Advanced process control in activated sludge systems

Abstract

In this PhD thesis, advanced process control methods applying in two activated sludge systems were investigated. Both pilot-scale systems were operated under intermittently aerated and fed (IAF) conditions. In the first experimental period, a sedimentation tank was used in order to separate the activated sludge with the supernatant, while in a second experiment period, the settler was replaced with an ultrafiltration membrane module. Biological nitrogen removal was achieved using an alternating anoxic/aerobic cyclic process. For the first time, dynamic control of the nitrification and denitrification phase duration was implemented, depended on the variation of influent ammonium and nitrate nitrogen concentration, respectively, keeping all the other operating parameters at a constant level. The aerobic phase duration was dynamically controlled by in-situ on-line ammonium nitrogen ion selective electrodes (ISE) sensor, while the anoxic phase was dynamically controlled by in-situ on-line nitrate nitrogen ISE sensor. Subsequently, the on-line monitoring of pH profile during the aerobic phase was assessed in order to replace the high-cost NH4+-N sensor with the low-cost pH sensor. Correspondingly, the on-line monitoring of oxidation-reduction potential (ORP) profile during the anoxic phase was investigated in order to replace the high-cost NO3--N sensor with the low-cost ORP sensor. A new control strategy, based on oxygen uptake rate (OUR) determination deriving from dissolved oxygen (DO) concentration profile using an OUR biosensor, was investigated and proposed to supervise dynamically the duration of aeration period. Αir-flow control was achieved in order to save energy by applying a Proportional - Integral (PI) controller based on DO concentration measurement and as a next step, through a cascade control strategy consisted of both a PI-NH4 and a PI-DO controller based on the ammonium-N and DO concentration measurement. The filtration process control was achieved and optimized by on-line transmembrane pressure (TMP) monitoring in the submerged membrane bioreactor (MBR). The effects of critical flux, anoxic phase duration ratio and the biological parameters, such as extracellular polymeric substances (EPS) and soluble microbial products (SMPs) were investigated. Regarding the wastewater reuse, the quality of the MBR effluent characteristics was assessed according to the Greek legislation limits (JMD 145116/2011). The thesis is organized as follows. In Chapter 1, a general overview of the research work is presented. In Chapter 2, an introductive review of literature is described in brief. In Chapter 3, a real-time feedback control strategy is applied by the aid of ammonium-N and nitrate-N sensors in order to supervise and control the biological nitrogen removal processes in an intermittently aerated and fed (IAF) activated sludge (AS) system. In Chapter 4, an external submerged membrane bioreactor configuration and its operation mode are presented. On-line transmembrane pressure (TMP) monitoring and pattern is studied to estimate and control membrane fouling. Fouling prevention methods such as cleaning methods, alternate aeration method, flux operation below critical value etc. are implemented in the MBR system to improve the membrane filtration process, to reclaim the permeate flux and extend the membrane lifespan. Various real-time control strategies are described in this chapter to improve the biological processes performance with final efficient energy use. Assessment of pH and oxidation-reduction potential (ORP) parameters through bending points detection and their first derivatives for achieving real-time, dynamic control of nitrification and denitrification are presented. Development of a PI-DO control strategy and an advanced control strategy through cascade control (including a PI-DO and a PI-NH4 controller) structure are studied to improve the aerobic biological processes. Oxygen uptake rate (OUR) parameter is determined to control the aeration period and two control structures are proposed for their integrating on the control system. MBR system performance included reclamation and reuse aimed urban use is estimated, some disinfection methods (U/V, chlorination) are applied in the effluent stream, whereas E. coli and total coliforms enumerated and NTU value measured in the treated discharge effluent. In Chapter 5, conclusions, the innovation of PhD thesis and several recommendations for future research are given. In Chapter 6, scientific references are presented and at the end of PhD work in Chapter 7, published papers with impact factor, supplementary figures, flowcharts and PLC program codes are given as Appendices.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, διερευνήθηκε η εφαρμογή προχωρημένων τεχνικών ελέγχου των διεργασιών σε συστήματα ενεργού ιλύος. Οι βιολογικές διεργασίες λάμβαναν χώρα μέσα σε μία δεξαμενή υπό συνθήκες διακοπτόμενου αερισμού και περιοδικής, με μιας, τροφοδοσίας. Στην πρώτη περίοδο πειραμάτων, μετά την βιολογική επεξεργασία του υγρού αποβλήτου ακολουθούσε δεξαμενή καθίζησης για το διαχωρισμό της ενεργού ιλύος από το επεξεργασμένο νερό, ενώ στη δεύτερη περίοδο, η δεξαμενή καθίζησης αντικαταστάθηκε από ένα σύστημα μεμβρανών υπερδιήθησης. Κάθε κύκλος λειτουργίας περιλάμβανε την χρονική εναλλαγή μίας αερόβιας φάσης με μία ανοξική για την βιολογική απομάκρυνση του αζώτου. Για πρώτη φορά διερευνήθηκε ο δυναμικός έλεγχος της χρονικής διάρκειας της νιτροποίησης και απονιτροποίησης σε εξάρτιση από την μεταβολή της συγκέντρωσης της εισερχόμενης αμμωνίας και των παραγόμενων νιτρικών, αντίστοιχα, διατηρώντας σταθερές όλες τις άλλες λειτουργικές παραμέτρους. Η χρονική διάρκεια της αερόβιας φάσης ελέγχθηκε δυναμικά με την χρήση ενός σύγχρονου αισθητήρα αμμωνίας επιλεκτικών ηλεκτροδίων ιόντων (ISE NH4+-N sensor), ενώ η ανοξική φάση με τη χρήση ενός αισθητήρα νιτρικών επιλεκτικών ηλεκτροδίου ιόντων (ISE NΟ3--N sensor). Οι αισθητήρες ήταν τοποθετημένοι επι τόπου (in-situ) μέσα στον βιολογικό αντιδραστήρα για τον άμεσο και ενδελεχή έλεγχο των βιολογικών διεργασιών. Ακολούθως, διερευνήθηκε και αξιολογήθηκε η δυνατότητα αντικατάστασης των επιλεκτικών ηλεκτροδίων ιόντων αμμωνιακού και νιτρικού αζώτου με τα χαμηλού κόστους ηλεκτρόδια pH και δυναμικού οξειδοαναγωγής (ORP) για τον έλεγχο της αερόβιας και ανοξικής φάσης, αντίστοιχα. Έτσι, μελετήθηκαν τα on-line προφίλ του pH και ORP και εντοπίστηκαν τα σημεία καμπής τους που σηματοδοτούν το τέλος της αερόβιας και ανοξικής φάσης, αντίστοιχα. Για τον δυναμικό έλεγχο της διάρκειας της αερόβιας φάσης σε εξάρτηση από τη φόρτιση σε οργανικό άνθρακα και αμμωνιακό άζωτο, διερευνήθηκε και προτείνεται για πρώτη φορά στο σύστημα μεμβρανών μία στρατηγική ελέγχου βασισμένη στον υπολογισμό του ρυθμού κατανάλωσης του οξυγόνου (OUR) από το προφίλ μεταβολής του διαλυμένου οξυγόνου, χρησιμοποιώντας έναν βιοαισθητήρα OUR. Με στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας από τον έλεγχο της τροφοδοσίας του αέρα (οξυγόνου), που απαιτείται για τη διενέργεια των βιολογικών διεργασιών, διερευνήθηκε ο έλεγχος της ροής αέρα με την εφαρμογή α) αναλογικού - ολοκληρωτικού ελέγχου (Proportional Integral - ΡΙ) με βάση τη συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου και β) με την εφαρμογή κλιμακωτού ελέγχου που περιλάμβανε την συνδυασμένη διαδοχική χρήση αναλογικού - ολοκληρωτικού ελέγχου (cascade control) με βάση τη συγκέντρωση της αμμωνίας και τη συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου στο ανάμικτο υγρό. Εφαρμόσθηκε και βελτιστοποιήθηκε ο έλεγχος της έμφραξης των πόρων των μεμβρανών του συστήματος υπερδιήθησης με τη βοήθεια της συνεχούς καταγραφής και παρακολούθησης της διαμεμβρανικής πίεσης (TMP), της επίδρασης της κρίσιμης ροής, της διάρκειας της ανοξικής φάσης αλλά και των βιολογικών παραμέτρων, όπως είναι οι εξωκυτταρικές πολυμερείς ουσίες (EPS) και τα διαλυτά μικροβιακά προϊόντα (SMP). Η ποιότητα της εκροής του MBR αξιολογήθηκε σύμφωνα με τα όρια που προβλέπει η ελληνική νομοθεσία (ΚΥΑ 145116/2011), σχετικά με την επαναχρησιμοποίηση των επεξεργασμένων λυμάτων.Η διατριβή οργανώθηκε στα εξής Κεφάλαια. Στο Κεφάλαιο 1 πραγματοποιείται μια γενική επισκόπηση των ερευνητικών εργασιών και αναφέρονται οι στόχοι της εργασίας. Στο Κεφάλαιο 2 ακολουθεί μία βιβλιογραφική ανασκόπηση της διεθνούς βιβλιογραφίας. Στο Κεφάλαιο 3 αναλύεται μια στρατηγική ελέγχου ανάδρασης που εφαρμόζεται δυναμικά με τη χρήση αισθητήρων αμμωνίας και νιτρικών σε ένα σύστημα ενεργού ιλύος, το οποίο λειτουργεί με εναλλασσόμενο αερισμό και περιοδική τροφοδοσία (IAF), προκειμένου να επιβλέπονται και να ελέγχονται οι βιολογικές διεργασίες απομάκρυνσης του αζώτου. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται το προηγμένο σύστημα λειτουργίας των μεμβρανών καθώς και το ολοκληρωμένο σύστημα εποπτείας και ελέγχου που εφαρμόστηκε τόσο για τις βιολογικές διεργασίες απομάκρυνσης των ρύπων όσο και την διεργασία της διήθησης. Περιγράφεται ο έλεγχος της διαμεμβρανικής πίεσης (TMP) για την εκτίμηση των σταδίων έμφραξης της μεμβράνης ώστε να αντιμετωπιστεί πλήρως μέσω συγκεκριμένων μεθόδων πρόληψης και παρεμπόδισης της έμφραξης, όπως είναι διάφοροι μέθοδοι καθαρισμού, το πλεονέκτημα της βιολογικής επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων με εναλλασσόμενο αερισμό και ο προσδιορισμός του ρυθμού ροής (flux) καθώς και η ρύθμιση λειτουργίας κάτω από την εκτιμώμενη κρίσιμη τιμή. Αυτά τα μέτρα εφαρμόστηκαν στο σύστημα MBR με σκοπό να βελτιωθεί η διαδικασία διήθησης, να επανακτηθεί η ροή διηθήματος και να παραταθεί η διάρκεια ζωής της μεμβράνης. Επίσης, στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται οι διάφορες στρατηγικές αυτόματου ελέγχου για τη βελτίωση της απόδοσης των βιολογικών διεργασιών με την αποτελεσματικότερη χρήση της ενέργειας. Σε επόμενο στάδιο, διερευνώνται και αξιολογούνται οι παράμετροι pH και δυναμικού οξειδοαναγωγής (ORP), μέσω του εντοπισμού των σημείων κάμψης και τον υπολογισμό των πρώτων παραγώγων τους, για την εφαρμογή τους στο δυναμικό έλεγχο της νιτροποίησης και απονιτροποίησης. Παρουσιάζεται η ανάπτυξη της στρατηγικής ελέγχου PI-DO και της προηγμένης στρατηγικής του κλιμακωτού ελέγχου (με την συνέργεια ενός ελεγκτή PI-DO και ενός PI-NH4). Προσδιορίστηκε ο ρυθμός κατανάλωσης του διαλυμένου οξυγόνου (OUR) για την βελτίωση του ελέγχου της αερόβιας φάσης και προτείνονται δύο δομές ελέγχου OUR για την ενσωμάτωσή τους στο υφιστάμενο σύστημα ελέγχου. Εκτιμήθηκε η απόδοση του συστήματος MBR με στόχο την επαναχρησιμοποίηση των επεξεργασμένων λυμάτων για αστική χρήση. Δοκιμάστηκαν μέθοδοι απολύμανσης της εκροής με χρήση U/V και χλωρίωση, ενώ μετρήθηκαν οι μικροβιακοί δείκτες E. coli και total coliforms καθώς και η θολερότητα στο διηθημένο υγρό. Στο Κεφάλαιο 5 εξάγονται τα συμπεράσματα και η καινοτομία της διατριβής και προτείνονται θέματα για μελλοντική έρευνα. Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται όλες οι βιβλιογραφικές αναφορές που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διατριβή. Στο Κεφάλαιο 7 γίνεται αναφορά στις δημοσιευμένες εργασίες σε έγκριτα επιστημονικά περιοδικά με δείκτες απήχησης. Τέλος, στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται ως Παράρτημα, συμπληρωματικά σχεδιαγράμματα, εικόνες, διαγράμματα ροής και ένα μέρος από τους κώδικες προγραμματισμού των PLC που πλαισιώνουν την παρούσα διδακτορική διατριβή.