Atık su arıtım tesislerinin model öngörmeli kontrolü
Model predictive control of wastewater treatment plants
Yazar: EVRİM AKYÜREK
Danışman: PROF. DR. RIDVAN BERBER
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Aktif çamur sistemi = Activated sludge system ; Aktif çamur süreci = Activated sludge process ; Ardışık kesikli reaktörler = Sequencing batch reactors ; Model öngörümlü denetim = Model predictive control ; Optimizasyon = Optimization ; Süreç kontrol = Process control

Özet:
Çevresel sorunlara olan ilginin artması ile atık su arıtım tesislerinin kontrolü ve uygun işletimi üzerine yapılan çalışmaların önemi de artmıştır. Yüzey sularındaki kirlenmenin denetim altına alınabilmesi büyük oranda atık su arıtım tesislerinin etkin yönetim ve işletimine bağlıdır. Bu çalışma kapsamında farklı aktif çamur modelleri kullanılarak üç farklı inceleme gerçekleştirilmiştir. İlk olarak aktif çamur prosesinde çözünmüş oksijen kontrolü için kontrol stratejileri karşılaştırması yapılmıştır. İkinci kısımda ardışık kesikli reaktörde proses çevrim süresinin optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Son kısımda ise ASM3C modeli kullanılarak konvansiyonel sistemde toplam azot ve çözünmüş oksijen kontrolü yapılmıştır.Aktif çamur prosesi karmaşık, doğrusal olmayan ve çok değişkenli bir yapıya sahiptir ve kontrolü zordur. Atık su arıtma sisteminin iyi bir şekilde denetiminin gerçekleştirilmesi için etkin kontrol stratejileri kullanmak gerekir. Çalışmanın ilk kısmında aktif çamur prosesi kullanılarak altı farklı kontrol stratejisi karşılaştırılmıştır. Bunlar, PID kontrol, Model Öngörmeli Kontrol (MPC), Yapay Sinir Ağı temelli Model Öngörmeli Kontrol (NN-MPC), NARMA-L2 (Nonlinear Autoregressive-Moving Average) kontrol ve SQP (Sequential Quadratic Programming) kontroldür. Kontrol stratejileri set noktasını yakalama zamanı, aşma, IAE (Integral Absolute Error) ve ISE (Integral Square Error) performans kriterleri kullanılarak karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlarda NARMA-L2 ve SQP kontrol stratejilerinin diğerlerine göre daha iyi sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir.Enerji kaynaklarının tükenmesi ve çevresel sorunlara olan ilginin artması ile enerjinin verimli kullanımı ve atık su arıtım tesislerinin daha ekonomik çalıştırılması hem akademik hem de endüstriyel anlamda önem kazanmaktadır. Çalışmanın bu kısmında ardışık kesikli reaktörde (SBR) biyolojik atık su arıtımı için proses çevrim süresinin optimizasyonu gerçekleştirilmiş ve bu sayede toplam havalandırma süresi kısaltılarak enerji tasarrufu sağlanmış ve sistem kapasitesi arttırılmıştır. Sistemin tanımlanmasında Aktif Çamur Modeli (ASM3) ve Takacs çökme hızı modeli kullanılmıştır. Çıkış akışındaki kimyasal oksijen ihtiyacı (COD), askıda katı madde ve çözünmüş oksijen derişimleri sınır koşulları olarak alınmıştır. Optimizasyon problemi SQP algoritması kullanılarak çözülmüş; oksijen kütle aktarım hızı, besleme, havalandırma ve çöktürme süreleri farklı senaryolar kullanılarak elde edilmiştir. Bulunan sonuçlar SBR reaktör kullanılan atık su arıtım tesislerinin işletimi ve işletme maliyetlerinin azaltılması konularında önemli ipuçları vermektedir.Yüksek organik karbon miktarına sahip aşırı çamurun uzaklaştırılması sorunu biyolojik atık su arıtım tesisleri için her geçen gün daha da büyümektedir. Bu nedenle çalışmanın son kısmında ASM3-Karbon ile Takacs çökme hızı modeli konvansiyonel bir aktif çamur prosesinin tanımlanmasında kullanılmış ve atık çamurdaki organik karbon derişimi hal değişkeni olarak elde edilmiştir. Yapılan benzetim çalışmaları sonucunda organik karbon oranının diğer hal değişkenleri ile olan ilişkisi elde edilmiştir. Tanımlanan bu modele MPC ve SQP algoritması uygulanarak çözünmüş oksijen ve toplam azot kontrolü gerçekleştirilmiştir. Kontrol çalışmasının üzerine gelecekte eklenebilecek olan bir optimizasyon algoritması ile giriş atık su değerleri ele alınarak ve atık çamurdaki organik karbon derişimi sınırlama olarak kabul edilip sistemde gerekli olan set noktası belirlenebilir.Anahtar Kelimeler: Aktif Çamur Prosesi, MPC kontrol, NN-MPC kontrol, NARMA-L2 kontrol, SQP (Sequential Quadratic Programming), SBR (Ardışık Kesikli Reaktör), Optimizasyon

Abstract:
Studies mainly involving control and operations of wastewater treatment plant (WWTP) are gaining widespread interest due to increasing concern about environmental issues. Eliminating the pollution of surface waters mainly depends on effective control and operation of WWTPs. Stemming from this need, three simulation studies have been conducted within the context of process systems engineering in WWTPs.Activated sludge process involves complex physical, biological and chemical processes which exhibit non linear behaviour and thus controlling a wastewater treatment plant is a difficult task. In the first section of this study six control strategies; PID control, Model Predictive Control (MPC) with linear model, MPC with non-linear model, Nonlinear Autoregressive-Moving Average (NARMA-L2) control, Neural Network Model Predictive Control (NN-MPC) and optimal control with sequential quadratic programming (SQP) algorithm were comparatively evaluated via simulation of activated sludge wastewater treatment process. Controller performance assessment was based on rise time, overshoot, Integral Absolute Error (IAE) and Integral Square Error (ISE) performance criteria. It was concluded consequently that NARMA-L2 controller and optimal control with SQP would outperform the others in achieving the specified objective.As energy resources diminish and environmental concerns grow, energy efficient and economical operation of WWTPs receive increasing attention from academic as well as industrial standpoint. Optimization of batch cycle time in a sequencing batch reactor (SBR) for biological wastewater treatment process was carried out in the second part of this study in order to shorten the total operation time so that the cost of aeration be decreased and treatment capacity be increased while meeting the effluent discharge regulations. Activated Sludge Model (ASM3) and Takacs settling velocity model were used to describe the process, which involves three major period?s namely feeding, aeration and settling, followed by a withdrawal period. Chemical oxygen demand, suspended solid and dissolved oxygen concentrations in treated wastewater were taken into account as hard constraints in order to achieve the required treatment. Optimization problem was solved by a SQP strategy and optimal values of feeding time, aeration time, settling time, and oxygen mass transfer rate were determined for five different scenarios. The results obtained through simulations indicated that the use of process systems engineering tools such as described can provide very useful hints for considerable savings in operation time and cost of SBRs.High organic carbon content in the waste sludge being removed from the WWTPs gradually becomes a big problem as the amount of sludge accumulates around the treatment plants and regulations on solid disposal get stricter. In the attempt to tackle this problem, a conventional activated sludge system was described with ASM3-Carbon and Takacs settling velocity model in order to find the organic carbon in waste sludge as state variable. Relationship between the organic carbon in the waste sludge and the other parameters were found during the simulations. SQP and MPC algorithm were evaluated via simulation of activated sludge wastewater treatment process for dissolved oxygen and total nitrogen concentrations in the aeration tank. With using these results, in the future a new optimization algorithm can be added to the system in order to find the required set point value which is needed by the system.Key Words: Activated Sludge Process, MPC control, NN-MPC control, NARMA-L2 control, SQP (Sequential Quadratic Programming), SBR (Sequencing Batch Reactor), Optimization