15. Abwasserbilanz Bran‐ denburg, 12.12.2011 15. Abwasserbilanz Brandenburg Globale Anforderungen‐ Regionale Antworten Globale Anforderungen Regionale Antworten Wildau, 12. Dezember 2011 Gerüche in der Umwelt lk i h N G h – elektronische Nasen zur Geruchsmessung – Franz‐Bernd Frechen , Universität Kassel Sprecher, VDI‐AG 3885/1 „Messung des Geruchs‐Emissions‐ t il Flü i k it “ potenzials von Flüssigk eiten“ Obmann, DWA Fachausschuss “Emissionen von Abwasseranlagen” Past Chair, IWA Specialist Group “Odour and Volatile Emissions” und Bundessieger Gesellschaft“ Folie 1 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW) Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechen „Gesellschaft
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Gerüche in der Umweltl k i h N G h– elektronische Nasen zur Geruchsmessung –
Franz‐Bernd Frechen, Universität KasselSprecher, VDI‐AG 3885/1 „Messung des Geruchs‐Emissions‐
t i l Flü i k it “potenzials von Flüssigkeiten“Obmann, DWA Fachausschuss “Emissionen von Abwasseranlagen”Past Chair, IWA Specialist Group “Odour and Volatile Emissions” und Bundessieger
M G h Messung von Geruch Flüssigkeiten als originäre Quelle von Gerüchen Wie misst man Geruch in Flüssigkeiten? Olfaktometrisch messen oder mit elektronischen Nasen – Olfaktometrisch messen oder mit elektronischen Nasen
15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Messung von Gerüchen
Die Geruchsstoffkonzentration cod einer zu untersuchenden Gasprobe entspricht zahlenmäßig dem Verdünnungsverhältnis zwischen geruchsneutraler Luft und der zu untersuchenden gProbeluft, welches notwendig ist, um die Geruchsschwelle zu
erreichenerreichen.
GeruchsschwelleGeruchsschwelle
50 % der Beurteilungen 50 % der Beurteilungenglauten „Geruch“
15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Messung von Luftproben
Geruchsstoffkonzentrationin Geruchseinheiten pro m³ Luft GEE /m³in Geruchseinheiten pro m Luft GEE /mDas Produkt aus Konzentration GEE/m3 und
L ft l t 3/h i t dLuftvolumenstrom m3/h ist der Emissionsmassenstrom GEE /h( )
Luftmessungen
(Eingangsgröße für Ausbreitungsrechnungen)
Luftmessungen zur Beurteilung von Abluft zur Dimensionierung und Beurteilung der Wirksamkeit von zur Dimensionierung und Beurteilung der Wirksamkeit von
Abluftreinigungsverfahren r Erstell ng on Immissionsprognosen zur Erstellung von Immissionsprognosen
15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Reicht es nicht aus, H2S zu messen?
H S i t i i Ab t übli h d b d t d H2S ist ein in Abwassersystemen üblicher und bedeutender Geruchsstoff, der bei Faulvorgängen ohne Sauerstoff entsteht
H2S ist sehr geruchsintensiv: 1 ppm H2S ~ 1.000 GEE/m3
15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Messung von Geruchsstoffen in Flüssigkeiten
GeruchsEmissionsPotenzialin Geruchseinheiten pro m³ Flüssigkeitin Geruchseinheiten pro m Flüssigkeit
GEE/m³Flüssigkeit”Das GeruchsEmissionsPotenzial GEP einer Flüssigkeit ist die Gesamtmenge an in einer Flüssigkeit enthaltenendie Gesamtmenge an in einer Flüssigkeit enthaltenen
Geruchsstoffen, die unter standardisierten Bedingungenaus der Flüssigkeit ausgetrieben werden können ”aus der Flüssigkeit ausgetrieben werden können.”
Charakterisierung von Flüssigkeiten z.B. benötigt zur Beurteilung der Geruchsrelevanz & Identifizierung des Problems zur Einleitbegrenzung von Geruchsstoffen zur Beurteilung der Wirksamkeit der Chemikalienzugabe VDI‐Richtlinie 3885 Blatt 1 „GEP‐Messung“ in Bearbeitung!
15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Ergebnisse von GEP‐Messungen
1 Charakterisierung von Flüssigkeiten bezüglich ihrer1. Charakterisierung von Flüssigkeiten bezüglich ihrer Geruchsrelevanz
2 Charakterisierung von verschiedenen bisher gemessenen2. Charakterisierung von verschiedenen bisher gemessenenindustriellen Abwässern (Grenzwertfestlegung + Überwachung(bald) nach VDI 3885/1 möglich)
Brauerei: bis 3.000.000 GEE/m3Flüssigkeit
(bald) nach VDI 3885/1 möglich)
E/ Flüssigkeit
Chemische Industrie: bis 12.000.000 GEE/m3Flüssigkeit
Papierindustrie: bis 6 000 000 GEE/m3Flü i k i Papierindustrie: bis 6.000.000 GEE/m Flüssigkeit
Gerberei: bis 15.000.000 GEE/m3Flüssigkeit
Fleischindustrie: bis 10 000 000 GE /m3 Fleischindustrie: bis 10.000.000 GEE/m3Flüssigkeit
1 Charakterisierung von Flüssigkeiten bezüglich ihrer1. Charakterisierung von Flüssigkeiten bezüglich ihrer Geruchsrelevanz
2 Charakterisierung von verschiedenen bisher gemessenen2. Charakterisierung von verschiedenen bisher gemessenen industriellen Abwässern (Grenzwertfestlegung + Überwachung (bald) nach VDI 3885/1 möglich)(bald) nach VDI 3885/1 möglich)
3. Identifikation von Problemen: Beispiel Lackierereiabwassereines großen Autowerks (1 800 KFZ/Tag)eines großen Autowerks (1.800 KFZ/Tag)
4. Wirksamkeit von Dosiermaßnahmen im Kanal überprüfenProjekt Köln/Mönchengladbach“ gefördert vomMUNLV NRWProjekt „Köln/Mönchengladbach , gefördert vom MUNLV NRW
5. Auswirkungen von Verfahrensumstellungen überprüfen, z.B. Ableitung in Druckrohr statt FreispiegelleitungAbleitung in Druckrohr‐ statt Freispiegelleitung
6. Abschätzung der Geruchsfreisetzung an Abstürzenl lf d d d lf d d7. Online‐Messung von Sulfid und GEP: der Sulfid‐ und GEP‐Mess‐
schrank SGM zur Prozesskontrolle der Chemikaliendosierung
Freispiegelkanal „emscher:kanal“ (Investitionskosten > 2 Mrd. €, Fertigstellung 2017) 51 km lang, Tiefe bis 40 m 113 Schächte (alle 300 – 600 m), Durchmesser 12 m 1 bzw. 2 Leitungen, max. 2.800 mm Durchmesser Technische Be‐/Entlüftung: Entwurf DMT/ g
Deutsche Montan TechnologieGmbH – Bergbau Service‐Wettertechnikg
15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Benötigte Sensoren die SGM‐Onlinemessung
Fü d S l hid T il d SGM i d i S fü H S b öti t Für den Sulphid‐Teil des SGM wird ein Sensor für H2Sg benötigt (Marktverfügbar)
Für den GEP‐Teil des SGM wird ein Sensor benötigt, welcher fähig ist, online Gerüche zu detektieren (als Ersatz für die Testperson) – eine “elektronische Nase”
Legende: S1…S10 sind die Sensoren des Multisensormessgerätes
15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Messung der olfaktom. Geruchskonz. mit eNasen?
Di f kt N ä i d L di WAHRE G h t ff Die perfekte eNase wäre in der Lage die WAHRE Geruchsstoff‐konzentration zu messen. Dies bedeutet, dass ein mathema‐ti h M d ll i ti ü t l h 4 bi 10 S ttisches Modell existieren müsste, welches 4 bis 10 Sensorwerte in eine Zahl überführt: die WAHRE Geruchsstoffkonzentration
Zur Erstellung dieses Modells müssen parallele Messungen durchgeführt werden: eNase Olfaktometer
Um so mehr parallele Messwerte gesammelt werden (größere mathematische Datenbasis), um so genauer kann das mathematische Modell sein.
15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Probleme und mögliche Fehlerquellen
P b h Probennahme Art der eNase (“batch” Messung oder kontinuierlich) Ort der Probenahme Unterschiedliche Geruchszusammensetzung Ort der Probenahme – Unterschiedliche Geruchszusammensetzung Nicht synchronisierte Uhren der Messgeräte (außer wenn die eNase aus
demselben Probenbeutel beschickt wird, mit dem auch die olfakto‐demselben Probenbeutel beschickt wird, mit dem auch die olfaktometrische Messung durchgeführt wird)
15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Probleme und mögliche Fehlerquellen
Di N lb t Die eNase selbst t90‐Zeit
Keine Informationen von den Herstellern Keine Informationen von den Herstellern t90‐Zeit unterschiedlich von Sensor zu Sensor t90‐Zeit unterscheidet sich je nach Geruchsart90
Einige Sensorsignale konvergieren nicht – und somit existiert keine t90‐Zeit für diese…
15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Probleme und mögliche Fehlerquellen
Di N lb t Die eNase selbst t90‐Zeit Oszillierende Messwerte Mittelwert wird verwendet Oszillierende Messwerte – Mittelwert wird verwendet Liefern 2 eNasen desselben Typs und Alters die selben Messwerte?
15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Probleme und mögliche Fehlerquellen
Di N lb t Die eNase selbst t90‐Zeit Oszillierende Messwerte Mittelwert wird verwendet Oszillierende Messwerte – Mittelwert wird verwendet Liefern 2 eNasen des selben Typs und Alters die selben Messwerte? Alternde Sensoren Alternde Sensoren
15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Probleme und mögliche Fehlerquellen
Di G h t Die Geruchsart Obwohl schon weitreichend in (spezifischen) industriellen Prozessen
eingesetzt haben eNasen nach wie vor Probleme mit sich stark änderndeneingesetzt, haben eNasen nach wie vor Probleme mit sich stark ändernden Geruchszusammensetzungen – wie z.B. bei Abwassergerüchen, aber auch anderen …
M th ti h A t R hd t i t d i hti t Mathematische Auswertung von Rohdaten ist der wichtigste Schritt beim Einsatz von eNasen. Methoden zielen ab auf:Q lifi i (“ l h A t G h i t di “)Qualifizierung (“welche Art von Geruch ist dies“)
M th ti h A t R hd t i t d i hti t Mathematische Auswertung von Rohdaten ist der wichtigste Schritt beim Einsatz von eNasen. Methoden zielen ab auf:Q lifi i (“ l h A t G h i t di “)Qualifizierung (“welche Art von Geruch ist dies“) Mustererkennung mit
M th ti h A t R hd t i t d i hti t Mathematische Auswertung von Rohdaten ist der wichtigste Schritt beim Einsatz von eNasen. Methoden zielen ab auf:Q lifi i (“ l h A t G h i t di “)Qualifizierung (“welche Art von Geruch ist dies“) Mustererkennung mit
Q tifi i (“GE / 3”)Quantifizierung (“GEE/m3”) Partial Least Square PLS Lineare Regression Lineare Regression Nichtlineare Regression Logistische Regression (unter oder über einem gegebenen Wert) Neuronale Netzwerke (in der Lage, fast perfekte Erklärungen zu liefern, aber die
Fähigkeit zur Vorhersage ist essentiell, siehe weiter unten!)
I di P ä i h di Q ifi i In dieser Präsentation geht es um die Quantifizierung
D t hl fü A t Datenauswahl für Auswertung: Je kleiner die mathematische Datenmenge, um so größer ist die Gefahr, ein
deterministisches Modell zu erhalten Im Fall von zehn Sensoren und elfdeterministisches Modell zu erhalten. Im Fall von zehn Sensoren und elf unbekannten Koeffizienten in einem Modell bekommt man immer eine ungefähr 100% korrekte Klassifikation, wenn nur elf oder weniger g , gMessungen ausgewertet werden.
Umfasst beispielsweise ein Datensatz 15 Messungen und hat die eNase 10 Sensoren: Wie wahrscheinlich ist es dann, einen hohen R2 Wert bei Auswertung von 11 12 oder allen 15 Messwerten zu erhalten?Auswertung von 11, 12 oder allen 15 Messwerten zu erhalten?
15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011eNasen: Vorsicht mit Herstellerangaben...
Bei der math Auswertung muss unterschiden werden zwischen: Bei der math. Auswertung muss unterschiden werden zwischen: Erklärung (Möglich in nahezu 99% der Fälle) undVorhersagefähigkeit, ermöglicht durch Datensplittung!Vorhersagefähigkeit, ermöglicht durch Datensplittung!
Falls Hersteller angeben, dass ihre eNase fähig sei, den Geruch mit einem Korrelationkoeffizienten von nahe 1 zu messen so isteinem Korrelationkoeffizienten von nahe 1 zu messen, so ist üblicherweise die Erklärung von geschichtlichen Daten gemeint GEE/m3 gemessen (Olfaktometrie) vs GEE/m3 errechnet (eNase)E/ g ( ) E/ ( )
Es ist kein Hersteller bekannt, der wirklich die Vorhersagefähigkeit testet. Falls doch, so sollte der Hersteller versichern, dass er:testet. Falls doch, so sollte der Hersteller versichern, dass er: die „bootstrap“ Prozedur verwendet: Herleitung des Modells für die
Erklärung basierend auf einen Trainingsdatensatz (i.d.R. 50%) (Diese Erklärung mag durchaus hohen Korrelationskoeffizienten aufweisen) und
dieses Modell auf den restlichen Teil der Daten = Testdatensatz anwendet zur Bestimmung der Vorhersagefähigkeitzur Bestimmung der Vorhersagefähigkeit.
R2 nahe 1 für Vorhersage nicht erreichbar und siehe oben
15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Ein weniger anspruchsvoller Standard führt zu…
F ll d Zi l l di li h di E t h id i t itt l b i Falls das Ziel lediglich die Entscheidung ist, zu ermitteln, ob ein Geruch einen Grenzwert überschreitet oder nicht:
15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Neural Network: prediction from history
U f N l N t k b tili i hi t i d t Usage of an Neural Network by utilizing historic data often done to predict (forecast) stock prices etc. … example : price of Dubai crude oil
15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Neural Network: prediction from history
U f N l N t k b tili i hi t i d t Usage of an Neural Network by utilizing historic data often done to predict (forecast) stock prices etc. … example: price of Dubai crude oil
15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Zusammenfassung (1 von 3)
I Ab b i h k t i tä kt i d Im Abwasserbereich muss konsequenterweise verstärkt in der Flüssigkeit gemessen werden GEP‐Messung nach VDI 3885/1 (i E b it )(in Erarbeitung)
Olfaktometrie ist zeitaufwendig personalaufwendig, daher d teuer und nur offline (“historisch”) möglich
h f h h l k h d Daher ist es verführerisch, Elektronische Nasen zu verwenden, die alle o.a. Nachteile vermeiden
15. Abwasserbilanz Bran‐denburg, 12.12.2011Zusammenfassung (3 von 3)
W i t d it b ht Was ist derzeit zu beachten:Nötig ist eine sorgfältige Vermeidung/Minimierung der möglichen
FehlerquellenFehlerquellen ungelöst erscheint derzeit u.a. das Problem von Sensordrift /
SensoralterunggMathematische Modellvoraussetzungen und Modellemüssen sorgfältig
geprüft werden Eine reine Erklärung reicht nicht aus. Notwendig ist der Beweis der
Prognosetauglichkeit durch Datensplitting (was bisher aber meist – aus l h G ü d hl t l i d)welchen Gründen wohl – unterlassen wird)
Eine Anpassung auf den Einsatzort ist – ob man es wahrhaben will oder nicht – unerlässlich Das ist nicht preiswert entscheidet aber über Nutzennicht unerlässlich. Das ist nicht preiswert, entscheidet aber über Nutzen oder Unsinn (=Geldverschwendung)!