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Die Abwasserbehandlung ist ein komplexes Verfahren aus chemischen, physikalischen, biologischen und thermischen Prozessen, welche alle über teils große Rückflüsse auch starke Rückkopplungseffekte erfahren. Dynamische Prozess-Modelle sind Stand der Technik um Prozesse zu verstehen, zu designen und zu verbessern. Derzeitige Modelle berücksichtigen jedoch keine mechanischen Komponenten oder elektrische Energie was aber für eine Beurteilung der Energieeffizienz oder der technischen Umsetzbarkeit von Verfahren essentiell ist. In dieser Arbeit wird ein ganzheitliches Modell vorgestellt, welches die wichtigsten Zusammenhänge erfasst. Anfänglich werden Energiebilanzen erstellt und damit Energieströme visualisiert.

Danach werden Verbraucher modelliert und mit der Prozessbilanz gekoppelt. Die Kalibrierung erfolgt über Lieferantendaten, Benchmarkstudien und historische Daten welche durch Hilfsmodelle unterstützt werden um die Richtigkeit, Anwenderfreundlichkeit und Flexibilität zu gewährleisten. Im zweiten Teil wurde dieser Modellansatz auf praktische Fragestellungen und innovative Technologien angewandt.

Auf diese Weise konnte die Praxistauglichkeit erprobt werden, wobei auch interessante, neue Zusammenhänge erkannt wurden.

Die integrierten Publikationen umfassen dabei Vorbehandlungsprozesse für anaerobe Stabilisierung, Kohlenstoffumleitung, optimierte Belüftungsregelung und Co-Fermentation. Die energetischen Vorteile der untersuchten Technologien wurden dabei im Rahmen vieler Gigawattstunden bestätigt und deren Begleiteffekte auf die Prozessleistung erfasst.

Wastewater treatment plants are complex systems of biological, physical, chemical and thermal processes with large recycles causing feedback effects. Dynamic process models are state of the art for understanding, designing and improving whole plant processes. Currently, these models do not address electrical or equipment related issues which becomes important when energy demands or feasible control strategies are matter of research. This thesis takes this step by introducing a holistic energy model, covering the most important energy related effects. First, a general energy balance is built on process models to visualize energy streams. Then consumers and energy units are modeled and coupled to recent whole plant models. Calibration is based on manufacturer specific information, benchmark studies and historical data, assisted by tools to ensure valid data, good applicability and flexibility to make use of different sources of information. The second part applies the presented models on real engineering tasks and innovative technologies. This way, the models could prove their value for full-plant process design and revealed interesting relations. The presented studies cover pre-treatment processes for anaerobic digestion, carbon redirection, optimized aeration control and co-digestion. The examined technologies were found to be effective in significantly improving the total energy balance in the range of many gigawatt-hours per year with simultaneously covering all accompanied side effects on process performance.