungsrichtung.The course of the method according to the invention shows the representation of the measurement and evaluation method according to FIG. 2. The degree of saturation of the waste water with oxygen is shown in a diagram 15 . After reaching the highest degree of saturation, the consumption measurement starts at approx. 4 minutes. The pH value, the conductivity, the temperature and / or other required characteristic values are recorded and sent to the computer with a neural network according to direction arrow 16 '. After a training phase, the computer 11 calculates the forecast of expected oxygen consumption as a function of the wastewater parameters. At the same time in FIG. 5, the slope of the oxygen consumption curve is recorded in the course of the consumption measurement in the range between 5 and 14 minutes and supplied to a comparison unit at 17 . In comparison, the forecast is compared with the measurement. If there is an overlap, i.e. the identity of the calculated values of the slope of the curve of oxygen consumption with the measured values, there is a supply line at 17 "to the wastewater treatment plant and if there is a mismatch with the expected oxygen consumption depending on the wastewater parameters, there is a warning and one at 17 " Waste water is diverted from the normal flow direction.
Fig. 3 stellt in einem dreidimensionalen Koordinatensystem, auf deren Achsen drei ausgewählte Messwerte, des Messzeitpunktes h, der Temperatur T und des pH-Wertes aufgetragen sind, vor. In dem darin eingepassten neuronalen Netz 18, das sinnbildlich wie eine Matrix dargestellt ist, sind Messpunkte 19; 20 eingeordnet. Die Messpunkte 19 sind im Messdurchlauf des Verfahrens nach der Erfindung kontinuierlich bei der Wichtung der Messwerte aufgenommen, im Rechner 11 aufbereitet und in das neuronale Netz 18 übertragen worden. Das neuronale Netz 18 signalisiert, dass die Messpunkte 19 normal und damit das bewertete Abwasser in der Gesamtbewertung seiner Zusammensetzung für eine Einleitung in eine Abwasseranlage geeignet anzunehmen ist. Der Messpunkt 20 ist in seiner Stellung und Analysenbedeutung auffällig. Er 20 hebt sich aus dem durch das neuronale 18 aufgenommenen Band der Matrix von Messpunkten 19 als bisher normal und unauffällig bewertet "auffällig" heraus. Als Signal erscheint das Bewertungsergebnis "nicht normal" und das Abwasser wird bis zum Eintritt des Signals "normal" bei weiteren Messungen nicht in die Abwasseranlage eingeleitet. Erst dann, wenn bei der Bewertung des Abwassers alle Messpunkte im normalen Bereich der aus der Matrix gewichteten Gesamtwerte liegen, wird das Abwasser wieder in die Abwasseranlage eingeleitet. Im Ausführungsbeispiel sind zur besseren Übersichtlichkeit drei Messwerte h, T und pH angenommen worden. Selbstverständlich ist es nach der Erfindung möglich, mehr als drei Messwerte einzusetzen und diese als Messpunkte umgesetzt mit den Erfahrungswerten des neuronalen Netzes 18 abzugleichen. Da das neuronale Netz 18 selbstlernend ist, kann sich bei der fortlaufenden Bewertung der Messwerte im Zeitverlauf der Wert der als "normal" bezeichneten Zusammensetzung des Abwassers verschieben, erreicht aber in keinem Fall die Grenze der allgemeinen Nichtverarbeitbarkeit bei einer Einleitung in die Abwasseranlage. Da ein Abgleichen der Messwerte mit kurzen Zeitimpulsen erfolgt, ist die Kontinuität der Feststellung der Eignung für eine Einleitung des zufließenden Abwassers vor der Abwasseranlage sehr groß. Fig. 3 illustrates in a three dimensional coordinate system selected on the axes of three measurement values of the measurement time point h, the temperature T and the pH are plotted against. In the neural network 18 fitted therein, which is symbolically represented as a matrix, there are measurement points 19 ; 20 classified. The measuring points 19 are recorded continuously during the weighting of the measured values in the measurement run of the method according to the invention, processed in the computer 11 and transferred to the neural network 18 . The neural network 18 signals that the measuring points 19 are normal and thus the assessed wastewater in the overall assessment of its composition is suitable for introduction into a wastewater system. The measuring point 20 is striking in its position and analysis meaning. It 20 stands out from the band of the matrix of measurement points 19 recorded by the neural 18 as "normal" and has so far been assessed as normal and unobtrusive. The evaluation result "abnormal" appears as a signal and the wastewater is not discharged into the wastewater treatment plant until further signals appear. Only when all of the measuring points are within the normal range of the total values weighted from the matrix when the wastewater is assessed is the wastewater reintroduced into the wastewater system. For better clarity, three measured values h, T and pH have been assumed in the exemplary embodiment. Of course, according to the invention it is possible to use more than three measured values and to implement these as measured points and compare them with the empirical values of the neural network 18 . Since the neural network 18 is self-learning, the value of the composition of the wastewater referred to as "normal" can shift during the continuous evaluation of the measured values over time, but in no case reaches the limit of the general non-processability when discharging into the wastewater system. Since the measured values are compared with short time pulses, the continuity of the determination of the suitability for an introduction of the inflowing wastewater in front of the wastewater system is very great.
11
Abwasser
sewage
22nd
Belebtschlamm
Activated sludge
33rd
Zehrungssubstrat
Food substrate
44
Sauerstoff
oxygen
55
Meßsonden
Measuring probes
66
Überwachungsbehälter
Monitoring container
77
Mischvorrichtung
Mixing device
88th
Reinigungsablauf
Cleaning process
99
Messdatenwandler
Measurement data converter
1010th
elektronische Schnittstelle
electronic interface
1111
Rechner mit neuronalem Netz
Computer with a neural network
1212th
Dosiervorrichtungen
Dosing devices
1313
Steuerung der Kläranlage
Control of the wastewater treatment plant
1414
Steuerung der Überwachungsvorrichtung
Control of the monitoring device
1515
Diagramm des Ablaufes der O2-Zehrung
Diagram of the process of the O2 consumption
1616
; ;
1616
'; ';
1616
" Richtungspfeile
"Directional arrows
1717th
; ;
1717th
' Richtungspfeile
'Arrows
1717th
"; ";
1717th
''' Richtungspfeile
'''Directional arrows
1818th
neuronales Netz
neural network
1919th
Messpunkt normal
Measuring point normal
2020th
Messpunkt auffällig
h; T; pH Messwert
Measuring point striking
H; T; pH reading
Claims (15)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE10034645A DE10034645A1 (en) | 1999-07-16 | 2000-07-15 | Monitoring and control process for biological sewage plant, useful for treating sewage of varying composition from industrial, agricultural, biological or communal source, uses neuronal network computer to generate control signals |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19932885 | 1999-07-16 | ||
| DE29912126U DE29912126U1 (en) | 1999-07-16 | 1999-07-16 | Device for wastewater monitoring with neural networks |
| DE10034645A DE10034645A1 (en) | 1999-07-16 | 2000-07-15 | Monitoring and control process for biological sewage plant, useful for treating sewage of varying composition from industrial, agricultural, biological or communal source, uses neuronal network computer to generate control signals |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE10034645A1 true DE10034645A1 (en) | 2001-01-18 |
Family
ID=26054181
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE10034645A Withdrawn DE10034645A1 (en) | 1999-07-16 | 2000-07-15 | Monitoring and control process for biological sewage plant, useful for treating sewage of varying composition from industrial, agricultural, biological or communal source, uses neuronal network computer to generate control signals |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE10034645A1 (en) |
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