Optymalizacja procesów biologicznych w oczyszczalni ścieków typu SBR

Opis

Obiektem zainteresowania niniejszej monografii jest biologiczna, sekwencyjna oczyszczalnia ścieków (sequencing batch reactor, SBR). Jest to złożony system sterowania z powodu nieliniowej dynamiki, niepewności, wielu skal czasu, wielowymiarowości i braku wystarczającej liczby pomiarów.

Warunek konieczny większości procesów biologicznych stanowi dostarczenie bakteriom oczyszczającym ścieki odpowiedniej ilości tlenu za pomocą instalacji napowietrzającej. Napowietrzanie spełnia bardzo ważną rolę w oczyszczalni ścieków. Powietrze dostarczane do oczyszczalni z jednej strony służy jako pokarm dla bakterii oczyszczających ścieki, z drugiej zaś jest pomocne w procesach mieszania ścieków. Koszty napowietrzania są wysokie i stanowią główny składnik kosztów operacyjnych w oczyszczalni ścieków, dlatego bardzo ważne jest ich zmniejszanie, z jednoczesną poprawą jakości oczyszczania ścieków. W zakresie sterowania w praktyce eksploatacyjnej oczyszczalni ścieków w dalszym ciągu stosuje się proste algorytmy sterowania stężeniem tlenu oparte na regułach i regulatorach typu PI ze stałymi wartościami nastaw. Ze względu na złożoność problemu sterowania i różne punkty pracy są one niewystarczające. Wynika to z faktu, że zapotrzebowanie na tlen, a tym samym na ilość powietrza dostarczanego przez instalację napowietrzającą, jest zmienne w czasie.

W monografii zaprojektowano dwa nowoczesne, zaawansowane algorytmy sterowania stężeniem tlenu: adaptacyjnego z nadrzędnym regulatorem regułowym i adaptacyjnego z nadrzędnym regulatorem heurystycznym. Układy regulacji oparto na pomiarach stężenia tlenu, azotu amonowego i azotanów. Następnie zaproponowano i rozwiązano trzy zadania optymalizacji procesów biologicznych. Przeprowadzono analizę symulacyjną efektywności zaproponowanych struktur i algorytmów optymalizacji dla różnych warunków obciążeń oczyszczalni ścieków w Swarzewie. Zaproponowane rozwiązania przyniosły znaczącą poprawę efektywności oczyszczania ścieków, z równoczesną redukcją kosztów operacyjnych pracy tego złożonego systemu przemysłowego.

Spis treści

Wykaz oznaczeń i skrótów / 7

1. Wprowadzenie / 13
1.1. Informacje ogólne / 13
1.2. Aktualny stan wiedzy / 14
1.3. Struktura monografii / 15

2. Obiekty sterowania – SBR i instalacja napowietrzająca / 17
2.1. Wiadomości podstawowe / 17
2.2. Oczyszczalnia sekwencyjna / 18
2.3. Proces napowietrzania / 20
2.4. SBR w Swarzewie / 21
2.5. Instalacja napowietrzająca w Swarzewie / 24
2.6. Sterowanie procesami biologicznymi w SBR w Swarzewie / 27

3. Modele matematyczne obiektów sterowania / 28
3.1. Reaktor SBR / 28
3.2. Instalacja napowietrzająca / 31

4. Adaptacyjny układ regulacji z nadrzędnym regulatorem regułowym / 38
4.1. Projektowanie układu regulacji / 38
4.2. Testy symulacyjne / 43

5. Adaptacyjny układ regulacji z nadrzędnym regulatorem heurystycznym / 62
5.1. Projektowanie układu regulacji / 62
5.2. Testy symulacyjne / 67

6. Optymalizacja procesów biologicznych – propozycja 1 / 74
6.1. Algorytmy ewolucyjne / 76
6.2. Metoda gradientowa / 79
6.3. Wyniki optymalizacji / 79

7. Optymalizacja procesów biologicznych – propozycja 2 / 87
7.1. Algorytm rojowy ABC / 88
7.2. Metoda poszukiwania bezpośredniego / 91
7.3. Wyniki optymalizacji / 91

8. Optymalizacja procesów biologicznych – propozycja 3 / 98
8.1. Modyfikacje układu / 98
8.2. Wyniki optymalizacji / 100

9. Podsumowanie / 106

Bibliografia / 107
Streszczenie w języku polskim / 117
Streszczenie w języku angielskim / 118

Wprowadzenie

1.1. Informacje ogólne

Rozwój cywilizacyjny powoduje wzrost ilości produkowanych przez społeczeństwo ścieków i zanieczyszczeń, które przyjmują różną postać, od stanu gazowego, przez ciekły,po zanieczyszczenia stałe. Równocześnie rośnie świadomość społeczna negatywnego wpływu, jaki wywierają one na środowisko. Przekłada się to na zaostrzanie aktów prawnych regulujących warunki wytwarzania i utylizacji zanieczyszczeń (Council Directive 1991; Framework Directive 2000; Dziennik Ustaw 2001a; Dziennik Ustaw 2001b; Dziennik Ustaw 2005; Dziennik Ustaw 2014).

Oczyszczalnie ścieków to skomplikowane systemy techniczne, w których następują oczyszczanie ścieków i ich transport do odbiornika. Nikogo nie trzeba obecnie przekonywać, że dobrze działające oczyszczalnie ścieków są niezbędne do ochrony zasobów wodnych.

Każda oczyszczalnia ścieków, bez względu na jej rodzaj, posługuje się pozwoleniem wodnoprawnym, które określa dopuszczalne wartości wskaźników zanieczyszczeń dla oczyszczonych ścieków. Ponadto osoby zarządzające oczyszczalniami chciałyby obniżać koszty operacyjne pracy systemu, z których największy wiąże się z instalacją napowietrzającą dostarczającą tlen do oczyszczalni ścieków.
Najlepszy sposób na efektywną i tanią pracę oczyszczalni ścieków to opracowanie i implementacja skutecznych, nowoczesnych algorytmów sterowania i optymalizacji. Zagadnienia te stanowią tematykę niniejszej monografii.

Oczyszczalnie ścieków można podzielić następująco:
• ze względu na rodzaj oczyszczanych ścieków: komunalne i przemysłowe;
• ze względu na rodzaj zachodzących procesów: mechaniczne, biologiczne i chemiczne;
• ze względu na strukturę oczyszczalni: przepływowe i sekwencyjne (sekwencyjny reaktor porcjowy; sequencing batch reactor, SBR).

W monografii rozważaniom poddano komunalną, biologiczną, sekwencyjną oczyszczalnię ścieków z drobnopęcherzykowym napowietrzaniem sprężonym powietrzem.

Procesy w oczyszczalni ścieków odznaczają się dynamiką o różnych stałych czasowych, określanych w różnych jednostkach czasu, od sekund po godziny. Stała czasowa zmian stę żenia tlenu (dissolved oxygen, DO) w SBR wynosi kilkadziesiąt minut, a dynamikę instalacji napowietrzającej, głównie z powodu pracy dmuchaw, należy liczyć w sekundach. W niniej- szym opracowaniu oba te systemy połączono i potraktowano jako jeden.

Procesy biologiczne zachodzące w reaktorze są bardzo złożone, dynamiczne, nieliniowe, cechują się wieloma interakcjami. Mimo to do sterowania stężeniem tlenu implementuje się proste układy regulacji: regułowe lub jednowymiarowe układy regulacji z regulatorem proporcjonalno-całkującym (proportional–integral, PI) ze stałymi wartościami nastaw. Niestety jakość sterowania jest słaba, co powoduje nieefektywne oczyszczanie ścieków i niepotrzebnie zwiększa koszty operacyjne pracy oczyszczalni. Dlatego też w wielu ośrodkach naukowych pracuje się nad nowymi strukturami i algorytmami sterowania procesami biologicznymi w oczyszczalni ścieków. Ponadto trwają prace związane z optymalizacją tych procesów w celu minimalizacji kosztów operacyjnych przy równoczesnym spełnieniu pozwolenia wodnoprawnego. Zagadnienia te omówiono w monografii.

1.2. Aktualny stan wiedzy

Historia projektowania algorytmów regulacji stężenia tlenu jest bardzo długa i sięga lat 80. ubiegłego stulecia (np. Ko i in. 1982; Olsson i in. 1985; Holmberg i in. 1989). Obecnie trwają liczne prace związane z tą tematyką.

W pierwszej kolejności trzeba wspomnieć o różnych układach regulacji podążających za znaną trajektorią zadaną stężenia tlenu (np. Cristea i in. 2011; Kandare i Nevado Reviriego 2011; Piotrowski 2011; Belchior i in. 2012; Han i in. 2012; Dai i in. 2013; Yang i in. 2014; Lin i Luo 2015; Piotrowski 2015; Ozturk i in. 2016; Piotrowski 2016; Jujun i in. 2017; Du i in. 2018; Santín i Vilanova 2019; Lemita i in. 2020; Li i in. 2020; Piotrowski i in. 2021).

Inne podejście stosuje się pracach, w których oprócz pomiarów DO wykorzystuje się pomiary stężeń azotu amonowego (NH4), azotanów (NO3) i fosforanów (PO4) (np. Guerrero i in. 2011; Vrečko i in. 2011; Åmand i Carlsson, 2012; Piotrowski, 2013; Rieger i in. 2014; Santín i in. 2015; Harja i in. 2016; Caraman i in. 2020).

Kolejnym zagadnieniem, szeroko opisywanym w literaturze, jest problem wyznaczania zadanej trajektorii stężenia tlenu DO zad w zależności od ilości i stopnia zanieczyszczenia ścieków dopływających do oczyszczalni oraz zmiennych warunków biologicznych, jakie w niej panują (np. Houzhao i in. 2013; Santín i in. 2015; Grochowski i Rutkowski 2016; Caraman i in. 2020). Z punktu widzenia sterowania instalacja napowietrzająca traktowana jest w tym wypadku jako układ wykonawczy, który ma tę trajektorię możliwie dokładnie zrealizować.

Wskazane trzy grupy problemów regulacji stężenia tlenu dotyczą zarówno oczyszczalni przepływowych, jak i wsadowych. Dodatkowo w SBR, w przeciwieństwie do oczyszczalni przepływowej, ścieki pozostają zatrzymane w zbiorniku przez ściśle określony czas, który określa technolog lub regulator nadrzędny. Zatem odrębną, czwartą grupę zagadnień naukowych stanowi wyznaczenie zadań dla tego regulatora. Jego podstawową funkcją może być obliczenie czasu trwania cyklu pracy reaktora SBR i kolejnych faz cyklu. W pracy Artan i in. (2002) zadania regulatora nadrzędnego obejmowały wyznaczenie: czasu trwania cyklu pracy reaktora SBR, stosunku czasu trwania fazy beztlenowej do czasu trwania fazy tlenowej, długości trwania faz i sekwencji doboru faz. Należy stwierdzić, że nie istnieje jeden najlepszy scenariusz pracy reaktora SBR w zmiennych warunkach operacyjnych (Traoré i in. 2005).

Ostatnim zagadnieniem jest optymalizacja procesów biologicznych zachodzących w reaktorze. W tym celu potrzebne są, oprócz pomiaru DO, dodatkowe pomiary, np.: pH, potencjału redoks (oxidation reduction potential, ORP) (Pavšelj i in. 2001; Peng i in. 2004; Fan i Xie 2011), wskaźnika szybkości poboru tlenu (oxygen uptake rate, OUR) (Traoré i in. 2005; Lemaire i in. 2008), czasu napowietrzania, kolejności faz (tlenowa/beztlenowa), liczby faz (Vives Fabregas 2004; Ferrari i in. 2010; Bournazou i in. 2013; San Martín i in. 2014; Wu i in. 2015; Flores-Tlacuahuac i Pedraza-Segura 2016). Poszukiwano różnych wielkości/parametrów optymalnych, takich jak: długość trwania faz cyklu pracy reaktora SBR (Pavšelj i in. 2001), długość trwania fazy tlenowej (Traoré i in. 2005; Lemaire i in. 2008), pary sekwencji beztlenowo-tlenowych i tlenowo-beztlenowych (Vives Fabregas 2004), trajektoria oczyszczania, czyli pośrednio czas napowietrzania (Ferrari i in. 2010; Bournazou i in. 2013; San Martín i in. 2014; Flores-Tlacuahuac i Pedraza-Segura 2016), kolejność faz, długość trwania fazy i liczba sekwencji (Ferrari i in. 2010), stosunek ilości pierwszego dolania ścieków do drugiego, stosunek długości trwania pierwszej fazy tlenowej do długości trwania pierwszej fazy beztlenowej, stosunek długości trwania drugiej fazy tlenowej do długości trwania drugiej fazy beztlenowej (Wu i in. 2015). W w pierwszej kolejności (Irizar 2021) obliczono wymiary reaktora SBR, a następnie redukowano koszty operacyjne z wykorzystaniem optymalizacji wielokryterialnej.

W badaniach naukowych instalację napowietrzającą traktuje się jak system statyczny o jednostkowym wzmocnieniu. W rzeczywistości jest to system dynamiczny, nieliniowy i najczęściej hybrydowy (ze względu na postać zmiennych sterujących). Cechy te zostały uwzględnione i zamodelowane w niniejszej monografii.

Podstawowe cele autora obejmują zaprojektowanie i symulacyjną weryfikację nowoczesnych algorytmów sterowania stężeniem tlenu wraz z optymalizacją procesów biologicznych zachodzących w oczyszczalni wsadowej.

1.3. Struktura monografii

Tematyka monografii dotyczy naukowych zainteresowań autora. Część struktur oraz wyników sterowania i optymalizacji opracowano wspólnie ze studentami w ramach prac magisterskich, których autor był promotorem (autor składa serdeczne podziękowania za współpracę). Cząstkowe wyniki badań przedstawiono we wspólnie przygotowanych artykułach (Błaszkiewicz i in. 2014; Hirsch i in. 2015; Hirsch i in. 2016; Piotrowski i in. 2016; Piotrowski i in. 2018; Piotrowski i in. 2019a; Piotrowski i in. 2019b).

Niniejsze opracowanie stanowi zmienioną, uaktualnioną i rozszerzoną wersję monografii pt. Zaawansowane algorytmy sterowania i optymalizacji w biologicznej oczyszczalni ścieków typu wsadowego, która ukazała się w 2018 roku nakładem Wydawnictwa Politechniki Gdańskiej (Piotrowski 2018). Jeden z rozdziałów został usunięty. Zmodyfikowano treści sześciu rozdziałów, bez zmiany wyników przedstawionych w rozdziałach 3–6. Dodano rozdziały 7 i 8. Udział wprowadzonych zmian oszacowano na około 25–30%.
Zaprezentowane w monografii wyniki sterowania i optymalizacji dotyczą struktury biologicznej oczyszczalni ścieków w Swarzewie przed modernizacją.
W rozdziale drugim opisano szczegółowo procesy przebiegające w oczyszczalni ścieków, ze szczególnym uwzględnieniem procesów biologicznych. Następnie omówiono SBR i instalację napowietrzającą pracującą w oczyszczalni ścieków w Swarzewie. Na koniec tego rozdziału scharakteryzowano aktualnie wykorzystywane sterowanie procesami biologicznymi i napowietrzaniem w oczyszczalni ścieków w Swarzewie.
Rozdział trzeci zawiera szczegóły dotyczące modelowania reaktora SBR i instalacji napowietrzającej z oczyszczalni ścieków w Swarzewie.
W kolejnym rozdziale zaproponowano nowy hierarchiczny adaptacyjny układ regulacji stężenia tlenu z nadrzędnym regulatorem regułowym.
W rozdziale piątym zmodyfikowano układ regulacji stężenia tlenu z poprzedniego rozdziału. Ponadto opracowano nowy nadrzędny regulator heurystyczny.
Następne trzy rozdziały pracy stanowią propozycję sformułowania i rozwiązania trzech trudnych, nieliniowych, hybrydowych (ze względu na postać zmiennych decyzyjnych) zadań optymalizacji procesów biologicznych. Przeprowadzono analizę symulacyjną efektywności zaproponowanych struktur i algorytmów optymalizacji dla różnych warunków obciążeń oczyszczalni ścieków w Swarzewie.
Ostatni rozdział monografii jest jej podsumowaniem.