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Forschungsprojekt - Detailansicht

Bereich Bau und Umwelt - Fakultät Umweltwissenschaften - Fachrichtung Hydrowissenschaften - Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft - Professur für Siedlungswasserwirtschaft

HORUS – Dynamische Abwassercharakterisierung durch Spektrophotometrie (UV-Vis)
Titel (Englisch)
HORUS - dynamic wastewater characterisation by spetrophotometric methods (UV-Vis)
Kurzbeschreibung (Deutsch)
Spektrale online-Messtechnik hat sich in den vergangenen Jahren für die multiple Informationsgenerierung zur Wasserqualität in Abwassersystemen etabliert. Eine Beschreibung dynamischer Transportprozesse von Abwasserinhaltsstoffen innerhalb der Mischwasserkanalisation erfolgt bislang nur mit hoher Messunsicherheit. Grund hierfür ist die bisher übliche statische Kalibrierung, die wetterbedingt wechselnde Zusammensetzungen nicht berücksichtigt. Innerhalb des Projektes wird deshalb eine dynamische Kalibrierung entwickelt, um eine belastbare Quantifizierung der Abwasserparameter Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) und Trockensubstanz (TS) sowie deren Teil- und Größenfraktionen vornehmen zu können, die auf separaten Kalibrierfunktionen für unterschiedliche Abflussbedingungen basieren. Diese werden an die spezifische Abwasserzusammensetzung bei Trocken-, Regenwetter und der Mischform angepasst und mit einem automatisierten Wechsel zu einer dynamischen Funktion zusammengefasst. Mit der UV-Vis-Spektrophotometrie als Messverfahren können gleichzeitig mehrere Parameter erfasst werden, mit denen ein Modell für die dynamischen Stofftransportprozesse identifiziert werden kann. Ziel des Projektes ist es, mit der Interpretation von spektralen online-Messsignalen das Systemverständnis zu erhöhen, akute Gewässerbelastungen zu identifizieren sowie numerische Modelle und deren Zuverlässigkeit zu verbessern. Zudem wird eine Entscheidungsgrundlage für eine schmutzfrachtbasierte Kanalnetzsteuerung im Regenwetterfall und zur Verfahrensoptimierung von Kläranlagenprozessen geschaffen. Die Untersuchungen dazu umfassen drei Teile:
Im Stadtgebiet Dresden werden Messkampagnen in Mischwasserkanälen mit urbanem Ein-zugsgebiet sowie im Fließgewässer realisiert. Im kontinuierlichen Messbetrieb werden ereignisspezifische Transportphänomene von Schmutzfrachten im Regenwetterlastfall online er-fasst. Gleichzeitig werden Proben gezogen, die im Labor zur Kalibrierung und quantitativen Interpretation der spektralen Signale analysiert werden.
Die Auswertung der spektralen Grundinformation basiert dabei auf Regressionsmodellen, die aus einer Gegenüberstellung uni- und multivariater Ansätze hervorgehen. Für CSB und dessen Fraktionen sowie für TS und Partikelgrößenklassen werden Kalibrierungen für die einzelnen Betriebszustände entwickelt und innerhalb der Messkampagne validiert und verifiziert. Übergangskriterien für das zustands-bedingte Wechseln zwischen den Kalibrierungen werden untersucht und automatisiert.
Mittels numerischer Simulationen soll schließlich das Potenzial der verbesserten Messungen evaluiert werden. Dazu wird ein Kalibrierungsalgorithmus für den dynamischen Abfluss und die damit einhergehenden Stofftransportprozesse entwickelt, der auf die detaillierten In-formationen aus den Messungen eingeht. Mit dem geschaffenen Modell werden schließlich Stofftransportspitzen und akute Gewässerbelastungen untersucht und die Unterschiede zu Aussagen herkömmlicher Modelle analysiert.
Kurzbeschreibung (Englisch)
In recent years, the spectral online measurement approach was increasingly established to generate multiple water quality information on wastewater systems. The description of dynamic transport processes of wastewater constituents in combined sewer systems is up to now based on distinct measurement uncertainty. The reason for this is the common static calibration approach that does not take changing wastewater composition into consideration.
Within the project, a dynamic calibration approach adapting to the weather-related runoff conditions will be developed, in order to enable a robust quantification of the wastewater parameters chemical oxygen demand (COD) and total suspended solids (TSS) as well as their fractions and size class distribution, respectively, under various boundary conditions. The basis of this will be provided by identifying separate calibration functions for different wastewater compositions depending on runoff conditions, i.e. dry- and wet-weather as well as mixed conditions, and by developing an automatic switching function between the calibration functions or by developing a dynamic integrating calibration function. Using the UV-Vis spectrophotometry as a measurement method, several state variables can be detected simultaneously and continuously, which allows to implement a detailed description and modelling of dynamic mass transport processes.
In the city of Dresden, measurement campaigns will be realized at sites in urban sub-catchments with combined sewer systems as well as in rivers receiving combined sewer overflows. Event-specific compounds transport phenomena will be recorded online and continuously with spectrophotometers. During the events, samples will be collected intensely and analyzed in the laboratory for calibration and quantitative interpretation of the spectral signals.
The analysis of detailed and well-resolved spectral information is based on regression models, which are extracted from a comparative evaluation of uni- and multivariate approaches. For COD and its fractionation as well as for TSS and particle size classes, calibration functions will be developed for various operation conditions and validated and verified with the measurement campaigns. Criteria for switching between the various condition-based calibration functions will be evaluated and automated using the spectral online signals.
By means of numerical simulation, the potential of the improved measurements shall be evaluated. For that, an adequate calibration algorithm considering the dynamics of flow and mass transport processes will be developed, which reflects the high temporal resolution of measurement-based information. The created model will finally be used to investigate first-flush induced compounds load peaks and resulting acute receiving water impacts as well as to evaluate the improvements of the outcomes as compared to those produced with conventional modelling.
Bild zum Projekt
Bild zum Projekt
Online Messtechnik für den in situ Einsatz in Kanalisation und Fließgewässer; rechts: spectro::lyser der Firma s::can zur multiplen Erfassung von Wasserqualitätsparametern (Bild links: Lohse, 2014)
Zeitraum
01.05.2016 - 30.04.2019
Art der Finanzierung
Drittmittel
Projektleiter
  • Herr Prof. Dr. sc. techn. Peter Krebs
Projektmitarbeiter
  • Herr Dipl.-Ing. Steffen Weber
Finanzierungseinrichtungen
  • DFG
Kooperationspartnerschaft
keine
Website zum Projekt
Relevant für den Umweltschutz
Ja
Relevant für Multimedia
Nein
Relevant für den Technologietransfer
Ja
Schlagwörter
UV-Vis Spektrophotometrie, Kalibrierung, Messunsicherheit, Mischwasserkanal, "first flush", Regression, Fraktionierung, CSB, TS, Partikelgrößenverteilung, Modellierung
Berichtsjahr
2016
Stand: 19.02.2016