Advanced process control in activated sludge systems
Authors: Αζής Κωνσταντίνος 
Published: September 2021

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.