Ammonium Feedback Control in Wastewater Treatment Plants

The aeration process is often the single largest consumer of electricity in a wastewater treatment plant. Aeration in biological reactors provides microorganisms with oxygen which is required to convert ammonium to nitrate. Ammonium is toxic for aqueous ecosystems and contributes to eutrophication. The importance of aeration for the treatment results in combination with the high costs motivates automatic control of the aeration process. This thesis is devoted to ammonium feedback control in municipal wastewater treatment plants. With ammonium feedback control, the aeration intensity is changed based on a measurement of the outlet ammonium concentration. The main focus of the thesis is design, implementation, evaluation and improvement of ammonium PI (proportional-integral) controllers. The benefits of ammonium feedback control are established through long-term experiments at three large wastewater treatment plants in Stockholm, Sweden. With ammonium feedback control, energy savings up to around 10 % were achieved compared to keeping the dissolved oxygen concentration constant. The experiments generated several lessons learned with regard to implementation and evaluation of controllers in full-scale operation. The thesis has established guidelines on how to design ammonium feedback controllers for situations when cost-effective operation is the overall aim. Simulations have demonstrated the importance to limit the dissolved oxygen concentration in the process and under what conditions the energy saving with ammonium feedback control is large. The final part of the thesis treats improvements of ammonium PI control through minor modifications to the control structure or controller. Three strategies were studied: gain scheduling control, repetitive control, and a strategy reacting to oxygen peaks in the last aerobic zone. The strategies all had their benefits but the ammonium feedback controller was the key factor to improved aeration control

Ammonium Feedback Control in Wastewater Treatment Plants

The aeration process is often the single largest consumer of electricity in a wastewater treatment plant. Aeration in biological reactors provides microorganisms with oxygen which is required to convert ammonium to nitrate. Ammonium is toxic for aqueous ecosystems and contributes to eutrophication. The importance of aeration for the treatment results in combination with the high costs motivates automatic control of the aeration process. This thesis is devoted to ammonium feedback control in municipal wastewater treatment plants. With ammonium feedback control, the aeration intensity is changed based on a measurement of the outlet ammonium concentration. The main focus of the thesis is design, implementation, evaluation and improvement of ammonium PI (proportional-integral) controllers. The benefits of ammonium feedback control are established through long-term experiments at three large wastewater treatment plants in Stockholm, Sweden. With ammonium feedback control, energy savings up to around 10 % were achieved compared to keeping the dissolved oxygen concentration constant. The experiments generated several lessons learned with regard to implementation and evaluation of controllers in full-scale operation. The thesis has established guidelines on how to design ammonium feedback controllers for situations when cost-effective operation is the overall aim. Simulations have demonstrated the importance to limit the dissolved oxygen concentration in the process and under what conditions the energy saving with ammonium feedback control is large. The final part of the thesis treats improvements of ammonium PI control through minor modifications to the control structure or controller. Three strategies were studied: gain scheduling control, repetitive control, and a strategy reacting to oxygen peaks in the last aerobic zone. The strategies all had their benefits but the ammonium feedback controller was the key factor to improved aeration control

Control of Aeration Systems in Activated Sludge Plants - a review

This review attempts to summarise and categorise research performed within the field of control of continuous aeration systems in municipal wastewater treatment plants over the last ten years. The review covers research into various methods to both decide and track the dissolved oxygen set-point but also the control of the total aerated volume. With respect to dissolved oxygen set-point control and determination, the strategies used for control span from modifications and developments of simple control methods that have been explored since the 1970's, to advanced control such as model-based predictive and feedback controllers. Also, fuzzy logic control has gained more interest in the control of continuous processes and is utilised both in the context of deciding and tracking set-points, but also to control the total aerobic volume. The review is supplemented by a discussion on what level of complexity is required for an aeration control system together with a summary of comparisons between control strategies evaluated in full-scale, pilot scale and in simulations

Control of Aeration Systems in Activated Sludge Plants - a review

This review attempts to summarise and categorise research performed within the field of control of continuous aeration systems in municipal wastewater treatment plants over the last ten years. The review covers research into various methods to both decide and track the dissolved oxygen set-point but also the control of the total aerated volume. With respect to dissolved oxygen set-point control and determination, the strategies used for control span from modifications and developments of simple control methods that have been explored since the 1970's, to advanced control such as model-based predictive and feedback controllers. Also, fuzzy logic control has gained more interest in the control of continuous processes and is utilised both in the context of deciding and tracking set-points, but also to control the total aerobic volume. The review is supplemented by a discussion on what level of complexity is required for an aeration control system together with a summary of comparisons between control strategies evaluated in full-scale, pilot scale and in simulations

Styrning av luftningsprocesser i avloppsreningsverk

Reglerteknik är en viktig pusselbit i alla processindustriella sammanhang. På reningsverk är styrning av luftningsprocessen viktig såväl för processens funktion som för att uppnå energieffektivitet. Luftning möjliggör tillväxt av aeroba mikroorganismer som renar vattnet från organiskt material och kväve. I kvävereningen behövs syre för nitrifikationen – den första av två steg i kvävereningsprocessen där ammonium oxideras till nitrat. I Sverige åtgår cirka en femtedel av reningsverkens elenergianvändning till att lufta det biologiska reningssteget, om man inkluderar inloppspumpning. Denna rapport sammanfattar forskning inom syrereglering på avloppsreningsverk. Framförallt fokuserar rapporten på reningsverk med kväverening och forskning publicerad under 2000-talet. Rapporten går igenom viktiga aspekter av luftning i avloppsreningsverk så som blåsmaskiner, ventiler och givare. Det finns två sätt med vilka man kan styra luftningsprocessen: Ändra luftningsintensiteten och ändra den aeroba volymen. Båda dessa metoder ingår i sammanställningen. Sedan 1970-talet har syrehalten i luftade aktivslambassänger styrts med återkopplad reglering. Sedan dess har syregivarna blivit bättre, styrsystemen allt kraftfullare och i och med introduktionen av kväverening på 90-talet har fokus skiftats från att styra syrehalten till att styra ammoniumhalten. För energieffektiv luftning är zonreglering av syrehalten viktigt för att kunna hantera ett varierande syrebehov längs med en luftningsbassäng och över tid.  Under 2000-talet kan två trender utläsas inom forskning om syrereglering. Ammoniumbaserad styrning har slagit igenom de senaste tio åren och det finns flera rapporter från fullskaleförsök. Ammoniumbaserad styrning bygger på att ammoniumhalten mäts före, i eller ut från biosteget för att beräkna ett varierande syrebörvärde. Med ammoniumbaserad styrning kan man spara i storleksordningen 5-20 procent av luftningsenergin jämfört med att använda konstanta syrehalter. En begränsning för styrningen är att nitrifikationskapaciteten kan bli begränsande. Här kan volymsreglering användas som ett komplement för att snabbt öka kapaciteten. Den andra trenden rör avancerade regulatorer, så som optimala modellbaserade regulatorer vilka ofta kan hantera flera insignaler och utsignaler. Här har än så länge mycket av arbetet gjorts i simuleringsmiljö. Det finns exempel på forskning där avancerade regulatorer fungerat både bättre och sämre än ammoniumbaserade regulatorer. Få exempel finns med avancerade regulatorer i fullskala eller pilotskala, och den här studien har inte funnit några exempel från försök där avancerade regulatorer fungerat bättre än enklare ammoniumbaserad styrning. Den struktur man har i reglersystemet, d.v.s. vilka mätsignaler som kopplas ihop med vilka styrsignaler är viktigare än vilken styralgoritm som sitter i regulatorn. En viktig princip inom reglertekniken är att eftersträva bästa möjliga prestanda med så enkla metoder som möjligt, varför enkla regulatorer bör väljas som första alternativ

Implementering och utvärdering av ammoniumåterkoppling i fullskala

Ammoniumåterkoppling kan både bidra till en förbättrad kväverening och en minskad energiförbrukning på avloppsreningsverk med kväverening. Denna rapport sammanfattar erfarenheter från implementering och utvärdering av ammoniumåterkoppling på Henriksdals reningsverk, Käppalaverket och Himmerfjärdsverket under åren 2010 till 2014. Arbetet har gjorts i samarbete med Uppsala universitet. De viktigaste budskapen från rapporten är att en PI-regulator som är korrekt implementerad och trimmad räcker långt, ha gott om tid för utvärdering och se till att utrustningen fungerar tillfredsställande samt kom ihåg att en ändrad reglering både medför kostnader och nyttor. PI-regulatorn (proportionell-integrerande) är den vanligast förekommande regulatorn inom processindustri. En ammoniumregulator på ett reningsverk beräknar ofta ett börvärde till en annan regulator, vilket normalt är en syreregulator i biosteget på reningsverket. Detta skapar en s.k. kaskadkrets vilket ställer lite speciella krav på implementering och trimning av regulatorerna. Tänk också på att kväverening är en långsam process som behöver en långsam regulator. Ammoniumbörvärdet är ett viktigt hjälpmedel för att påverka vilket den genomsnittliga utgående ammoniumhalten blir, men man kan också använda den högsta och lägsta tillåtna syrehalten för att uppnå samma sak. Om en utvärdering av och jämförelse mellan olika styrstrategier görs behövs gott om tid. Det första som man behöver göra är att gå igenom givare och annan utrustning för att se så att utrustningen fungerar som de ska. Ofta medför väderförhållanden, problem med utrustning eller slamproblem att försöken försenas. Ett års försök behövs på många verk för att få fram en representativ utvärdering mellan två styrstrategier p.g.a. skillnader mellan årstider. En kostnads-nyttoanalys möjliggör en bättre jämförelse mellan styrstrategier än om man endast fokuserar på t.ex. skillnaden i energiförbrukning. Två viktiga faktorer som påverkar utfallet av en sådan för just ammoniumåterkoppling är hur stort verket är och behov av investering och underhåll av ny utrustning. Ammoniumåterkoppling utvärderades under 8 till 12 månader på Henriksdals reningsverk, Käppalaverket och Himmerfjärdsverket. Energibesparingen var mellan 7 och 19 procent och återbetalningstiden varierade mellan några månader och 4 år. Återbetalningstiden var som längst på den anläggning som hade störst energibesparing, men också stört behov av investering i ny utrustning. This report is only available in Swedish. English summary is available in the report.Erfarenheter från implementering av ammoniumåterkoppling vid reningsverk. De utvärderade reningsverken är Henriksdal, Käppalaverket och Himmerfjärdsverket

Ammonium Feedback Control in Wastewater Treatment Plants

The aeration process is often the single largest consumer of electricity in a wastewater treatment plant. Aeration in biological reactors provides microorganisms with oxygen which is required to convert ammonium to nitrate. Ammonium is toxic for aqueous ecosystems and contributes to eutrophication. The importance of aeration for the treatment results in combination with the high costs motivates automatic control of the aeration process. This thesis is devoted to ammonium feedback control in municipal wastewater treatment plants. With ammonium feedback control, the aeration intensity is changed based on a measurement of the outlet ammonium concentration. The main focus of the thesis is design, implementation, evaluation and improvement of ammonium PI (proportional-integral) controllers. The benefits of ammonium feedback control are established through long-term experiments at three large wastewater treatment plants in Stockholm, Sweden. With ammonium feedback control, energy savings up to around 10 % were achieved compared to keeping the dissolved oxygen concentration constant. The experiments generated several lessons learned with regard to implementation and evaluation of controllers in full-scale operation. The thesis has established guidelines on how to design ammonium feedback controllers for situations when cost-effective operation is the overall aim. Simulations have demonstrated the importance to limit the dissolved oxygen concentration in the process and under what conditions the energy saving with ammonium feedback control is large. The final part of the thesis treats improvements of ammonium PI control through minor modifications to the control structure or controller. Three strategies were studied: gain scheduling control, repetitive control, and a strategy reacting to oxygen peaks in the last aerobic zone. The strategies all had their benefits but the ammonium feedback controller was the key factor to improved aeration control

Verksamhetsberättelse VA-kluster Mälardalen 2013

VA-kluster Mälardalen är en del av Svenskt Vatten Utvecklings satsning på projektprogram inom VA-forskning för högskolor och universitet. Syftet med satsningen för högskolor och universitet är att säkra VA-verkens kompetens och kunskapsbehov på kort och lång sikt. Mälardalsklustret samlar regional forskningskompetens och verksamhetsutövare vid VA-organisationer för samarbeten rörande avlopps- och slamhantering med fokus på effektivt resursutnyttjande. Klustret är nu inne på sin andra projektperiod 2013 till 2015 och består av tio VA-organisationer, fem lärosäten och två forskningsinstitut. Denna rapport sammanfattar arbetet under 2013. Under året har flera projekt startats upp, bland annat ett nytt doktorandprojekt inom övervakning och feldetektering. Klustret har också varit engagerat i framtagandet av forskningsagendan Vattenvisionen. Forskningen har under året varit framgångsrik. Medlemmar från klustret har deltagit i ett tiotal konferenser där forskningsresultat presenterats. Ett exempel är den Nordiska avloppskonferensen NORDIWA 2013 den 8-10 oktober i Malmö där VA-kluster Mälardalen stod för nästan en femtedel av de muntliga bidragen. Ett drygt trettiotal tidskrifts- och konferenspublikationer helt eller delvis associerade med klustret har publicerats. Närmare trettio examensarbeten har utförts vid lärosäten anknutna till VA-kluster Mälardalen. 2013 års klustersterseminarium hölls på Lidingö och hade tre teman: Biogas och hygienisering , Koldioxidavtryck och mätning av klimatgaser samt Modellering av reningsverk . Seminariet lockade cirka 50 åhörare. I augusti 2013 anordnade VA-kluster Mälardalen en intern workshop där nya projekt inom bland annat slamhantering och modellering av reningsverk diskuterades. Grundutbildningen inom VA-området är bred och sträcker sig från teknik för avloppsvattenrening, modellering och reglering till system- och hållbarhetsfrågor. Via ett av klustrets industrifinansierade doktorandprojekt har en internutbildning i processreglering för drifttekniker genomförts (3 endagarskurser). En användargrupp för reningsverkspersonal som är intresserade av modellering och simulering initierades 2013 och hade sitt första möte tidigt 2014. Forskningsresultat, kursutbud och information om samtliga klustrets medlemmar är exempel på information som finns på klustrets hemsida www.va-malardalen.se . Hemsidan har under 2013 haft drygt 1500 besökare. VA-kluster Mälardalen har ett nätverk med ca 150 medlemmar som får nyhetsbrev med information om vad som är på gång inom klustret

Aeration control : a review

This review covers automatic control of continuous aeration systems in municipal wastewater treatment plants. The review focuses on published research in the 21st century and describes research into various methods to decide and control the dissolved oxygen (DO) concentration and to control the aerobic volume with special focus on plants with nitrogen removal. Important aspects of control system implementation and success are discussed, together with a critical review of published research on the topic. With respect to DO control and determination, the strategies used for control span from modifications and developments of conventional control methods which have been explored since the 1970s, to advanced control such as model-based predictive and optimal controllers. The review is supplemented with a summary of comparisons between control strategies evaluated in full-scale, pilot-scale and in simulations