SIMBA#water

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Release SIMBA# 4.2

Die aktuelle Version 4.2 von SIMBA# bringt viele Verbesserungen in der Nutzerführung und in den numerischen Eigenschaften des Simulationskerns, aber vor allem viele Modellerweiterungen. In den Releasenotes werden die wichtigsten Änderungen aufgelistet. Als Highlight möchten wir hier die Umsetzung des DWA-Themenbandes T4/2016 „Bemessung von Kläranlagen in warmen und kalten Klimazonen“ in dem Planungstool EXPOPLAN hervorheben. Das Tool ist vollständig in SIMBA#4 implementiert und alternativ auch für alle Interessenten über die Webseite „iservice.ifak.eu/expoplan/“ bedienbar. Weitere Neuerungen sind:

  • Digitale Zwillinge: Entwicklung mit der erweiterten MBPC (model based predictive control) Bibliothek, Echtzeitausführung online zur Betriebsunterstützung mit ifakFAST,
  • deutlich verbesserte Dokumentation (Handbücher, Videos, Navigation),
  • Bibliothek zur vereinfachten Stoffstrommodellierung (Nexus),
  • Brauchwasser (Supply-Library), Trinkwassermodelle nach DIN-38404-10:2012-12,
  • Adsorptionsmodelle (Pulveraktivkohle) als 4. Reinigungsstufe.

Dr. Jens Alex im Interview zum Release von SIMBA#4.2 finden Sie auch auf YouTube!


Das Simulationssystem SIMBA# ist eine vielseitig einsetzbare Software für die Modellierung und dynamische Simulation in der Abwassertechnik. Es integriert Belebtschlammmodelle, Belüftungssysteme, Schlammfaulung, Kanalnetze, Fließgewässer und jede Art von Automatisierungslösungen.


Seit den ersten Anfängen im Jahr 1994 begleitet das Simulationswerkzeug SIMBA nunmehr seit 25 Jahren weltweit die Forschung und Anwendung im Bereich der Modellierung und Simulation von Kläranlagen, Kanalnetzen, Fließgewässern und landwirtschaftlichen Biogasanlagen. In den ersten Jahren war SIMBA eine Toolbox zu dem in der Wissenschaft weit verbreiteten Softwarewerkzeug MATLAB/Simulink. Seit 2013 ist SIMBA eine technisch eigenständige Entwicklung und auch bestens für Ingenieuranwendungen geeignet.

Mit den immer steigenden Anforderungen im Bereich der Planung und der Betriebsführung abwassertechnischer Anlagen verfolgt SIMBA das Ziel, klassische Entwurfsmethoden in diesen Bereichen mit dem Werkzeug Simulation zu unterstützen. Für den Bereich Kläranlagen drückt sich dies durch eine enge Verzahnung der Bemessungsvorschrift DWA A131 mit den mathematischen Belebtschlammmodellen ASM3 (Activated Sludge Model No. 3) und ASM3biop sowie den in SIMBA zur Verfügung stehenden Modulen für einzelne Verfahrensschritte (Denitrifikation, Nitrifikation, Nachklärung, etc.) aus. In der aktuellen Version 4.2 wird darüber hinaus insbesondere auch das Zusammenspiel von Verfahrenstechnik mit der maschinentechnischen Ausrüstung (z.B. dem Belüftungssystem) und geplanten automatisierungstechnischen Optionen detailliert abgebildet und damit Optimierungen ermöglicht.

Es erlaubte die integrierte Simulation von Prozessen der Abwasserreinigung mit State-of-the-Art Belebtschlammmodellen oder auch eigenen Modellentwicklungen, der maschinentechnischen Ausrüstung von Kläranlagen (Belüftungssysteme), der Schlammbehandlung und allen denkbaren MSR-Optionen. Es erlaubt auch eine integrierte Simulation der Kläranlage mit den Kanalnetzen und Fließgewässern für eine imissionsbasierte Analyse von Stadtentwässerungssystemen. Auch außerhalb von Stadtentwässerungssystemen ist SIMBA offen und flexibel für viele andere Prozesse verwendbar, zum Beispiel für die Simulation von Biogasanlagen oder von neuartigen Sanitärsystemen von Brauch- und Trinkwassersystemen.

Mit SIMBA lassen sich verschiedenste Anwendungen aus Ingenieurpraxis und aus Forschung und Lehre realisieren. Diese umfassen beispielsweise den Entwurf von Anlagen, Prozessen und Regelungskonzepten, die Optimierung der Verfahrensgestaltung und die Entwicklung von Konzepten zum Energiemanagement von abwassertechnischen Anlagen. Neu ist die Entwicklung modellbasierter Betriebsführungskonzepte (Beobachter, MBPC), die auch in einer Online-Version zusammen mit der Open-Source-Entwicklung ifakFAST zum Betrieb realer Anlagen eingesetzt werden kann.

Anwendungsgebiete

Mit SIMBA# lassen sich Aufgaben in der Ingenieurpraxis und in Forschung und Lehre bearbeiten:

  • Auslegung von Kläranlagen unter Einbeziehung zahlreicher Verfahrensoptionen inklusive Steuerung und Regelung,
  • Optimierung von Verfahrensgestaltung und Betriebsführung existierender Kläranlagen,
  • Analyse von Abflussgeschehen in urbanen Gebieten,
  • Entwicklung und Test von Strategien zur Kanalnetzbewirtschaftung oder Kanalnetzsteuerung,
  • Untersuchungen des Zusammenwirkens von Abwasserabfluss, Abwasserreinigung, Schlammbehandlung und Gewässergüte,
  • Analyse von Prozesswasserbewirtschaftung, Schlammbehandlung und Energieverbrauch,
  • Planung des Einsatzes „Digitaler Zwillinge“,
  • Virtuelle Inbetriebnahme von Automatisierungslösungen.

Modellbibliotheken

Der Aufbau von Simulationsmodellen beruht auf der grafischen Verschaltung von Modell-Blöcken, die jeweils eine Verfahrenskomponente (z.B. Kanalabschnitt, Vorklärung, Belebungsbecken) repräsentieren. Eine zentrale Blockbibliothek bildet den Startpunkt für jedes Simulationsprojekt. Hier finden sich Blöcke, um Abwasser- und Schlammströme zu definieren, zu verteilen und zusammenzuführen. Weiterhin finden sich Absetzbecken und verschiedene Reaktormodelle (Rührkesselreaktor, Batch-Reaktor) zur Abbildung von beliebigen chemischen und biologischen Reinigungsprozessen:

  • Belebungsverfahren der Abwasserreinigung (ASM1, ASM3, ASM3biop, …),
  • Biofilmverfahren der Abwasserreinigung (MBBR, FBBR, MABR, TF, Granula),
  • anaerobe Abbauprozesse (Faulung), Schlammbehandlung,
  • 4. Reinigungsstufe mit PAK,
  • Prozesswasserbehandlung (Anammox),
  • Abwassertransport, Rückhalt und Stoffumwandlung in Kanalnetzen (hydrologisch und/oder SWMM),
  • Wassertransport und Wassergüte in natürlichen Fließgewässern,
  • Steuerungs- und Regelungsfunktionen einschließlich MBPC,
  • Belüftungssysteme,
  • Druck-Rohrleitungen und Pumpen,
  • Trinkwasseranalysen.
Kläranlagen

Für die Simulation von Kläranlagen stehen vielfältige Kombinationen von Transport- und Reaktormodellen und Belebtschlammmodellen zur Verfügung. Unter Transport- und Reaktormodellen werden hier z.B. Modellblöcke zur Beschreibung eines Belebtschlammgemisches in Becken mit intensiver Durchmischung und/oder Belüftung durch Oberflächenbelüfter und Druckbelüftungssystem sowie Vor- und Nachklärbecken verstanden. Beckenkaskaden und Batchreaktoren stehen ebenfalls zur Verfügung. Unabhängig von diesen Reaktormodellen kann gewählt werden, mit welchem sogenannten Belebtschlammmodell der Anwender arbeiten möchte. Ein solches Belebtschlammmodell definiert eine Anzahl von Stoffgruppen von Abwasserinhaltsstoffen und Mikroorganismen sowie eine Anzahl chemischer und biologischer Prozesse, die für die jeweiligen Verfahren als wichtig erachtet werden. Für die Beschreibung des Abbaus organischer Verschmutzungen (CSB) und der Entfernung von Stickstoff (Nitrifikation/ Denitrifikation) stehen z.B. die Standardmodelle ASM1 (Activated Sludge Model No.1) und ASM3 der IWA zu Verfügung. Für Planungen sind das ASM3h und ASM3bioph in Versionen der Hochschulgruppe Simulation verfügbar, die kompatibel zur DWA A131 2016 nutzbar sind.

Modelle können frei mit einem einfach zu bedienenden Editor in Petersen-Matrix Notation editiert bzw. modifiziert werden. Standardmodelle (ASM1, ASM3, ADM1, RWQM1, ...) sind in SIMBA bereits enthalten.

Die folgenden Belebtschlammmodelle sind standardmäßig in SIMBA implementiert:

  • ASM1h – Standardmodell der IWA mit etablierten Modifikationen zur Verbesserung der Anwendbarkeit, Parameter nach HSG Simulation,
  • ASM3h – Version des ASM3 der IWA mit einer Parametrierung entsprechend Vorschlägen der Hochschulgruppe Simulation,
  • ASM3bioph – Das ASM3 der IWA mit einer EAWAG-Erweiterung zur biologischen P-Elimination,
  • ASM_inCTRL – Erweitertes Modell (CSB, Mehrstufige Nitrifikation/Denitrifikation, bioP), bereitgestellt durch die Experten der Firma inCTRL,
  • ASM_XL_lag – Erweitertes Modell (CSB, Mehrstufige Nitrifikation/Denitrifikation, Anammox) als Projektergebnis des Projektes NoNitriNox (BMBF).

Anwender haben die Möglichkeit, Modellblöcke basierend auf eigenen Belebtschlammmodellen zu entwerfen.

Modellblöcke für die Vor- und Nachklärung

Für die Abbildung von Absetzvorgängen in der Vor- und Nachklärung ist eine Palette unterschiedlich komplexer Modelle vorhanden, u.a.:

  • 3-Schichten-Nachklärmodell mit variablen Schlammbett kompatibel zu DWA A131 2016
  • Einfaches Vorklärmodell nach Otterpohl/Freund mit vorgegebener CSB-Elimination als Funktion der Aufenthaltszeit
  • Ideales Absetzbecken (ideale Fest/Flüssig Trennung, kein Speicher)
  • Ideales Absetzbecken mit Speicher (vorgebbare Fest/Flüssig Trennung und einfacher Speicher)
     

Modelle von Belüftungssystemen

Seit der Version 2 sind in SIMBA detaillierte Modelle von Druckluft-Belüftungssystemen enthalten. Die Modellbibliothek beinhaltet Komponenten zur Beschreibung von Gebläsen und Gebläsesteuerungen, Rohrleitungen mit typischen Einbauten, Regelventilen (konventionell und Neuentwicklungen) und Belüfterelementen (Einrichtungen zum feinblasigen Eintrag von Luft in Belebungsbecken), die untereinander oder aber in Verbindung mit einem verfahrenstechnischen Kläranlagenmodell verschaltet werden können. Selbstverständlich kann auch die Funktion der Automatisierungstechnik bis in letzte Detail berücksichtigt werden.

Mit dieser Erweiterung können nun

  • Belüftungssysteme energieeffizienter gestaltet werden,
  • häufige Planungsfehler, die zu ungünstigem Betriebsverhalten führen, vermieden werden,
  • künftig steigende Anforderungen an starke Lastschwankungen bei Extremregenereignissen besser erfüllt werden,
  • Energiebezug flexibler gestaltet werden (Energiemanagement, Teilnahme am Energiemarkt),
  • Planerisch analysiert werden, wie Kläranlagen intelligenter reagieren (Industrie 4.0 Konzepte).

 

Druckverteilung in einem Belüftungsstrang:

 

Kanalnetze

SIMBA# bietet eine hohe Flexibilität bei der Auswahl von Modellierungsansätzen für Kanalnetze:

hydrologisch

  • Vereinfachte, konzeptionelle Modellierung
  • Transportstrecken im Kanalnetz
  • Sonderbauwerke nach DWA-A 128
  • Schmutzfrachtberechnung und Langzeitsimulationen

hydrodynamisch

  • Vollständige Lösung der Saint-Venant-Gleichungen
  • Nahtlose Integration und Erweiterung des Rechenkerns von SWMM5 (siehe www.epa.gov)

Beliebige Kombinationen beider Ansätze

In SIMBA# ist es beispielsweise auch möglich, Teile eines Kanalnetzes hydrodynamisch zu simulieren (z.B. flache Hauptsammler), während für andere Teile desselben Kanalnetzes (z.B. oberhalb liegende Einzugsgebiete) ein schnellerer hydrologischer Ansatz zur Anwendung kommt. Damit kann die Komplexität eines Kanalnetzmodells den individuellen Anforderungen der jeweiligen Aufgabenstellung entsprechend gewählt werden.

Jeder der beiden Ansätze erlaubt darüber hinaus:

  • Gleichmäßige und ungleichmäßige Überregnung
  • Beliebige biochemische Transformationsprozesse im Kanal
  • Einfache und komplexe Steuerungs- und Regelungsalgorithmen
  • Analyse des Steuerungspotenzials nach DWA-M 180

Insgesamt ist mit SIMBA# die nahtlose Integration der Kanalnetzsimulation mit Modellen anderer Teilsysteme (Kläranlage, Gewässer) möglich.

Benutzerfreundliche Ein- und Ausgabe, Animation

  • Die Benutzerein- und –ausgabe, wie z.B. die Systemdefinition, wird graphisch unterstützt
  • Frei konfigurierbare Auswerteroutinen erlauben schnelle und einfache Auswertung in Text- und Bildform: Summeninformationen (Niederschläge, Ablauf- und Überlaufvolumina und –frachten, Speicherauslastungen), Entlastungsdauern und –häufigkeiten
Anaerobe Verfahren

Der Modellierung anaerober Verfahren (anaerobe Abwasserbehandlung, Klärschlammfaulung) wird seit den anhaltenden Forderungen nach energetisch optimalem Betrieb mehr Beachtung geschenkt. Weiter angetrieben wird der Einsatz anaerober Modelle durch die aktuellen Entwicklungen in der Biogasbranche. Die Unterbibliothek Anaerob eignet sich für die Modellierung von Anlagen zur anaeroben Klärschlammfaulung, anaeroben Abwasserbehandlung und anaeroben Vergärung organischer Stoffe.

Dafür enthält die Bibliothek:

  • verschiedene Anaerobmodelle (Siegrist, vereinfachte Ansätze)
  • Vorklärblöcke mit Schlammabzug
  • Blöcke zur maschinellen Eindickung und Entwässerung
  • anaerobe Reaktorblöcke (Überlaufreaktor, Speicher) mit Gasphase
  • Schnittstellenmodelle zur Kopplung mit Belebtschlammmodellen
  • integrierte Modellierung von Abwasserreinigung und Schlammbehandlung

Anaerobmodelle ermöglichen die Prognosen von:

  • CSB-, TS-Abbau
  • Gasproduktion/Gaszusammensetzung (Kohlendioxid, Methan,Wasserstoff)
  • Stickstoffrücklösung
  • organischen Säuren und pH-Wert
Fließgewässer

SIMBA# ermöglicht ebenfalls die Simulation von Abfluss und Wassergüte in Vorflutgewässern. Hierbei können beliebige biochemische Transformationsmodelle verwendet werden. Eine nahtlose Integration mit Kanalnetz- und Kläranlagenmodulen sowie mit Steuerungsalgorithmen ist auch hier möglich.

Abflussberechnung

  • hydrologische Abflussberechnung
  • hydrodynamische Abflussberechnung

Qualitätsmodelle

  • vom Benutzer in beliebiger Komplexität frei definierbar
  • vordefinierte Modelle (z.B. SWQM, RWQM1, Lijklema)

Anwendungen

  • Gewässergütesimulation
  • Analyse von Einleitungen aus Kanalnetz und Kläranlage, einschließlich Auswertung nach dem Leitfaden zum Erkennen ökologisch kritischer Gewässerbelastungen des Landes Hessen (https://umwelt.hessen.de/umwelt-natur/wasser/gewaesserschutz/leitfaden-zum-erkennen-oekologisch-kritischer)
  • integrierte Steuerung
  • sequentielle und parallele integrierte Simulation

Lagrange-Modellierungsansatz

Ein zusätzliches Modul beinhaltet den Lagrange-Modellierungsansatz, der die Modellierung von Transportprozessen ohne Verfälschungen durch numerische Dispersionseffekte ermöglicht. Der Lagrange-Modellierungsansatz basiert auf dem Grundprinzip von sich im Gerinne bewegenden „Wasserpaketen“. Routinen für das Zusammenfassen und Aufteilen dieser konzeptionellen Wasserpakete ermöglichen eine geschwindigkeitsoptimierte Simulation.

Auswertung: BWK-M7, Urban Pollution Management Manual

Neue Auswerteroutinen für die Gewässergütesimulation mit tabellarischer und grafischer Ausgabe:

  • Häufigkeits-Dauer-Grenzwerte für Sauerstoff und Ammonium („Neuner-Matrizen“) nach BWK-M7 und britischem Urban Pollution Management (UPM) Manual
  • frei konfigurierbare textliche und bildliche Ausgabe
  • Plot von Längsprofilen
  • Zeit-Ort-Diagramme -> Alles auf einen Blick!
  • Abfluss und Wasserqualität

 

Zeit-Ort-Diagramm: Gelöster Sauerstoff im Gewässer: Deutlich erkennbar sind die Auswirkungen der Mischwassereinleitung am Ort x=3000 m zur Zeit t=3d auf die Sauerstoffkonzentrationen in den nachliegenden Gewässerabschnitten:
Bewertung von Mischwassereinleitungen auf den Sauerstoffgehalt im Fließgewässer gemäß Wiederkehrhäufigkeit-Einwirkungsdauer-basierter Kriterien des Urban Pollution Management Manuals:

Water-Energy-Food-Nexus

Mit der neuen NEXUS-Bibliothek ermöglicht es Simba#4, Modelle zur gesamthaften Wasserbewirtschaftung (z.B. Wiedernutzung von Regen- und Grauwasser), zu Management von Angebot und Nachfrage sowie zur gesamthaften Berücksichtigung verschiedener Infrastruktursektoren (z B. Wasser, Energie, Nahrung) zu erstellen und deren Ergebnisse übersichtlich als Sankey-Diagramm darzustellen. Auch die Erzeugung sog. Shit-Flow-Diagramme von Sanitärsystemen ist mit Simba#4 leicht möglich.

Einfaches Beispiel: Trinkwasserversorgung zweier Stadtteile; Kopplung mit Energiebedarf:
 
Nexus City: Stoffströme der Infrastruktursektoren Wasser, Abwasser, Energie, Abfall, Nahrung einer Beispielstadt: