Verbeterde O2-regeling van een afvalwaterzuiveringsinstallatie

Er is onderzocht of de O2 regeling van de BIO2000 kon worden verbeterd. Daartoe is eerst onderzocht hoe het voor regelingen essentiële gedrag kon worden gemodelleerd. Er is een veelgebruikt Active Sludge Model (ASM) gevonden in de literatuur, maar dit model bleek niet geschikt: gebleken is dat de O2 concentratie sterk afhankelijk is van de stromingsnelheid in de installatie en dit gedrag maakt geen deel uit van het ASM model. Deze stroomsnelheid wordt in belangrijke mate bepaald door de beluchters. Het proces gedrag (invloed van beluchters op O2) bleek redelijk te kunnen worden benaderd met een eerste orde overdracht in combinatie met een looptijd, waarbij de parameters afhangen van de beluchter-snelheid (dus uitsturing van de O2 regelaar). Gezien de lange looptijd, is gekozen voor een uitbreiding op de PI regelaar welke de looptijd ‘compenseert’. Dankzij deze compensatie kon de PI versterking sterk worden opgevoerd. Testen met de aangepaste regeling op de BIO2000 wijzen op een reductie in variatie van O2 met 80%.

Inleiding

In afvalwaterzuiveringsinstallaties is een nauwkeurige regeling van de O2-niveaus essentieel. Als de O2-niveaus te veel variëren, kunnen de bacteriën in de installatie hun werk niet goed doen, namelijk het omzetten van chemisch afvalmateriaal in nitriet en nitraat.

Modelering

Het meest gebruikte/bnekende model voor afvalwaterzuiveringsinstallaties is het Active Sludge Model (ASM). Hiervan bestaan meerdere veries, welk de meest relevante zuiveringsprocessen modelleren. Voor de zuurfstofconcentratie luidt het model [1,2]:

 V \frac{dO_2}{dt} Q_{in} O_{2,in} - Q_{uit} O_2 + K_a(u) \cdot (O_{2,sat} - O_2 ) - R

Waarbij:

 V = totale volume van het bassin [L]
 O_2 = Concentractie zuurstof [mg/L]
 O_{2,in} = Zuurstofconcentratie in influent [mg/L]
 O_{2,sat} = Verzadigingswaarde zuurstofconcentratie [mg/L]
 K_a = Zuurstof Overdrachts Coefficient [L/s]
 Q_{in}, Q_{uit} = In- en uitstroom van het bassin [L/s]
 R = Zuurstofopname [mg/L/s]

De stromingsverschijnselen bij afvalwaterzuiveringsinstallaties worden meestal niet gemodelleerd. Echter, voor de BIO2000 zijn deze verschijnselen min of meer dominant gebleken, aangezien er een aanzienlijke vertraging is tussen een regelactie en het effect ervan op de O2 – er is een grote ‘dode tijd’ aanwezig. Dit is het gevolg de lange weg die het water af moet leggen voor het bij de locatie van de O2 meting terecht komt. Deze dode tijd is daarom meegemodelleerd in de vorige vergelijking.

Regelaarontwerp

Als gevolg van de relatief lange dode tijd wordt een normale PID regelaar erg beperkt in zijn versterking. Er is een poging gedaan, om deze te verhogen, maar dat leide tot instabiel gedrag.

Smith Predictor

In dit geval ligt een Smith Predictor voor de hand. Het idee achter de Smith Predictor is om de bestaande PID regelaar te behouden, maar in plaats van het PID signaal te ‘voeden’ met de gemeten O2 concentratie, wordt een feedback signaal vanuit een voorspellend model gebruikt. Hierdoor kun je virtueel de sensor locatie verplaatsen, naar een locatie waar er geen dode tijd meer is. Dit zorgt er weer voor dat de versterkingsfactoren van de PID regelaar verhoogd kunnen worden, alsof er geen dode tijd zou zijn.

Implementatie in Allen Bradley

De Smith Predictor is geimplementeerd door Dotx Control Solutions op een Allen Bradley PLC, als een mix van ladder logic en function blocks.

Resultaat

De figuur hieronder toont gemeten resultaten van VOOR (met standaard PID) en NA (met Smith-predictor). Met behulp van de Smith Predictor heeft Dotx Control Solutions de variaties met ongeveer 80% weten te reduceren.



Referenties

[1]: Henze, M., Grady, C. J., Marais, W. G. G. & Matsuo, T. “Activated Sludge Model
No. 1”, IAWPRC Scientific and Technical Report No. 1, London, 1987.
[2]: Qian Chai, “Modeling, estimation, and control of biological wastewater treatment plants”,
Faculty of Technology, Telemark University College, Porsgrunn, Norway, April 5, 2008


nl_NLDutch