Field Performance and GPS-X Simulation Fidelity of a Full-Scale Municipal Wastewater Treatment Plant in Jordan: A Case Study of the Irbid Central Wastewater Treatment Plant (Fuara)

Wasser ist das Lebenselixier jeder Stadt, doch das Wasser, das unsere Häuser und Betriebe verlässt, trägt eine schwere Last an Abfällen mit sich. Bevor dieses Abwasser in die Umwelt zurückgeführt oder für die Landwirtschaft wiederverwendet werden kann, muss es eine Kläranlage durchlaufen – eine komplexe Anlage, die darauf ausgelegt ist, schädliche organische Stoffe und Feststoffpartikel zu entfernen. In vielen Teilen der Welt verlassen sich Ingenieure auf hochentwickelte Computerprogramme, um vorherzusagen, wie diese Anlagen reagieren werden, was ihnen hilft zu entscheiden, wann sie die Ausrüstung aufrüsten oder wie sie mit plötzlichen Spitzen des verschmutzten Wassers umgehen sollen. Diese digitalen Modelle fungieren als virtuelle Laboratorien, die es Experten ermöglichen, Veränderungen zu testen, ohne den tatsächlichen Wasserfluss zu gefährden. Damit diese Simulationen jedoch wirklich nützlich sind, müssen sie die Realität mit hoher Präzision widerspiegeln. Wenn ein Computerprogramm vorhersagt, dass eine Anlage das Wasser besser reinigt, als sie es tatsächlich tut, könnten die Folgen Umweltschäden oder die Nichteinhaltung von Sicherheitsstandards sein.

Im Norden Jordaniens, wo Wasser eine knappe und kostbare Ressource ist, dient die zentrale Abwasserbehandlungsanlage von Irbid, lokal bekannt als Fuara, einer großen Bevölkerung, einschließlich der Stadt Irbid und der umliegenden Gemeinden. Diese Anlage, die seit den späten 1980er Jahren in Betrieb ist, nutzt einen Prozess namens Belebtschlammverfahren (Extended Aeration), um Abfälle abzubauen. Bei dieser Methode wird Luft in große Becken gepumpt, um Bakterien dazu anzuregen, organische Schadstoffe zu verzehren, wodurch das schmutzige Wasser effektiv in ein saubereres Abwasser verwandelt wird, das für die Bewässerung genutzt werden kann. Die Anlage arbeitet nach einem nationalen Standard, der strenge Grenzwerte festlegt, wie viel Verschmutzung im Wasser verbleiben darf, bevor es abgelassen wird. Da die Region unter chronischem Wassermangel leidet, ist die Zuverlässigkeit dieser Anlage nicht nur ein lokales Anliegen, sondern eine Frage der nationalen Strategie. Um sicherzustellen, dass die Anlage weiterhin leistungsfähig bleibt, beobachteten Forscher sie kürzlich ein Jahr lang sehr genau und erstellten dann einen digitalen Zwilling der Anlage, um zu sehen, wie gut ein Computer ihre reale Leistung vorhersagen kann.

Die Forscher sammelten während des gesamten Jahres 2022 wöchentlich Wasserproben, die in die Anlage hinein- und aus ihr herausflossen. Sie maßen drei Schlüsselindikatoren der Wasserqualität: die Menge an sauerstoffhungrigem organischem Material, die Gesamtmenge an gelösten und suspendierten Chemikalien sowie die Menge an schwebenden Feststoffpartikeln im Wasser. Die Ergebnisse zeigten, dass die physische Anlage eine hervorragende Arbeit leistete. Im Laufe des Jahres entfernte die Anlage erfolgreich mehr als 97 Prozent der organischen Stoffe und über 96 Prozent der Feststoffpartikel. Das aus der Anlage austretende Wasser erfüllte durchweg die strengen jordanischen Sicherheitsanforderungen, was bewies, dass die physische Infrastruktur wie vorgesehen funktionierte. Das Team nahm dann diese einjährigen Realdaten und speiste sie in eine Computer-Simulationssoftware namens GPS-X ein, ein Werkzeug, das von Ingenieuren weit verbreitet genutzt wird, um Abwasserreinigungsprozesse zu modellieren. Sie passten die Einstellungen im Modell an die tatsächliche Leistung der Anlage an, in der Hoffnung, ein zuverlässiges digitales Abbild zu schaffen, das für die zukünftige Planung genutzt werden kann.

Als die Forscher die Vorhersagen des Computers mit den tatsächlichen Wasserproben verglichen, zeigten die Ergebnisse eine überraschende Diskrepanz in der Genauigkeit. Das Modell war bemerkenswert gut darin, den Abbau organischer Stoffe vorherzusagen, wobei die Abweichung zu den realen Daten lediglich etwa sechs Prozent betrug. Dies deutet darauf hin, dass der Computer verstand, wie die Bakterien den Abfall verzehren. Bei den anderen beiden Messwerten hatte das Modell jedoch erhebliche Schwierigkeiten. Wenn es darum ging, die Konzentrationen von Chemikalien und Feststoffpartikeln im sauberen Wasser vorherzusagen, lag der Computer weit daneben und unterschätzte die Menge der Verunreinigungen um mehr als 40 Prozent bei den Chemikalien und um über 70 Prozent bei den Feststoffen. Vereinfacht gesagt: Das digitale Modell glaubte, die Anlage produziere viel saubereres Wasser, als sie es tatsächlich tat. Die Simulation ging davon aus, dass sich die Feststoffe perfekt absetzen, während in der Realität immer noch eine beträchtliche Menge an Schlamm im Endprodukt schwamm.

Diese Diskrepanz verdeutlicht eine kritische Lektion für Ingenieure und Anlagenbetreiber. Die Studie zeigt, dass ein Computermodell so kalibriert werden kann, dass es einen Teil des Prozesses richtig darstellt, ohne den Rest korrekt zu erfassen. Nur weil eine Simulation präzise vorhersagt, wie gut organischer Abfall abgebaut wird, bedeutet das nicht, dass sie auch zuverlässig vorhersagen kann, wie gut Feststoffpartikel entfernt werden. Die Forscher fanden heraus, dass das Unvermögen des Modells, das unordentliche, reale Verhalten der Absetzbecken zu berücksichtigen – wo Faktoren wie Schaumbildung und Schlammtiefe ständig variieren –, zu diesen großen Fehlern führte. Die Studie warnt vor der gängigen Praxis, davon auszugehen, dass ein Modell, das für einen Parameter kalibriert wurde, automatisch auch für alle anderen zuverlässig ist. Bevor solche digitalen Werkzeuge eingesetzt werden, um teure Entscheidungen über die Erweiterung einer Anlage oder die Installation neuer Technologien zu treffen, müssen sie gegen jede einzelne Art von Verunreinigung getestet werden, die sie zu bewältigen vorgibt. Für die Fuara-Anlage und ähnliche Einrichtungen bedeutet dies, dass der Computer zwar ein hilfreicher Wegweiser für das Verständnis biologischer Prozesse ist, man ihm jedoch die Vorhersage des Verhaltens von Feststoffabfällen ohne weitere, spezifische Anpassungen noch nicht vertrauen kann.