Jätevedenpuhdistamojen prosessinohjauksen ja operoinnin kehittäminen data-analytiikan avulla: esimerkkejä teollisuudesta ja kansainvälisiltä puhdistamoilta

Instrumentation, control and automation are central for operation of municipal wastewater treatment plants. Treatment performance can be further improved and secured by processing and analyzing the collected process and equipment data. New challenges from resource efficiency, climate change and aging infrastructure increase the demand for understanding and controlling plant-wide interactions. This study aims to review what needs, barriers, incentives and opportunities Finnish wastewater treatment plants have for developing current process control and operation systems with data analytics. The study is conducted through interviews, thematic analysis and case studies of real-life applications in process industries and international utilities. Results indicate that for many utilities, additional measures for quality assurance of instruments, equipment and controllers are necessary before advanced control strategies can be applied. Readily available data could be used to improve the operational reliability of the process. 14 case studies of advanced data processing, analysis and visualization methods used in Finnish and international wastewater treatment plants as well as Finnish process industries are reviewed. Examples include process optimization and quality assurance solutions that have proven benefits in operational use. Applicability of these solutions for identified development needs is initially evaluated. Some of the examples are estimated to have direct potential for application in Finnish WWTPs. For other case studies, further piloting or research efforts to assess the feasibility and cost-benefits for WWTPs are suggested. As plant operation becomes more centralized and outsourced in the future, need for applying data analytics is expected to increase.Prosessinohjaus- ja automaatiojärjestelmillä on keskeinen rooli modernien jätevedenpuhdistamojen operoinnissa. Prosessi- ja laitetietoa paremmin hyödyntämällä prosessia voidaan ohjata entistä tehokkaammin ja luotettavammin. Kiertotalous, ilmastonmuutos ja infrastruktuurin ikääntyminen korostavat entisestään tarvetta ymmärtää ja ohjata myös eri osaprosessien välisiä vuorovaikutuksia. Tässä työssä tarkastellaan tarpeita, esteitä, kannustimia ja mahdollisuuksia kehittää jätevedenpuhdistamojen ohjausta ja operointia data-analytiikan avulla. Eri sidosryhmien näkemyksiä kartoitetaan haastatteluilla, joiden tuloksia käsitellään temaattisen analyysin kautta. Löydösten perusteella potentiaalisia ratkaisuja kartoitetaan suomalaisten ja kansainvälisten puhdistamojen sekä prosessiteollisuuden jo käyttämistä sovelluksista. Löydökset osoittavat, että monilla puhdistamoilla tarvitaan nykyistä merkittävästi kattavampia menetelmiä instrumentoinnin, laitteiston ja ohjauksen laadunvarmistukseen, ennen kuin edistyneempien prosessinohjausmenetelmien käyttöönotto on mahdollista. Operoinnin toimintavarmuutta ja luotettavuutta voitaisiin kehittää monin tavoin hyödyntämällä jo kerättyä prosessi- ja laitetietoa. Työssä esitellään yhteensä 14 esimerkkiä puhdistamoilla ja prosessiteollisuudessa käytössä olevista prosessinohjaus- ja laadunvarmistusmenetelmistä. Osalla ratkaisuista arvioidaan sellaisenaan olevan laajaa sovelluspotentiaalia suomalaisilla jätevedenpuhdistamoilla. Useiden ratkaisujen käyttöönottoa voitaisiin edistää pilotoinnilla tai jatkotutkimuksella potentiaalisten hyötyjen ja kustannusten arvioimiseksi. Jo kerättyä prosessi- ja laitetietoa hyödyntävien ratkaisujen kysynnän odotetaan tulevaisuudessa lisääntyvän, kun puhdistamojen operointi keskittyy ja paineet kustannus- ja energiatehokkuudelle kasvavat

Data analytics in control and operation of municipal wastewater treatment plants: qualitative analysis of needs and barriers

This study aims to identify barriers and needs for the application of data analytics in municipal wastewater treatment. The study was conducted through a series of interviews with stakeholders involved in instrumentation, control, and automation of wastewater treatment plants. Opportunities and limitations observed by different stakeholders were assessed with a thematic analysis. Thematic analysis enabled a broader consideration of social and organizational aspects related to process control, operation, and maintenance. Identified key barriers for applying data analytics included laborious instrumentation maintenance, unstable control loops, and deficient customization of digital tools for users at wastewater treatment plants. Development needs include easier data processing tools, quality assurance of instrumentation, and controller tuning. Results indicate that the perceived potential of data analytics is highly dependent on the performance of underlying physical and digital systems, as well as the control strategies and operating environment of the plant. Despite the barriers, users and developers see many potential applications for data analytics and expect them to have a central role in the control and operation of wastewater treatment plants in the future.Peer reviewe