Digitale Modelle für die Zukunft der Abwasserreinigung

Digitale Modelle bilden eine Kläranlage am Computer nach. Betreiber*innen testen damit, was bei Starkregen passiert, ob ein Becken außer Betrieb gehen kann oder ob ein Ausbau nötig ist, ohne den laufenden Betrieb zu stören. Sweco nutzt solche Simulationsmodelle zum Beispiel im Zukunftskonzept für die Kläranlage Setterich des Wasserverbands Eifel-Rur.

Digitalisierung der Wasserwirtschaft: Wie sich Kläranlagen auf eine digitale Zukunft vorbereiten

Die Wasserwirtschaft in Deutschland reagiert seit jeher konservativ auf Veränderungen. Gründe dafür sind unter anderem die stark dezentrale Organisation, der Stellenwert als kritische Infrastruktur (KRITIS) und auch die verhältnismäßig begrenzte Forschungsaktivität. Die meisten Innovationen etablieren sich erst im Laufe von Jahrzehnten. Dem entgegen steht eine sich immer schneller wandelnde Welt, die sich zunehmend auch in den digitalen Raum verschoben hat; ein Trend, der weiterhin anhalten wird. Dies führt zwangsläufig zur Frage wie beides in Einklang gebracht werden kann. Insbesondere Abwasser ist ein wertvolles Medium, welches neben dem Wasser selbst lebenswichtige Nährstoffe wie Phosphor enthält und auch Energie, z.B. in Form von Wärme, transportiert. Wie kann Digitalisierung dabei helfen diese Ressourcen zukünftig effizienter zu nutzen und Kreisläufe wieder zu schließen? Und wie müssen sich Kläranlagen an eine digitale Welt anpassen?

Digitaler Wandel auf Kläranlagen: Von Prozessleitsystemen zur Automatisierung

Ein erster Schritt, um digitale Elemente in das System Kläranlage einzubringen, wurde bereits vollzogen: Fast alle Kläranlagen verfügen mittlerweile über digitale Prozessleitsysteme, mit denen die Anlagen überwacht und teilweise auch gesteuert werden können. Aktuell wird darauf aufbauend an Strategien zur Automatisierung der Anlagen gearbeitet. Beispiele sind die automatische Erkennung betrieblicher Probleme, die Prognostizierung zukünftiger Belastungen oder auch der Einsatz von Robotern an geeigneten Stellen. Die Möglichkeiten sind jedoch immer dadurch begrenzt, dass eine Kläranlage physisch bestehen bleiben muss. Die Notwendigkeit eines unterbrechungsfreien Betriebs erschwert auch Tests und Experimente zu möglichen Optimierungen. Daher wurden digitale Modelle entwickelt, die Kläranlagen in vereinfachter Form abbilden, und in denen die Einschränkungen der physischen Welt wegfallen. Sowohl hydraulische als auch prozesstechnische und energetische Fragestellungen können damit digital untersucht und die Resultate anschließend wieder in die Realität übertragen werden.

Wie funktionieren digitale Modelle auf Kläranlagen?

Einer der bekanntesten Anwendungsfälle für digitale Modelle auf Kläranlagen sind dynamische Simulationsmodelle. Dahinter stecken zumeist mathematische Gleichungen, mit denen die biologischen Reinigungsprozesse abstrahiert werden können. Sobald das Modell an die individuellen Gegebenheiten der jeweiligen Anlage und der zu untersuchenden Fragestellung angepasst und die Plausibilität der Ergebnisse überprüft wurde, ist es einsatzbereit. Nun können Veränderungen ausprobiert und die Auswirkungen evaluiert werden.

• Was passiert z.B. bei Starkregen auf der Kläranlage?
• Bis zu welchen Wassermengen bleibt die Kläranlage funktionsfähig?
• Können einzelne Becken ohne Bedenken außer Betrieb genommen werden?
• Oder ist sogar ein Ausbau nötig, um die Reinigung des Abwassers weiterhin zu gewährleisten?

Wo stößt ein Simulationsmodell an Grenzen?

Wichtig dabei: Ein Modell basiert immer auf dem vorhandenen Wissen und auf den verfügbaren Daten. Besonders bei außergewöhnlichen Ereignissen wie Umweltkatastrophen ist unter Umständen nicht klar, wie sich die Mikroorganismen in einer Kläranlage verhalten werden. Hier gelangt auch ein Modell an seine Grenzen. Daher gilt es vorab immer zu prüfen, ob diese Art der computergestützten Simulation für den konkreten Anwendungsfall infrage kommt. Ist das der Fall und sind die zuvor genannten Voraussetzungen erfüllt, eröffnet sich ein weites Feld, um Lösungen für reale Probleme mittels digitaler Software zu finden.

Ergebnisse aus dem digitalen Modell der Kläranlage Setterich in der Simulationssoftware SIMBA^#. Verglichen werden die Modellergebnisse (Linien) mit den realen Messdaten (Punkte) zur Überprüfung der Modellgüte.

Ein zentrales Element der Konzeptstudie ist die Erstellung eines digitalen Anlagenmodells, die Modellierung des Zulaufs sowie die Simulation des Ist-Zustands der Kläranlage Setterich. Durch den Einsatz digitaler Tools können die Kapazitäten der Anlage effizient untersucht und Optimierungspotenziale identifiziert werden. Dies unterstützt eine nachhaltige Entwicklung der Abwasserbehandlung im Kreis Baesweiler.

Wie machen digitale Modelle Kläranlagen resilienter?

Nachdem ein erster Eindruck entstanden ist, wo und wie Digitalisierung in der Abwasserreinigung eingesetzt werden kann sollen noch einmal die zukünftigen Perspektiven näher beleuchtet werden. Bei welchen Herausforderungen für eine resiliente Wasserinfrastruktur spielen Tools wie dynamische Simulationsmodelle vielleicht sogar eine Schlüsselrolle? Ein erster wichtiger Faktor ist dabei das Alter der Kläranlagen in Deutschland. Wie auch bei Straßen, Brücken und Schienen, besteht in den nächsten Jahren und Jahrzehnten ein hoher Bedarf an Sanierungen oder sogar Neubauten. Digitale Modelle können die Planung dieser Maßnahmen unterstützen, indem deren Effektivität vorab per Software getestet wird. Weiterhin wird auch die Betriebssicherheit der Kläranlagen von zentraler Bedeutung sein, z.B. hinsichtlich sich häufender Naturkatastrophen. Digitale Simulationen helfen dabei, die Auswirkungen solcher Extremereignisse abzuschätzen und geeignete Maßnahmen zu finden, um die Abwasserreinigung auch in diesen Fällen zu gewährleisten. Nicht zuletzt wird vor dem Hintergrund des Klimawandels auch eine Reduktion des Energieverbrauchs angestrebt, denn auch wenn viele größere Kläranlagen sich durch Blockheizkraftwerke bereits heute mit Strom und Energie versorgen können, gibt es ebenso viele kleinere Anlagen, bei denen diese Option wirtschaftlich oder auch platztechnisch nicht infrage kommt. Digitale Modelle können bei der Identifikation und Optimierung von Aggregaten mit hohem Energiebedarf helfen. Daher ist es wichtig, den Einsatz, das Verständnis und die Weiterentwicklung dieser Modelle – bspw. durch künstliche Intelligenz – voranzutreiben und Fachkundige im Umgang damit zu schulen.