85
Teknillinen korkeakoulu Vesihuoltotekniikan julkaisu Helsinki University of Technology Water and Wastewater Engineering Espoo 2009 ADVANCED OPERATION AND CONTROL METHODS OF MUNICIPAL WASTEWATER TREATMENT PROCESSES IN FINLAND Henri Haimi, Michela Mulas, Kristian Sahlstedt and Riku Vahala

ADVANCED€OPERATION…builtenv.aalto.fi/en/midcom-serveattachmentguid-1e3897b5ba0b532897... · CHAPTER€4.€SENSORS€AND€DATA€ANALYSIS ... relating€ wastewater€treatment€

Embed Size (px)

Citation preview

Teknillinen korkeakoulu Vesihuoltotekniikan julkaisuHelsinki University of Technology Water and Wastewater EngineeringEspoo 2009

ADVANCED OPERATION AND CONTROL METHODS OF MUNICIPALWASTEWATER TREATMENT PROCESSES IN FINLAND

Henri Haimi, Michela Mulas, Kristian Sahlstedt and Riku Vahala

Teknillinen  korkeakoulu Vesihuoltotekniikan julkaisuHelsinki University of Technology    Water and Wastewater EngineeringEspoo 2009

ADVANCED OPERATION AND CONTROL METHODS OF MUNICIPALWASTEWATER TREATMENT PROCESSES IN FINLAND

Henri Haimi, Michela Mulas, Kristian Sahlstedt and Riku Vahala

Teknillinen korkeakouluVesihuoltotekniikka

Helsinki University of TechnologyWater and Wastewater Engineering

Helsinki University of TechnologyWater and Wastewater EngineeringP.O. Box 5200FI­02015 TKKFinlandTel. +358 9 4511Fax. +358 9 451 3856E­mail: [email protected]

ISBN 978­951­22­9975­1

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

2

Contents

INTRODUCTION ............................................................................................................................................. 4

1.1 MOTIVATIONS ............................................................................................................................................ 41.2 OBJECTIVES ............................................................................................................................................... 51.3 REPORT OVERVIEW..................................................................................................................................... 6

PART I............................................................................................................................................................... 7

CHAPTER 2. MODELLING AND SIMULATION.......................................................................................... 9

2.1 ACTIVATED SLUDGE PROCESS MODELS ........................................................................................................ 9Bioreactor models....................................................................................................................................... 9Secondary settler models........................................................................................................................... 10ASP Simplified models .............................................................................................................................. 11

2.2 IWA/COST BENCHMARK SIMULATION MODELS ....................................................................................... 142.3 PLANT­WIDE MODELS ............................................................................................................................... 162.4 PROCESS SIMULATION ENVIRONMENT....................................................................................................... 17

CHAPTER 3. PROCESS CONTROL............................................................................................................. 20

3.1 FEEDBACK CONTROL ALGORITHMS............................................................................................................ 20On­off control........................................................................................................................................... 20PID algorithms......................................................................................................................................... 21

3.2 FEEDFORWARD CONTROL ......................................................................................................................... 223.3 ADVANCED CONTROL ALGORITHMS .......................................................................................................... 23

Cascade Control....................................................................................................................................... 23Model predictive control ........................................................................................................................... 24Fuzzy logic control ................................................................................................................................... 26Artificial neural networks.......................................................................................................................... 28

3.4 CONTROL APPLICATIONS........................................................................................................................... 29BSM1 applications.................................................................................................................................... 29BSM2 applications.................................................................................................................................... 33Real plant control examples ...................................................................................................................... 34

3.4 PLANT­WIDE CONTROL ............................................................................................................................. 36

CHAPTER 4. SENSORS AND DATA ANALYSIS ........................................................................................ 39

4.1 SENSORS AND ANALYSERS ....................................................................................................................... 39On­line sensors......................................................................................................................................... 39Soft­sensors .............................................................................................................................................. 39Predicting the wastewater characteristics ................................................................................................. 41

4.2 DATA ANALYSIS AND FAULT DETECTION ................................................................................................... 42Data screening ......................................................................................................................................... 42Data reconciliation................................................................................................................................... 42Fault detection and diagnosis.................................................................................................................... 43

PART II............................................................................................................................................................ 44

CHAPTER 3. ICA AT FINNISH ASPS .......................................................................................................... 46

3.2 PLANT CONFIGURATIONS AND OPERATION ................................................................................................. 46Energy and chemical consumptions........................................................................................................... 48Wastewater quality ................................................................................................................................... 49Employees ................................................................................................................................................ 49Wastewater quality ................................................................................................................................... 50

3.3 STATUS OF ICA IN FINLAND ..................................................................................................................... 50Sensors..................................................................................................................................................... 50Controls ................................................................................................................................................... 51Alarm ....................................................................................................................................................... 52

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

3

Modelling ................................................................................................................................................. 52Attitude towards ICA ................................................................................................................................ 53Considerations from the WWTP visits ....................................................................................................... 54

CHAPTER 4. CONCLUSIONS AND FUTURE RESEARCH NEEDS ......................................................... 56

REFERENCES ................................................................................................................................................ 59

APPENDIX A: QUESTIONNAIRE................................................................................................................ 67

APPENDIX B. KEY FIGURES OF THE WWTP SURVEY.......................................................................... 83

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

4

IntroductionThe  importance  of  instrumentation,  control  and  automation  (ICA)  at  municipal  wastewatertreatment  plants  (WWTPs)  has  increased  as  treatment  requirements  have  tightened  and  theprocesses have therefore become more complicated. A big effort has been done in recent yearsin research and development work in this  field:  the reliability and accuracy of on­line sensorshas  increased  due  to  continuous  work of  manufacturers  and  researchers  and  in  turn  also  theapplicability of sensor use in on­line control increased. Development of feasible soft­sensors fordifferent  purposes  in  wastewater  treatment  has  as  well  made  operation  of  the  plants  moreadvanced.  In the past years computing power of  the computers used to be a  limiting  factor  inuse  of  ICA,  but  that  is  no  longer  case;  practically  free  computing  power  is  one  of  the  mostimportant steps  for possibilities of using advanced ICA not only at WWTPs but also  in otherindustrial  works.  Technical  development  has  also  been  made  regarding  to  different  actuatorsused  in  wastewater  treatment  which  does  enable  more  reliable  and  efficient  control  of  theprocesses.

In  this  Chapter  the  driving  motivations  for  the  present  work  are  explained,  as  well  as  thedefinition of the main goals are clarified.

1.1 MotivationsSince  the  implementation of  the European Directive 91/271/CEE regarding urban wastewatertreatment,  environmental  water  protection  has  gained  increasing  public  awareness.  Removalrequirements of ammonia have been changed to total nitrogen removal requirements during therecent years also at many Finnish WWTPs and the trend is likely to continue.  For this reason,the number of unit processes  has  increased and  many of  them require  specific conditions  forsuccessful  performance.  Moreover,  operation  flexibility  requires  reliable  on­line  monitoringand  control  methods  for  using  the  plant  capacity  efficiently.  Plant  complexity  and  the  highnumber of unit processes  is one of  the driving forces of  increased need of ICA technology  inwastewater  treatment.  As  different  unit  processes  are  based  on  chemical,  mechanical  andbiological  phenomena,  operation,  control  and  monitoring  of  the  whole  plant  are  highlychallenging.  In  addition,  A  WWTP  is  characterized  by  frequent  variations  in  environmentalconditions  such  as  feed  flow  rate,  temperature,  influent  concentration  of  nutrients  andconcentration  peaks  of  toxic  substances  that  may  cause  serious  problems  in  a  biologicalwastewater  treatment.  These  variations  can  affect  the  process  performance  significantly,sometime even resulting in process failures.

As  number  and  reliability  of  on­line  measurement  sensors  and  analysers  has  increased  oneimportant  question  arising  considers  possibilities  of  utilizing  the  large  amount  of  processinformation  gathered.  The  process  information  should  be  possible  to  be  easily  refined  topractical  reports  for  various  purposes  and  target  groups  relating  wastewater  treatment  plantoperation. Another highly important use for on­line measurements is their control applications.Traditionally  process  monitoring  has  been  the  main  purpose  of  major  part  of  on­linemeasurements;  morever,  in  the  near  future  also  automatic  fault  diagnosis  is  likely  to  be  asubstantial use for the sensor measurements.

Two main motivations in the implementation of ICA strategies for modern WWTP arise:

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

5

• Tighter  effluent  quality  standards.  To  achieve  the  effluent  quality  set  in  the  regulationsutilizing  advanced  ICA  is  beneficial;  additionally,  the  effluent  concentration  can  be  keptmore stable and process faults disturbing the treatment can be decreased. As the number ofunit  processes  is  increased  becoming,  for  instance,  also  tertiary  treatment  processes  morecommon, the control of the whole plant more grows to be complex. The effluent quality canbe  controlled  efficiently  by  using  modern  ICA  and  achieving  in  this  way  even  the  tightenvironmental regulations.

• Cost Reduction. It is demonstrated (e.g. Olsson et al., 2005) that a good plant managementand ICA may increase the capacity of a nutrient removal WWTP by 10­30%, reducing thenecessarily need for enlargement of treatment basins when renovating the plant. Improvingthe efficiency of the processes leads to smaller area needed for new WWTPs which meansin turns lower construction costs. In the next 10­20 years further understanding and use ofadvanced  ICA  is predicted  to  reduce  the  total  system  investments by  another  20­50%.  Inaddition,  significant  reduction  in  operation  costs  might  be  achieved  in  nutrient  removalplants relate to energy needed for aeration and various chemicals.

The wastewater treatment has become part of a production process where the quality control ofthe  effluent  is  very  important  since  poor  operation  of  the  treatment  process  can  lead  toimportant  production  losses  and  environmental  problems,  thus  enhancement  of  optimaloperation and  advanced control  strategies have  the potential  to  management of  the plant  in avery successful way.

1.2 ObjectivesFor  a  long  time,  the  application  of  process  control  and  automation  over  a  WWTP  has  beenencountering  in  the  past  years  several  difficulties,  such  as:  (i)  process  complexity  (includingchemical,  mechanical  and  biological  phenomena);  (ii)  difficulties  in  controlling  the  process(due to the numerous parameters influencing the process for instance influent flow rate, organicand  nutrient  load variations,  toxicity,  temperature, etc.);  (iii) different dynamics  for a processthat only  seldom  is  steady–state  conditions.  The  first  need  and  goal  of  the  present  work  hasbeen  the  understanding  of  the  current  direction  in  research  and  development  of  optimalpractices and advanced process control operation, by means of an exhaustive literature reviewin this  field. Taking as starting point  the extensive  technical report by Olsson et al.  (2005), adetailed  information  on  the  research  projects  executed  during  recent  years  is  provided  in  thepublications referred in the literature review.

The background  information on sensors, modelling and control  introduces the most  importantadvanced control methods used in wastewater treatment worldwide. This gives useful cue to theplant  operators  and  engineers,  a  comprehensive  overview  on  control  solutions  that  could  besuccessfully  implemented at WWTPs  instead of the traditional options. In modelling sector aswell  technical development has been  made  in  recent  years  and  some possibilities of dynamicmodelling and simulation in today and the trends of the future are introduced in this Report.

State­of­the­art  surveys  on  ICA  at  WWTPs  have  been  performed  over  the  years  with  theperspective of different countries. With this regard, the objective here is to assess and documentthe  current  status  of  ICA  in  municipal  WWTPs  in  Finland  in  order  to  determine  successfulpractices  and  the  needs  of  plant  operators.  This  gives  also  the  possibility  to  compare  ICAsituation  among  Finnish  plants  and  also  to  the  practices  in  other  countries.  The  background

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

6

information of  the plant configurations, operation and wastewater quality  is useful  for peopleinvolved in various sectors of wastewater treatment industry.

Eventually,  recognizing  the  needs  of  further  research  and  development  in  field  of  ICA  is  animportant goal of  the present work since  the development of  ICA  in wastewater  treatment  inFinland in the future will be practically related to the state of ICA presented in this survey.

1.3 Report overviewThis  Report  deals  with  advanced  operation  and  control  methods  of  municipal  wastewatertreatment processes in Finland. It contains two main parts:

1. The  first part  reports  the  survey on  the  current  status of  research. The different aspect ofmodelling  and  simulation  (Chapter  2),  control  strategies  (Chapter  3)  and  data  analysis(Chapter 4), are defined and the recent overcomes in academic word are analysed.

2. The  second  part  reports  the  survey  done  in  the  Finland.  The  method  of  investigation  isbased  on  a  questionnaire  including  key  elements  regarding  plant  design,  operation  andutilization  of  ICA,  and  operator’s  opinion  which  was  sent  to  large  (>  100 000  p.e.),medium­sized  (30 000  –  100 000  p.e.)  and  small  WWTPs  in  Finland.  On­site  surveys  ofsome of the most representative WWTPs were made.

Concise versions of the results  reported in  this work have been submitted to international andnational conferences.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

7

Part I

Literature Review

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

8

Conferences  on  ICA  in  wastewater  treatment  have  been  held  since  1973.  Then  the  ICAconference  took  place  in  London  under  sponsorship  of  IAWPR,  International  Association  onWater Pollution Research, presently called International Water Association (IWA). Back thenthe  lack of  adequate  instrumentation  for  the  conditions  of wastewater  treatment  was  the  keyissue.  As  computing  power  of  computers  was  low  at  the  time,  hardly  any  closed  loop  plantcontrol was performed. In 1974 according to a survey done at some fifty WWTPs 12% of plantsin  USA  had  automatic  on­line  dissolved  oxygen  (DO)  control  implemented.  IAWPRconference on instrumentation and control was held in Stockholm in 1977; by then progress inDO  and  pH  sensors  had  improved  significantly  their  use  in  on­line  monitoring  and  control.Dynamic models of unit processes were presented. Computer was also used for several controltasks  such  as  DO,  return  sludge  flow  rate  and  bypass  control  at  a  WWTP  in  Sweden.  Waterpollution  control  acts  and  funding  programs  began  to  encourage  instrumentation  andautomation of large and medium­sized plants in the 1970s.

In 1985 DO and suspended solids (SS) sensors were used on a routine basis and a self­tuningDO  control  in  full­scale  was  reported  for  the  first  time.  By  then  micro­computers  were  wellestablished  at  WWTPs.  In  1990  computer  and  communication  technology  were  significantdriving  forces  for  more  advanced  control;  also  new  sensor  technology  and  the  first  versionscommercial  interactive  simulators  were  introduced.  In  1993  on­line  nutrient  sensors  wereavailable. The role of dynamic modelling and simulation software were recognized important indeveloping  control  strategies.  Also  new  control  methods  such  as  neural  networks  and  fuzzycontrol became more common.  In 1997 significant progress  in models  for on­line control hadbeen  achieved.  During  2000s  there  has  been  development  in  on­line  nutrient  sensors  andanalysers, which are more robust and reliable enabling use of them in on­line control. Also newoptical  DO  sensor  types  have  been  introduced  and  become  more  popular  in  wastewatertreatment.

Olsson et al. (2005) provide a detailed history of ICA in wastewater treatment and of the relatedconferences as well.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

9

Chapter 2. Modelling and Simulation

Traditionally, the formal modelling of systems has been done via a mathematical model, whichattempts to find analytical solutions enabling the prediction of the behaviour of the system froma  set  of  parameters  and  initial  conditions.  Modelling  techniques  include  statistical  methods,computer simulation, system identification, and sensitivity analysis; however, one of these is asimportant as  the ability  to understand  the underlying dynamics of a  complex  system. Modelsapplied for prediction aim at providing an accurate and fast image of a real system’s behaviourunder different conditions.

Models  may  be  linear  with  respect  to  variables  or  parameters;  furthermore,  a  model  can  benonlinear to parameters and linear to variables or vice versa. Linear models are used frequently,because  the  analytical  solution  can  be  found.  For  nonlinear  models  numerical  solutions  arepredominant. Term mechanistic, physiological and white­box are used to describe that model’sstructure  is  based  on  physical,  chemical  and  biological  laws.  Phenomenological,  black­box,empirical and heuristic the terms used for models that are based on empiricism rather than laws.A combination of mechanical and phenomenological approach is called a grey­box modelling.

Validated process models can be used for dynamic simulations e.g. with different kinds of inputdata.  In  simulations  the  mathematical  equations  of  process  model  are  solved  and  the  resultsgiven.  Simulation  is  a  reasonable  way  to  extrapolate  performance  and  scaling  up  process;additionally, it helps in understanding behaviour and mechanisms of processes. Also the effectsof system parameters and disturbances can be investigated using process simulation.

The  aim  of  this  chapter  is  to  review  the  current  status  of  modelling  and  simulation  ofwastewater treatment process.

2.1 Activated sludge process modelsThe  activated  sludge  process  (ASP)  is  the  most  widely  used  biological  treatment  of  liquidwaste,  essentially  because  it  is  a  cheap  technology  which  can  be  adapted  to  any  kind  ofwastewater.  In  the  activated  sludge  process,  a  bacterial  biomass  suspension  (the  activatedsludge)  is responsible  for the removal of pollutants. Depending on the design and the specificapplication,  an  activated  sludge  wastewater  treatment  plant  can  achieve  biological  nitrogenremoval  and  biological  phosphorus  removal,  plus  the  removal  of  organic  carbon  substances.Many  different  activated  sludge  process  configurations  have  evolved  during  the  years:Jeppsson  (1996)  provides  an  exhaustive  review  on  the  historical  evolution  of  the  activatedsludge process.

Bioreactor modelsThere  are  several  models  describing  the  biological  process  in  the  activated  sludge  plant,  thedevelopments in the family proposed by the International Water Association (IWA) represent amajor  contribute.  The  models  of  ASM  family  (ASM1,  ASM2,  ASM2d,  ASM3)  are  used  inmost  of  the  modelling  and  simulation  studies  (Henze et  al.,  2002);  additionally,  those  areconsidered  state­of­art  models  of  activated  sludge  processes  and  are  used  in  most  of  thecommercial simulation platforms.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

10

When  creating  Activated  Sludge  Model  No.  1  (ASM1)  the  aim  for  the  IWA  Task  Group  onMathematical Modelling for Design and Operation of Biological Wastewater Treatment was tocreate  a  common  platform  that  could  be used  for  future  development  of  models  for  nitrogenremoval  activated  sludge  processes;  furthermore,  the  aim  was  to  develop  a  model  with  aminimum of complexity. ASM1 was published in its final form in 1987. In ASM1 two kinds ofsubstrate, readily and slowly biodegradable COD (RBCOD and SBCOD), are introduced and ahydrolysis process is included. In ASM1 it is also assumed that slowly biodegradable substrateconsists fully of particulate substrate (XS). ASM1 includes nitrogen and organic matter removalwith  simultaneous consumption of oxygen and  nitrate as electron acceptors;  however,  it doesnot  contain  biological  phosphorous  removal.  ASM1  was  developed  mainly  for  municipalactivated sludge plants (Henze et al., 2002; Henze et al., 2008).

Activated  Sludge  Model  No.  2  (ASM2)  was  published  in  1995;  additionally,  the  modelincluded both nitrogen removal and biological phosphorus removal. The role of denitrificationin relation to biological phosphorus removal was still unclear, and Task Group decided not toinclude  that element. However,  the development  in  research was  fast,  and denitrifying PAOs(phosphorus  accumulating  organisms)  were  needed  for  simulation  of  many  results  fromresearch and practice. Because of this, the ASM2 model was expanded in 1999 into the ASM2dmodel, where denitrifying PAOs were included (Henze et al., 2002).

Activated  Sludge  Model  No.  3  (ASM3)  describes  the  same  processes  as  ASM1;  however,ASM3  was  introduced  to  correct  the  deficiencies  of  ASM1.  The  most  important  reason  forintroducing ASM3 was the recognition of  importance of three rates of oxygen consumption inthe  process:  the  rapid  rate  of  oxygen  consumption  for  degradation  of  RBCOD,  slow  rateassociated  with  degradation  of  SBCOD,  and  even  slower  endogenous  oxygen  uptake  rate(OUR). In ASM1 there is only one oxygen consuming process, which makes calibration of themodel very difficult. Calibration of ASM3 should be easier mainly because of converting thecircular  growth­death­growth  (death  regeneration)  model  by  endogenous  respiration  model(Henze et al., 2008).

Secondary settler modelsActivated sludge plants transform organic matter  into biomass. The effective operation of theprocess  requires  the  biomass  to  be  removed  from  the  liquid  stream  (in  the  secondary  settler)prior  to  being  discharged  in  the  receiving  waters.  The  sedimentation  of  the  particles  in  theliquor  is achieved by gravity along with the density differences between the particles and theliquid. Part of the biomass is purged, while a large fraction is returned to the biological reactorto  maintain  the  appropriate  substrate­to­biomass  ratio.  This  means  that  the  settler  combinesfunctions of clarification and thickening into one unit.

The complex behaviour of the secondary settler and its importance for the successful operationof the ASP have made the settling process a great challenge for researchers working in the fieldof  mathematical  modelling.  A  first  physical  model  of  batch  sedimentation  was developed  byKynch (1952), in which the sludge transport is described by a mass balance partial differentialequation  and  that  can  be  considered  the  origin  of  the  solid  flux  theory.  Different  authorsintroduced  later  several  model  extensions  and  among  the  others  Petty  (1975)  considered  thecontinuous thickening of a solid­liquid suspension by gravity sedimentation; Vitasovic (1991),Takács et  al. (1991)  and  lately  Diehl  (2007)  considered  the  sedimentation  flux  from  layer  to

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

11

layer.  Jeppsson  (1996)  provides  an  extensive  review  on  the  different  modelling  approaches,whereas to investigate the functioning of the settler, the IWA report (Ekama et al., 1997) givesa complete reference.

In  today’s  practice,  Takács’  model  (Takács et  al.,  1996)  is  by  far  the  most  widely  usedmathematical  representation  of  the  secondary  settler  in  published  studies  and  commercialsoftware  environments.  However,  some  studies  (as  for  instance  Jeppsson  and  Diehl  (1996),Queinnec et  al.  (2001),  Verdickt  and  Van  Impe  (2002))  stress  the  fact  that  the  number  ofdiscretization  layers  is  used  as  a  model  parameter  in  order  to  match  the  experimentalobservations. Typical number of 10  layers  is used to introduce (artificial) numerical diffusionand  smooth  off  the  concentration  profiles.  This  model  is  therefore  used  without  selecting  anumber  of  layers  in  agreement  with  numerical  convergence  (the  number  of  layers  should  beselected large enough so that the numerical solution to the mass balance equations is computedwith  an  acceptable  accuracy)  and  without  distinguishing  model  formulation  (i.e.  the  physicalmodel  parameters)  and  numerical  solution  (i.e.  the  number  of  layers  or  grid  points  in  anumerical algorithm). Currently, David et al. (2009) consider the Method of Lines, which is astraightforward  two­step  procedure,  where  the  PDEs  (Partial  Differential  Equations)  are  firstdiscretized in space, then integrated in time, can be used to solve the convection–diffusion PDEdescribing material transport in the secondary settler.

ASP Simplified modelsDynamic simulations based on rigorous and detailed modelling have become a standard tool inmany  engineering  fields.  Rigorous  models  are  applied  for  a  variety  of  tasks:  they  allow  theexploration of the impact of changing some design configurations, can be used to provide toolto  actively  explore  new  ideas  and  improve  the  learning  process  as  well  as  allowing  theoperators training facilities and thereby increasing their ability to handle unforeseen situations.In  other  words,  they  are  useful  in  understanding  the  system  behaviour.  Although  the  ASMfamily  models  comprise  much  of  the  knowledge  of  the  biological  reactions  a  number  ofdrawbacks  exist  (Jeppsson,  1996):  lack  of  identifiability,  awkward  nonlinearities,  difficultestimation  and  updating  of  time  varying  parameters.  So,  despite  the usefulness of  a  rigorousmodel, there are some situations where simpler models are better suited.

Different  applications  involves  different  requirement  in  the  reduced  model.  For  this  reasonmany reduced models for the activated sludge process are present in literature. In this section abrief overview of some of the available models is presented, and for each case we discuss thetreatment goal  for model reduction.  In 1989, Marsili­Libelli developed a  low order model  forconventional  activated  sludge  systems  with  BOD  removal  and  nitrification.  The  model  wasdeveloped to describe biodegradation of carbonaceous COD, nitrification, DO utilization, andsludge sedimentation. As for the bacterial growth, a predator/prey modified Volterra approachwas  used  instead  of  the  usually  applied  Monod  model.  The  most  straightforward  modelcomplexity  reduction  is  obtained  by  assuming  only  oxic  conditions  and  thus  neglecting  thedenitrification processes. Kabouris and Georgakakos (1992) investigated the application of anoptimal  control  method  to  a  reduced  form  of  the  ASM1  model  obtained  in  such  a  way.  ForCartersen et  al.  (1995)  the  problem  to  be  solved  was  an  identification  problem.  Theyformulated  simplified  models  capable  to  give  on­line  information  on  the  present  state  of  thewastewater treatment plant. The resulting model is a grey box model, where the Monod­kineticparameters  of  the  nitrification  and  denitrification  process  can  actually  be  identified  andestimated  by  means  of  prediction  error  decomposition  and  maximum  likelihood  estimation.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

12

They showed for the BioDeniPho system that it is possible to find a unique solution for each ofthe unknown parameters of  the model,  starting  from data collected  in a real process.  In 1995,Zhao et  al.  introduced  a  simplified  ASM1  model  to  describe  the  nitrogen  dynamics  in  analternating activated sludge process. The proposed model  is represented by a set of dynamicsequations  in  terms of ammonia and nitrate concentrations  (on­line  measurable).  Isaacs (1996)tested three model­based control strategies on a BioDeniPho system. All controllers employ arelational model and a predictive model and different models were applied for different controlstrategies. Along the  same  line Julien et al. (in 1998 and  in 1999) developed a reduced ordermodel  for  identification and control of a single activated­sludge reactor operating nitrificationand denitrification. The reduced model is split into two submodels, one three­dimensional statesubmodel  in aerobic conditions (considering as state variables nitrate, ammonia and dissolvedoxygen)  and  one  two­dimensional  submodel  in  anoxic  conditions,  where  only  nitrate  andammonia  state  variables  are  considered.  The  identifiability  is  based  on  on­line  oxygen  andnitrate concentrations data, showing that the reduced model is structurally identifiable. Lately,Gomez et  al.  (2000),  Chachuat et  al.  (2003),   Smets et  al.  (2003),  Sperandio  and  Queinnec(2004) and Mulas et al. (2007) proposed different approach to reduce the model complexity ofthe ASM1.

An  activated  sludge  plant  in  Avedøre,  Denmark,  was  modelled  using  Matlab/Simulink  andcontrol strategies were tested with the calibrated model. A modified activated sludge model No.2d (ASM2d) was used for modelling the activated sludge tanks and a reactive settler model formodelling the secondary clarifiers. Also on­line recordings of all the direct and indirect controlhandles were used as model inputs for calibration purposes. 30 days of control inputs precedingthe  measurement  campaign  were  applied  to  obtain  proper  initial  conditions  for  the  plantsimulation states (Ingildsen et al., 2006).

Before  modelling  a  preliminary  sampling  campaign on  influent  was conducted  to  investigatedaily variations in the influent concentrations. After that a 13­day long measurement campaignwas  done;  furthermore,  daily  flow­proportional  samples  of  the  pre­settled  influent  and  theeffluent  were  collected  and  analysed  for  different  components.  The  proper  model  calibrationwas  done  step­wise  by  distinguishing  three  subsystems:  (1) the  suspended  solids  system(calibration  of  the  sludge  production  and  balances);  (2)  the  nitrogen  system  (calibration  ofnitrification  and  denitrification  processes);  and  (3)  the  phosphorous  system  (calibration  of  Premoval  processes).  On­line  sensor  measurements  as  well  as  laboratory  measurements  wereused  in  the  calibration  the  three  subsystems.  For  testing  of  control  strategies  with  model  ofAvedøre  WWTP  a  benchmark  system  with  a  normal  dry  weather  influent  file  and  variousdisturbance  tests  were  prepared.  The  standard  control  strategy  used  at  the  WWTP  wassimulated  first  for  a  validation.  Variation  for  influent  concentrations  and  flow  rates  werecreated using a random number generator; thus, 90 days of variable influent concentration datawas created.  In a  successful  phosphorous  removal strategy  also PHA (polyhydroxyalkanoate)content  is  taken  into  account;  moreover,  that  was  noticed  to  reduce  need  of  precipitationchemical considerably (Ingildsen et al., 2006).

Three consulting teams conducted independent modelling projects at three different WWTPs inorder  to  evaluate  and  optimise  the plant  operation;  two  in  USA  (Denver,  1,800,000  p.e.  andUpper Marlboro, 250,000 p.e.) and one in Finland (Espoo, 250,000 p.e.) (Phillips et al., 2009).The calibration methods and length of the sampling periods were different for each modellingcase.  GPS­X  simulation  software  was  used  in  each  of  the  simulation  cases;  with  different

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

13

activated  sludge  and  clarifier  models.  Three  common  factors  were  found  to  be  essential  tosuccess  of  the projects:  (1)  additional  sampling  to  define dynamic  model  inputs  and  influentfractions;  (2)  careful planning; and  (3)  effective  and  frequent  communication  between  all  theteam members including the plant personnel.

In  Espoo  plant  modelling  case  the  most  challenging  process  to  calibrate  was  the  primaryclarifier  because  models  assume  equal  settling  velocities  for  all  particular  COD  fractions,contrary  to practical observations.  In  modelling  the Espoo WWTP  it  was  found  that externalcarbon was not optimal to dose in the last anoxic zone in order to avoid unnecessary carryoverof readily bio­available COD to the aerobic zones; in addition, the wastage of methanol couldbe cut by 30%. It was also conducted that the yearly average nitrogen target of 70% could bemore cost­effectively reached by running the plant at 80% nitrogen removal in the summer and60%  nitrogen  removal  in  the  winter.  Solid  balance  simulations  showed  that  insufficientthickening  and  digestion  capacity  and  the  overflow  from  the  storage  tank  before  centrifugeswere the main causes of problems with solids balance control. In Denver plant modelling casethe return sludge  flow was optimized;  likewise,  the sizes of both anaerobic and aerobic zoneswere  optimized,  and  the  risk  of  nitrifier  washout  at  different  design  sludge  retention  times(SRT)  evaluated.  In  Upper  Marlboro  modelling  case  it  was  showed  that  maintaining  theexisting  three­sludge  system  provides  for  the  most  robust  nutrient  removal  process  of  thealternatives evaluated. (Phillips et al., 2009)

Rodríguez et  al.  (2009)  presented  a  wastewater  treatment  modelling  methodology  based  onExcel  and  Matlab­Simulink  for  researchers  without  programming  expertise.  The  proposedframework  also  provides  programming  expert  researchers  a  highly  flexible  and  modifiableplatform  on  which  to  base  more  complex  process  model  implementations.  The  use  of  Excelinterface  for  most  of  the  implementation  tasks  makes  the  methodology  accessible  for  nonprogramming researchers by providing them with clear overview of the models in a spreadsheetfile;  in  the  same  way,  it  shortens  time  and  effort  necessary  to  implement  and  modify  modelstructures  also  for  researchers  with  programming  expertise.  Most of  the  information  definingthe  model,  its  parameters  and  a  feeding  schedule  are  provided  using  just  an  Excel  interface.Only the equations to calculate the rates of reactions and transfer processes have to be definedin a Matlab file. The model implementation methodology presented has been successfully usedfor a number of model  implementations in research applications. It also provides a useful toolfor  teaching  by  demonstrating  the  dynamics  and  factors  affecting  a  wastewater  treatmentprocess.

Modelling and simulation of wastewater treatment can also be combined with other software.An interactive multiobjective optimization tool for decision support regarding to WWTP designwas proposed by Hakanen et al. (2008). Moreover, in the tool GPS­X simulation platform andIND­NIMBUS  method  for  solving  industrial  multiobjective  optimization  problems  werecombined. The optimization problems produced by NIMBUS method are solved by using theControlled Random Search algorithm. In the case study presented a process model of nitrifyingactivated sludge plant;  in addition, ASM3 and the Takacs models were used  in modelling theactivated  sludge  process  and  secondary  clarifier.  Residual  ammonia  nitrogen  concentration,alkalinity  chemical  dosing  rate  and  aeration  energy  consumption  were  considered  in  theoptimization case task. In conclusion, the presented method was noticed to be promising and toprovide  a  good  basis  for  further  research  including  e.g.  more  complex  processes,  factorsaffecting investment costs and more operational variables such as other chemical doses.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

14

2.2 IWA/COST Benchmark Simulation ModelsA  working  group  of  COST  Actions  624  and  682  together  with  the  IWA  Task  Group  forRespirometry has developed a benchmarking protocol and software tool for benchmarking, i.e.performance assessment and evaluation of control strategies  for wastewater treatment systems(Copp, 2002; Alex et al., 2008). The benchmark  is a simulation environment defining a plantlayout, a simulation model,  influent  loads, test procedures and evaluation criteria. IWA/COSTBenchmark Simulation  Model  has  recently  been  extended  to  include  a complete WWTP (i.e.wastewater  and  sludge  treatment  processes  as  well  as  interactions  between  them)  (BSM2,Jeppson et al., 2007). A simplified phenomenological  model of  a  sewer  system  is also  beingadded (Olsson and Jeppson, 2006).

Based on the IWA/COST Benchmark Simulation Model No.1 (BSM1), the considered layout isreported  in  Figure  1,  it  represents  a  fully  defined  protocol  that  characterizes  the  processincluding a plant  layout and  two conventional control  systems (Copp, 2002).   The bioreactorconsists  of  five  reactors,  first  two  anoxic  zones  (pre­nitrification)  followed  by  three  aerobicones  (nitrification). To maintain  the  microbiological population,  the  sludge  from  the settler  isre­circulated  into the anoxic basin (returned activated sludge), and part of  the mixed  liquor  isrecycled  to  the  inlet  of  the  bioreactor  (internal  recycle).  The  sludge  concentration  is  keptconstant  by  means  of  sludge  withdrawn  pumped  continuously  from  the  settler.  As  for  thecontrol,  a  DO  controller  is  implemented  to  maintain  the  target  aeration  in  the  bioreactor;besides, the DO level in the fifth reactor is controlled with a PI controller that manipulates theaeration coefficient  for  this reactor, K5

La. In addition, one control  loop  is used  for controllingthe nitrate removal by manipulating the internal recycle flow­rate.

Figure 1. Plant layout for BSM1 Benchmark Simulation Model (Alex et al., 2008).

The  plant  is  designed  for  an  average  influent  dry­weather  flow  rate  of  18  446 m3/d  and  anaverage biodegradable COD in the influent of 300 g/m3. The influent dynamics are defined bymeans  of  three  files:  dry  weather,  rain  weather  and  storm  weather;  additionally,  each  of  theinfluent  files consists of data of  two weeks. The biomass sludge age used  in BSM1 model  isabout nine days (Alex et al., 2008).

The  success  of  BSM1  as  efficient  platform  for  control  strategies  comparison  in  biologicalnitrogen  removal  activated  sludge  plants  is  proven  by  the  large  number  of  scientific  papers,

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

15

already in 2004 more than 100 according to Jeppsson and Pons (2004), using the benchmark orpart of the benchmark (e.g. influent files, plant performance evaluation criteria).

The more recent BSM2 model (Jeppsson et al., 2004; Jeppsson et al., 2007) concerns the wholeplant  including  also  primary  clarifier  and  sludge  treatment  with  anaerobic  digestion.  BSM2implementations  are  available  for  wide  range  of  simulation  platforms  including  the  mostpopular  commercial  software.  Even  though  the  plant  consists  of  several  unit  processes,applying  a  supervisory  control  system  taking  into  account  the  interactions  between  them  isbeneficial  for  optimization  of  the  plant  operation.  Furthermore,  BSM2  aims  at  describing  anactivated  sludge  plant  with  an  influent  load  of  100 000  p.e.  (80 000  from  households  and20 000 from industrial origin) and it  includes many of the main processes often used at  large­scale WWTPs (Figure 2).

Figure 2. Plant layout for BSM2 Benchmark Simulation Model (Jeppson et al., 2007).

The intensive use of BSM1 and BSM2 has also revealed a number of limitations, such as:• Too short evaluation period;• The seasonal effects are not taken into account;• Sensor, actuator and process faults are not included.

These  represent  the  main  reasons  for  the  natural  follow­up  of  the  first  benchmark  with  thedefinitions of the long­term Benchmark Simulation Model No. 1 (BSM1_LT). Influent relateddisturbances  for  BSM1_LT/BSM2  are  generated  with  a  model,  and  typical  influent  dynamicphenomena generated with the BSM1_LT/BSM2 influent disturbance model, including diurnal,weekend, seasonal and holiday effects, as well as rainfall, are illustrated with simulation resultsin Gernaey et al. (2006). As a result of their work, the seasonal effects in terms of temperaturevariations and changing  influent flow rate patters are included  in the evaluation period of oneyear. The average temperature  is 15°C and the amplitude of sin wave shaped variation is 5°C.In addition, more than 60 control handles are available for the model.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

16

2.3 Plant­wide modelsThe  second  Benchmark  Simulation  Model  BSM2  briefly  introduced  in  the  previous  sectionrepresents  the  extension  of  the  BSM1  to  more  plant­wide  point  of  view  and  actually  alsodifferent authors have faced plant­wide modelling for the entire WWTP taking into account thedynamic description of  the  most  relevant process  in  the water and sludge  lines and  the  flowsamong the different lines.

In particular, three different approaches for plant­wide modelling are presented and analyzed byGrau et  al.  (2009):  (i)  direct  connection  among  standard  unit­process  models  (“Interfaces”approach),  (ii)  modelling  of  the  whole  plant  based  on  a  common  components  vectors  usingstandard  biochemical  models  (“Standard  Supermodel”  approach),  and  (iii)  modelling  of  thewhole plant based on a common components vectors constructing biochemical models adaptedto the plant under study (“Tailored Supermodel” approach). In the interfaces approach commonmodels of unit processes (e.g. ASM model family) are used. Main advantages of the approachare  the use of all knowledge previously acquired about  the practical  implementation of well­known  standard  models  and  their  simplicity;  however,  the  main  disadvantage  is  that  all  themodel components (e.g. COD fractions, the description of organic nitrogen, the description ofpH versus alkalinity) are not the same or even compatible. Therefore, general methodology forconnecting  any  two  standard  models  has  been  proposed  (Continuity­Based  InterfacingMethodology, CBIM). Elemental mass and charge continuity is guaranteed by means of a set ofinstantaneous conversions  from  the original  model components  to the destination  model onesby a general procedure between any two standard models. Standard and Tailored Supermodelapproaches are based on a unique model for describing the most relevant biochemical, chemicaland physico­chemical processes  in all unit processes of  the plant. All  the  transformations aretherefore  active  in  all  of  the  streams  regardless  of  the  type  of  the  stream  or  unit  process.Standard  Supermodel  approach  is  based  on  a  set  of  standard  models  that  describe  the  mostrelevant processes within the whole WWTP. Supermodels (e.g. BNRM1, ASMD) reproduce theactivated  sludge  units  for  biological  carbon,  nitrogen  and  phosphorous  removal,  anaerobicdigestion, some chemical precipitation processes and additional calculations (e.g. DO, pH, pHinhibitions) that can be switched on or off depending on the case study. The main advantage ofthe  approach  is  that  the  need  for  model  interfaces  is  eliminated  and  any  applicabletransformations are  simply  turned on or off.  In contrast,  the weak points of  the approach  arelack of flexibility for describing simpler or more complex processes. The use of supermodels isrestricted to specific simulation platforms. The construction of a Tailored Supermodel is basedon  the  user  selecting  the  set  of  compatible  transformations  strictly  required  to  reproduce  theactivity of the relevant bacteria populations in the WWTP under study. The main advantage ofthe approach is the flexibility it includes to construct supermodels that are specifically adaptedto the requirements of the WWTP studied. However, the weak point is that the flexibility can beeasily  misused  if  there  is  no  rigorous  and  systematic  procedure  available  to  select  thetransformations and to construct an appropriate model for each specific case.

A typical plant­wide model couples an upstream activated sludge plant (including primary andsecondary clarifiers)  to an anaerobic sludge digester. One of  the key challenges has been  thedefinition  of  an  interface  between  activated  sludge  model  (ASM1)  and  anaerobic  digestionmodel  (ADM1)  the  state  variables  of  which  differ  to  each  other.  A  new  interface  andcharacterization model (“the modified Copp interface”) was proposed by Nopens et al. (2009);furthermore,  the  approach  was  demonstrated  both  hypothetically  (BSM2  BenchmarkSimulation  Model)  and  practically  on  a  full­scale  WWTP.  ADM1  model  has,  as  inputs,  a

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

17

mixture of carbohydrates, proteins,  lipids, organic acids, bicarbonate and ammonium, some ofwhich are difficult or even  impossible to measure; previously this has been tried to overcomeusing a generalized pool of complex material XC (“the Copp interface”). In the modified Coppinterface approach the degradable components are converted directly to sludge fractions used inADM1 model  instead of using XC. The steps of converting the state variables  from ASM1 toADM1 are  presented  in  Figure 3.    The  behaviour  of  the  modified Copp  interface was  testedexactly  the  same  way  as  the  Copp  interface  using  Benchmark  Simulation  Model  BSM2;additionally, improved degree of realism was noticed regarding to the composition of anaerobicdigester effluents and gas production. To validate the proposed model a practical test case usingdata  of  a  full­scale  digester  in  Brisbane,  Australia,  was  executed.  The  feed  of  the  digesterconsisted of a mixture of primary and secondary sludge. The model predictions were  in goodagreement  with  the  dynamic  measurements  of  gas  flow  rates.  Moreover,  the  new  interfaceallows the use of one interface for a range of  input sludge resulting in realistic gas productionwithout need for extensive parameter calibration.

Figure 3. Steps of converting state variables from ASM1 to ADM1 in the modified Coppinterface approach (Nopens et al., 2009).

2.4 Process Simulation EnvironmentThe knowledge acquired about the process in a wastewater treatment plant can now be used toimplement  appropriate  dynamical  simulations  of  it.  By  using  simulations,  we  can  study  theeffect of different environmental conditions, test the system sensitivity to different parametersand  apply  different  control  configurations  and  so  on.  Information  about  specific  WWTPsimulators  is given  by  Olsson and Newell  (2001) and also by  Copp  (2002). From  a practicalstand point, a simulation can be obtained in different ways either using commercial software orimplementing  the  ASP  model  in  programming  environment  like  Matlab/Simulink  and/orFortran. In the following section a description of the two approaches is given.

Specific  commercial  environments  usually  contain  extended  libraries  of  predefined  processmodels  offering  the  representation  of  the  whole  wastewater  treatment  plant.  The  processconfiguration to be simulated can be easily constructed by connecting process unit blocks andpop­up windows allow modifying the model parameters.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

18

Many examples of commercial simulators exist. Among them we can list the following:• EFOR  by  Danish  Hydraulic  Institute  (Denmark)  is  a  software  tool  dedicated  to  the

modelling of wastewater treatment systems, which makes it easy to construct a wide varietyof  wastewater  treatment  plants.  The  present  progress  can  be  found  onhttp://www.dhisoftware.com/efor/. EFOR 3.0  includes ASM1 and  ASM2  model, which  ismodified to include biological phosphorous removal; furthermore, three different hydraulicmodels  are  available  for  the  settlers.  Treatment  plants  with  a  complex  and  dynamicoperation  can  be  described  and  simulated  with  EFOR.  The  software  is  available  inWindows environment.

• BioWin by EnviroSim Associates Ltd (Canada) is a dedicated process simulator that makesuse of linked process units to simulate biological wastewater treatment systems. BioWin isa  Microsoft  Windows  ­based  simulator  used  in  the  analysis  and  design  of  wastewatertreatment plants. Engineering companies are the most important user group of BioWin andmost of users are  located in Northern America. BioWin Version 3.0 contains an integratedbiological  model  for  biological  nutrient  removal  (BNR)  activated  sludge,  fermenters,Moving  Bed Biofilm Reactor  (MBBR) & Integrated Fixed Film  Activated Sludge  (IFAS)systems,  and  anaerobic  digesters.  The  model  utilizes  BioWin’s  full  General  ActivatedSludge/Anaerobic  Digestion  Model  (ASDM)  that  tracks  over  50  components  with  morethan  80  processes  acting  on  these  components.  More  information  can  be  found  athttp://www.envirosim.com/products/bw32/bw32intro.php.

• GPS­X  by  Hydromantis  Inc,  Canada  (http://www.hydromantis.com/),  is  a  modular,multipurpose  modelling  environment  for  the  simulation  of  wastewater  treatment  systems.GPS­S Version 5.0 is supplied with over 50 preconfigured layouts covering most of the unitprocesses  found  in  wastewater  treatment  plants.  The  simulator  is  built  on  the  ACSLsimulator,  that  provides powerful  integration  and  general  simulator  features.  Six  standardbiological  models  e.g. temperature  dependant  versions of  ASM1,  ASM2d and  ASM3 areavailable in GPS­X. The biological unit processes include carbon, nitrogen and phosphorusremoval, in various suspended growth and fixed film configurations.

• SIMBA (SIMulation programms für die Biologische Abwasserreinigung): developed at theInstitut  für  Automation  und  Kommonikation  (IFAK)  in  Germany.  It  can  be  considered  acustom  made  version  of  Simulink  for  wastewater  treatment  applications;  with  its  latestversion SIMBA 5, allows the holistic consideration of sewer system, wastewater treatmentplant,  sludge  treatment  and  rivers.  It  extends  Matlab/Simulink  using  block  libraries  forbiological  and  chemical  treatment  processes.  SIMBA  includes  several  default  modelsincluding  ASM1,  ASM2d,  ASM3,  the  Bio­P  Model  and  several  settler  models.  A  moreextensively  compendium  about  the  simulator  can  be  found  on http://simba.ifak­md.de/simba/.

• STOAT  (Sewage  Treatment  Optimization  and  Analysis  over  Time)  by  Water  ResearchCenter  (UK)  is  a  Windows  based  computer­modelling  tool  designed  to  dynamicallysimulate  the  performance  of  a  wastewater  treatment  works  including  sludge  treatmentprocesses.  STOAT  includes  an  implementation  of  ASM1,  called  IAWQ  No.1,  and  theTakács settler  model,  called Generic. The software  can be used  together with commercialsewerage  and  river  quality  models. Further  information  about  STOAT  software  is  on  thefollowing website: http://www.enviatec.de/en/en_start_stoat.htm

• WEST  (Wastewater  treatment  plant  Engines  for  Simulation  and  Training):  an  interactivedynamic simulator. It  is developed mainly at  the University of Gent, Belgium and currentinformation about the software can be found on http://www.hemmis.com/. WEST includesa number of modules and  features  that enables the user  to model and evaluate almost any

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

19

kind  of  wastewater  treatment  plant  application  that  exists.  Most  of  the  models  in  WESTsimulator  are open source and open code;  thus,  the  models  can  be  modified  if  necessary.WEST mainly has been used in the context of wastewater treatment research.

Matlab  is a general high­level  language  for  technical computing. It  includes a  large  library ofpredefined mathematical functions. Additionally,  it features a family of specific toolboxes thatextent the Matlab environment to solve particular classes of problem (there are approximately40  toolboxes  available).  Moreover,  Simulink  is  an  add­on  software  product  to  Matlab  formodelling,  simulating  and  analyzing  any  type  of  dynamic  system.  Matlab  and  Simulink  arefully  integrated,  meaning  that  all  functionalities  of  the  Matlab  toolboxes  are  available  in  theSimulink environment as well. Simulink provides a graphical user interface for building modelsas block diagrams and  manipulating  these blocks dynamically.  A  large  number of predefinedbuilding blocks are included and it is easy to extend the functionality by customizing blocks orcreating  new  ones.  The  capabilities  of  Simulink  may  be  further  extended  by  using  the  S­functions (system functions), which can be written  in Matlab  language, C++ or Fortran usingpredefined  syntax.  Consequently,  S­functions  can  be  easily  incorporated  and  a  dynamicalsystem can be described as a mathematical  set of equations  instead of using predefined blockdiagrams.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

20

Chapter 3. Process controlIn modern wastewater treatment plants processes such as aeration, chemical  feeds and sludgepumping are usually  controlled by on­line  sensor  measurements. Different control algorithmsare  used  in  manipulating  actuators  such  as  valves  and  pumps  in  order  to  keep  processconditions  favourable  for  demanded  treatment  results  and  cost­effective.  For  example  inaeration  zones  there  is  set­points  for  dissolved  oxygen  (DO)  concentrations  and  aeration  iscontrolled  according  to  difference  between  DO  set­point  and  measurement;  furthermore,control algorithms are used in adjusting aeration valve positions and air compressor operation.

Conventional  and  some  of  the  advanced  control  algorithms  used  in  wastewater  treatment  arepresented in this chapter.

3.1 Feedback control algorithmsTypical  components  of  a  feedback  control  loop  are  presented  in  Figure  4.  Overall  controlsystem performance depends on proper choice of each components of a feedback control loop.

Figure 4. Typical components of a feedback control loop.

Two types of algorithms predominate  in  WWTPs, and  in  the process  industry  in general,  theon­off  and  the  Proportional­Integral­Derivative  (PID)  algorithms.  In  the  following  of  thissection, both of them will be discussed.

On­off controlOn­off controllers are simple, inexpensive feedback control in which the controller switches theactuator between two stages according to sensor measurements and the control  law. Thus,  thecontrolled  variable  is  kept  within  certain  limits.  In  on/off  controller  the  control  variable  canassume only two values, umax and umin, depending on the control error (e) sign. The control lawis defined as follows:

u =umax if e > 0

umin if e < 0

When using on/off controller,  the process variable oscillates persistently around the set­point,which  can  be  noticed  in  the  example  of  Figure  5;  additionally,  in  the  example umax  of  thecontroller is 2 and umin is 0. On­off controller is often modified by inserting dead zone (resultingin a three­stage controller) or hysteresis  in order to cope with measurement noise and to limitthe  wear  of  the  actuating  device.  Hysteresis  is  a  phenomenon,  which  causes  a  time  lag  in

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

21

application of a control action (Visioli, 2006). In spite of that, the main disadvantage of the on­off  control  is  that  it  results  in  continuous  cycling  of  the  controlled  variable  and  producesexcessive wear on the final control element.

Figure 5. Example of an on/off control application. Solid line: process variable; dashed line:control variable (Visioli, 2006).

Turning the aeration system on and off as the oxygen level falls below or rises above a givenDO level  in the aeration tank  is an typical example of on­off control  in wastewater treatment.Another example is the control of the water level in the pumping station or in operating pumpsin return and excessive sludge flow control loops (Tchobanoglous et al., 2003).

PID algorithmsPID is the most common control algorithm used in process industry and wastewater treatment.The  letters PID stand for proportional,  integral and derivative. It  is a control method in whichthe controller output is proportional to the error (P), its time history (I), and the rate at which itis  changing  (D).  Basically,  it  is  the  combination  of  the  three  control  actions,  proportional,integral  and  derivative;  moreover,  the  choice  of  the  used  combination  depends  on  theapplication  being  the  PI  combination  the  most  common.  PID  controller  has  been  in  use  inpneumatic  form,  in  the  form  of  an  analogue  electronic  circuit,  as  a  digital  circuit,  and  insoftware using a microprocessor (Ellis, 2004).

P term  is proportional to error (e) between measured value and  set­point. Parameter KP  is  theproportional gain and it determinates how strong the control action of the P term is. It is typicalthat P term alone is not sufficient to compensate whole of the error variable.  In the same way,the  integral  term  integrates  error  variable  over  time.  The  contribution  from  this  term  isproportional to both the magnitude of the error and the duration of the error. Also, it acceleratesthe  movement  of  the  process  towards  set­point  and  eliminates  the  residual  steady­state  errorthat  occurs  with  a  proportional  (P)  only  controller.  Likewise,  derivate  term  D  examines  thechange rate of  the error variable. The D term tries to predict and compensate the offset at thesame  time  when  it  is  setting,  while  parameter KD  represents  the  derivate  gain.  In  brief,  theproportional,  integral,  and  derivative  terms  are  summed  to  calculate  the  output  of  the  PIDcontroller. A block diagram of a PID controller is presented in Figure 6.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

22

Figure 6. Block diagram of a PID controller (Visioli, 2006).

Defining u(t) as the controller output, the equation of the PID algorithm is:

u(t) = u0 + KP e(t) +1τ I

e(t)dt + τ Dde(t)

dt0

t

where:u0 is the bias value;KP is the proportional gain (usually dimensionless);τI is the integral time or reset time (it has units of time);τD is the derivative time (it has units of time).

The definition of the values for the parameters KP, τI and τD represents the tuning of the controlloop;  many  techniques  have  been  proposed  for  this  task  and  among  the  numerous  books,Seborg et al.  (2003) represent a good reference for the basic theory in process control.

When  choosing  the  controller  for  an  application,  complexity  must  be  weighted  againstperformance.  More  complex  controllers  are  also  more  difficult  to  tune;  additionally,considerable technical expertise  is required  to understand how advanced controllers work andhow to fix them when they fail. PID controllers are predominantly used to maintain the constantvalue  of  a  process  variable  under  conditions  of  changing  load.  Further,  for  the  majority  ofprocess control tasks a PI controller is capable of providing an acceptable performance and it isthe most adopted controller in the industrial context (Visioli, 2006).

Although  many advanced control algorithms  have been proposed, conventional  feedback PIDcontrol algorithms are the most popular  in wastewater treatment. Also in other typical processcontrol  applications  like  pulp  and  paper  industry  more  than  95%  of  controllers  are  PIDcontrollers (Henze et al., 2008).

3.2 Feedforward ControlWith  feedforward  control  the  basic  idea  is  to  measure  important  load  variables  and  takecorrective action before they upset the process. In contrast, a feedback controller does not takecorrective actions until after the disturbance has upset the process and generate an error signal.The  main  idea  of  feedforward  control  consists  of  measuring  disturbances  and  changing  themanipulated variables so  that the output of  the controller will be maintained at desired range.For example, if the influent characteristics and flow rate (disturbances) are measured and it waspossible  to  calculate  the  required  change  in  airflow  (manipulated  variable)  supplied  to  anactivated sludge process to maintain constant the dissolved oxygen concentration in the aerationtank (controlled variable),  it would be possible to  implement feedforward control.  In practice,

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

23

the  dynamic  model  of  the  process  must  be  known  and  its  mathematical  model  has  to  beavailable.

Most of  the  measurements of  the disturbances  as well  as  the  mathematical  model calculationare very difficult tasks. As a result, feedforward control has limited application in WWTPs. Thecurrent  limited  applications  of  feedforward  control  include  control  of  chemical  addition  andcontrol  of  return  activated  sludge  flow  from  the  secondary  settler  to  the  aeration  basins(Tchobanoglous et al., 2003).

In  practical  application,  feedforward  control  is  normally  used  in  combination  with  feedbackcontrol;  this  combination  can  provide  a  more  responsive,  stable  and  reliable  control  system.Combined feedforward and PI control has been proposed e.g. for external carbon flow control(Samuelsson and Carlsson, 2001) and DO concentration control (Yong et al., 2005) in activatedsludge processes.

3.3 Advanced control algorithmsAs processing plants become  increasingly  complex  in order to  increase efficiency  and  reducecosts, there might be greater incentives for using advanced control. This section will emphasizeon the techniques encountered in WWTP applications.

Cascade ControlA  disadvantage  of  feedback  control  is  that  corrective  action  for  disturbances  does  not  beginuntil  after  the  controlled  variable  deviates  from  the  set­point.  As  discussed  in  the  previoussection,  feedforward  control  requires  that  disturbances  be  measured  explicitly  and  that  themodel  be  available  to  calculate  the  control  output.  An  alternative  approach,  that  cansignificantly improve the dynamic response to disturbance, employs a secondary measurementpoints and a secondary feedback control. The secondary measurement point is located so that itrecognises  the  upset  condition  sooner  than  the  controlled  variable,  but  disturbance  is  notnecessary measured. This approach is called cascade control: one feedback controller, identifiedas  the primary  loop,  is  used  to  calculate  the  set­point  of  another  feedback  controller  thatrepresents the secondary loop. Interaction among the control loops is the most pressing reasonfor utilization of cascade control.

This  approach  is  widely  used  in  process  industries  and  it  is  particularly  useful  when  thedisturbances are associated with manipulated variables,  in wastewater treatment plants is usedmainly for the following reasons (Olsson and Newell, 1999):• Disturbance  rejection:  DO  controllers  are  often  cascaded  onto  a  flow  or  pressure  slave

slope. This filters out the disturbances caused by changes in the air supply pressure beforethe DO concentration is affected.

• Gain scheduling: one or more observable variables, called the scheduling variables, are usedto determine what operating region the system is currently in and to enable the appropriatelinear controller.

• Hysteresis  removal:  a  secondary  control  loop  can  be  added  to  supply  the  strong  controlsignal  and  remove  the  oscillations.  Valve  positioners  on  control  are  the  most  commonexamples.

A further cascade control strategy is proposed Cho et al. (2002); the controller is composed oftwo  Proportional­Integral  (PI)  controllers  to  regulate  the  nitrate  concentration  in  the  pre­

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

24

denitrifying  process  by  manipulating  the  external  carbon  dosage  as  reported  in  Figure  7.  Itcontrols  the  nitrate  concentrations  in  the  effluent  as  well  as  in  the  final  anoxic  reactorsimultaneously to strictly satisfy the quality of the effluent as well as to remove the effects ofdisturbances  more  quickly.  Assuming  that  the  concentration  of  outflow  of  the  fifthcompartment is the same as that in effluent due to no chemical reaction in the secondary settler.Then, the primary loop is composed of the nitrate concentration in the fifth compartment as theprocess output and the set­point of the secondary controller as the process input. The secondaryloop consists of the nitrate concentration in the anoxic zone as the process output and the flowrate of  the external carbon source as the process  input. The proposed approach using only theexternal  carbon  source  dosage  shows  better  regulation  results.  It  is  also  advantageous  in  themaintenance and economic aspects, using smaller number of sensors than feedforward control.

Figure 7. Configuration of cascade control loops in Cho et al. (2002).

Model predictive controlThe  basic  concept  of  model  predictive  controllers  (MPC)  is  to  choose  number  of  futureadjustments  of  the  manipulated  variables  to  minimize  the  errors  between  the  controlledvariables  and  their  set­points,  based  on  the  predicted  response  of  the  process.  MPCstraditionally use simple form of linear process models, but in recent years also nonlinear modelshave  become  more common. MPC  is capable of  handling multivariable processes, which hasmade  it  a  popular  control  method.  In  addition,  the  prediction  horizon  keeps  being  shiftedforward  and  for  this  reason  MPC  is  also  called  receding  horizon  control.  There  are  severalcommercial  MPC  software  implementations,  but  they  are  relatively  simple  to  implement  foranyone  familiar  with  modern  matrix  manipulation  techniques.  Basic  structure  of  MPC  ispresented in Figure 8.

Figure 8. Basic structure of MPC (Camacho and Bordons, 2004).

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

25

All MPC algorithms possess common elements, and different options can be chosen for each ofthe elements. These elements are (Camacho and Bordons, 2004):

• Prediction model;• Objective function;• Obtaining the control law.

The  model  is  the  core  of  MPC;  furthermore,  it  should  be  complete  enough  to  fully  captureprocess dynamics and allow  the predictions  to be calculated. The different  strategies of MPCcan  use  various  models  to  represent  the  relationship  between  the  output  and  the  measurableinputs,  some  of  which  are  measurable  variables  and  others  can  be  considered  as  measurabledisturbances which can be compensated  for by  feedforward action. Chosen model structure  isusually  a  compromise  between  process  characteristics  and  control  objectives.  Developing  afunctional  model  is  the  most  critical  and  time­consuming  part  of  designing  MPC.  Whenapplying MPC, it has to be ensured that the process model employed represents the processes insufficient accuracy. The model can be separated in two parts: the actual process model and thedisturbances model, which describes e.g. the effect of non­measurable inputs, noise and modelerrors. (Posio, 2002; Schütze et al., 2002; Camacho and Bordons, 2004)

MPC  approach  to  controller  design  involves  on­line  optimization  calculations,  which  takeaccount  of  system  dynamics,  constraints  and  control  objectives.  Various  MPC  algorithmspropose different  cost  functions  for obtaining  the  control  law.  In MPC control  future  controlactions are counted by minimizing objective function of performance over a certain predictionhorizon. Control calculation is carried out as a result of three steps:

1. Use of model  in predicting the output variables of the controlled process as future discreteover prediction horizon.

2. Calculation on future control sequence over control horizon by minimizing given objectivefunction within constraints in a way that the predicted process output variable is as close aspossible to desired reference signal.

3. In strategy of receding horizon only the first output value of control sequence received fromminimizing procedure of objective function is implemented in process control and horizonsare  slid  towards  future.  Optimization  is  repeated with  updated data  on  the next  samplingtime.

Steps 1 and 2 can be understood as control actions of open loop whereas repeating calculationin step 3, implementing the first value of control sequence to system control and discarding restof the values closes the loop.

MPC is widely used in process industries in particular (Qin and Badgwell, 2003). In wastewatertreatment behaviour of the processes is often nonlinear, which makes control challenging. MPChas been used at WWTPs e.g.  in controlling the pH value (Camacho and Bordons, 2004) anddissolved oxygen concentration (Cristea and Agachi, 2006).

Lately, Shen et al. (2008) applied MPC to the BSM1 wastewater treatment process to maintainthe effluent quality within regulations­specified limits. Good performance was achieved understeady  influent  characteristics,  especially  concerning  the  nitrogen­related  species.  The  resultsshowed  that  the  efficiency  of  operating  biological  wastewater  treatment  processes  could  be

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

26

significantly  influenced  by  an  overload  in  a  local  community  due  to  varying  wastewatersources, chemical composition and flow rate. When the plant  is highly loaded and if stringenteffluent  fines  are  imposed by  legislation,  in  coping  with  this problem  and  performing  a  costeffective  operation,  the  more  advanced  control  algorithms,  such  as  model  predictive  controlscheme, are advantageous.

Fuzzy logic controlFuzzy  control  algorithms  use  fuzzy  logic  to  allow  machines  to  make  decisions  based on  thepractical knowledge of a human operator. Fuzzy  logic  is a mathematical system that analyzesanalog input values in terms of logical variables that take on continuous values between 0 and1,  in contrast  to classical or digital  logic, which operates on discrete values of either 0 and 1(true and  false). Fuzzy control  method can  be  implemented  in  similar control  applications  ase.g. PID control and a model­based control system. Fuzzy control contains (nonlinear) mappingthat  has  been  defined  using  fuzzy  IF­THEN  statements.  Applying  fuzzy  logic  calculationsenables  to design a  nonlinear  controller, without a detailed knowledge of  the operating pointnonlinearity, as would be required for a classical control design.

A  fuzzy  control  device  consists  of  three  stages,  all  of  which  perform  calculations:  an  inputstage,  a  processing  stage  and  an  output  stage.  The  control  system  utilizes  a  database  withincludes fuzzy rule base and the numerical information needed in calculation.

The  control  is  made  in  terms  of  a  rule  base  that  performs  operations  on  the  fuzzy  sets  andinterference. In the input stage the input signals translated to fuzzy logic values (fuzzification).Multi­valued  logic  inference  rules  are  applied to  develop  the  control  action  during  theprocessing  stage.  In  the  output  stage  the  fuzzy  logic  values  are  re­translated  to  continuoussignals (defuzzification), which are used as control outputs. A generic fuzzy system is presentedin Figure 9 (Blevins et al., 2003).

Figure 9. A generic fuzzy system with fuzzification and defuzzification units and externaldynamic filters (Verbruggen and Babuška, 1999).

At first the fuzzy sets are defined and it is decided how to logically quantify control inputs. Thetypical  fuzzy  sets  for  input  signals  are  Negative  Large,  Negative  Medium,  Negative  Small,Zero, Positive Small, Positive Medium, and Positive Large.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

27

Decision making in fuzzy control follows IF­THEN rules, for example:

IF such and such states of process variables (i.e. inputs) are

THEN such and such control actions (i.e. outputs) are needed

To  establish  boundaries  for  the  set,  membership  functions  are  defined  analytically  for  everyfuzzy  set. Membership  functions  can  be  of  various  types:  linear,  parabolic,  exponential  ornormal distribution. Linear membership functions are used most often due to the simplicity andsatisfactory  flexibility.  When  developing  fuzzy  inference  rules,  it  is  important  to  understandprocess behaviour. In fact, the most common shape of membership functions is triangular. Alsotrapezoidal and bell curves are used (Figure 10). (Blevins et al., 2003)

Figure 10. Various types of membership functions representing fuzzy sets (Verbruggen andBabuška, 1999).

There  are  many  different  methods  of  defuzzification  in  which  the  control  output  value  isdetermined. The centroid method, in which the "center of mass" of the result provides the crispvalue,  is  very  popular.  Another  approach  is  the  height  method,  which  takes  the  value  of  thebiggest contributor (Kova  and Bogdan, 2006).

Use of  fuzzy controller  can be reasonable  for various purposes  in wastewater treatment (1)  ifthere  is  no  analytical  model  of  the  WWTP  available,  (2)  if  the  model  is  too  complicated  tocompute a controller by classical methods or (3) if the control goals are not defined precisely.

Fuzzy  logic  control  does  also  have  some  downsides,  which  are  described  in  the  following.(1) Knowledge  acquisition  can  be  very  troublesome.  It  is  often  hard  even  for  an  experiencedoperator  to  express  how  control  should  work.  (2) Tuning  a  fuzzy  logic  controller  is  difficultbecause there are no systematic tuning methods for them. Often set of rules for the control hasto  be  tuned  many  times  by  trial  and  error  before  the  demanded  level  of  performance  isachieved. This can be troublesome and take lots of time. (3) Because fuzzy logic control doesnot exactly  model  the controlled process,  it  is difficult  to prove the control  to be optimal andstabile. The larger the set of rules is, the bigger the problem often is. (4) Testing the control isdifficult if the fuzzy set of rules is large. When the size of set of rules enlarges, becomes testingmore complicated because of interactions between the rules.

Fuzzy logic control has been applied e.g. for controlling of sludge height in secondary settler ofa  WWTP  (Traoré et  al.,  2006)  and  in  optimizing  volume  distribution  in  each  stage  of  a  stepfeeding  activated  sludge  process  (Zhu et  al.,  2009).  Fuzzy  control  has  also  been  used  incontrolling  nitrate  recirculation  flow  and  external  carbon  addition  in  a  pre­denitrification

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

28

process using oxygen reduction potential (ORP) measurement as a control parameter (Peng etal., 2005).

Artificial neural networksNeural Network (NN) model is a complex interaction between fairly simple expressions calledneurons.  NN  models  are  able  to  represent  both  linear  and  nonlinear  relationships.  ArtificialNeural  Network  (ANN)  is  an  information  processing  paradigm  that  is  inspired  by  the  waybiological  nervous  systems process  information.  ANN consists of group of artificial  neurons.Neurons are simple data processing units connected to each other. Furthermore, neuron consistsof the following units: (1) synapse, (2) adder and (3) activation function (Lingireddy and Brion,2005).

Figure 11. Schematic representation of a typical ANN (Lingireddy and Brion, 2005).

ANN model is a simplified view of the structure of brain combined with mathematical  logics.The  network  is  composed  of  a  large  number  of  highly  interconnected  processing  elements(neurones)  working  in  parallel  to  solve  a  specific  problem.  ANNs  are  taught  by  examples,which should be selected carefully, and they can not be programmed to perform a specific task.In  most  cases  an  ANN  is  an  adaptive  system  that  changes  its  structure  based  on  external  orinternal  information that flows through the network during the learning phase. Before  learningANN typically starts out with randomized weights for all their neurons. The ability of ANNs toapproximate  complex  nonlinear  relationships without  prior  knowledge of  the  model  structuremakes them attractive alternative to classical modelling and control technology. ANN consistsof neurons divided to input  layer, hidden layer(s) and output layer (Figure 11). The activity ofthe  input units  represents  the  raw  information  that  is  fed  into  the network.  In  the  input  layerthere  is one  neuron  for  each  model  input. There  are one or more hidden  layers  in  ANN. Thehidden  layers  perform  a  weighted  sum  of  inputs  from  each  neuron  of  the  previous  layer,transform the sum according to some activation function and distribute the result to each neuronof the next  layer. Subsequently,  the output  layer produces the  final output. Each neuron takesmany input signals and based on an internal weighting system, produces a single output signal,which is typically sent as input to another neuron (Lingireddy and Brion, 2005).

Radial Basis Function Networks  (RBF)  is  type of ANNs, which  have only one  hidden  layer.RBF has been shown to be better than traditional ANN in fault detection applications. In RBFinputs are process measurements and outputs each indicate a certain fault or operating condition(Olsson and Newell, 1999).

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

29

In  the  process  industries,  one  frequent  application  of  NNs  is  as  a  soft  sensor.  When  manyphysical measurements about the process are known, the value of an unmeasured variable canbe computed,  in real  time, using a neural network software program.  In wastewater treatmenthybrid  time­delay  neural  networks  (TDNN)  combined  with  principal  component  analysis(PCA)  has been used  in  a  soft  sensor predicting  effluent BOD value  (Zhao and  Chai, 2005).ANN has also been used in control of coagulation, flocculation and sedimentation processes inwater  treatment  (Lingireddy  and  Brion,  2005)  and  to  keep  the  concentration  of  the  recycledsludge proportional  to the  influent  flow rate  in presence of disturbances, parameter variationsand measurement noise (Baruch et al., 2005). Neural networks have great potential in control ofwastewater treatment processes in general and anaerobic sludge digestion in particular (Olssonet al., 2005).

3.4 Control applicationsIWA/COST Benchmark Simulation Models have used in number of studies on different controlstrategies during the recent years. Also other modelling and simulation environments have beenused in several of the research papers. Real plant experiments have been relative rare, and oftentesting of control strategies using dynamic simulation have preceded real plant tests.

BSM1 applicationsBSM1 protocol has been often used  in  studies on different control  strategies, operational costestimation and risk evaluation in wastewater treatment.

Six  different  integrated  control  strategies  in  pre­denitrifying  ASP  were  tested  by  Yong et  al.(2006)  using  the  IWA/COST  Benchmark  Simulation  Model  BSM1.  The  integrated  controlstrategies concern nitrate recirculation flow rate and external carbon dosage. ASM1 model wasused for  modelling  the  wastewater  treatment  process  and  the  controllers  were  implementedusing  Matlab/Simulink  software.  The  proposed  control  strategies  are  presented  in  Figure  12.The nitrate recirculation flow rates are increased at night (low­load periods) maximizing the useof influent and intercellular COD for denitrification. During daytime (high­load periods) nitraterecirculation flow rates are lower. Furthermore, external carbon dosage is low at night and highat daytime. Compared to pre­defined simple control example all the integrated control strategieswere noticed to improve significantly the effluent quality; the average nitrate and total nitrogenconcentrations in the effluent were reduced by 42­47% and 29­33% respectively. However, theeffluent ammonium concentration was increased by 3.5­13%.

Integrated  control  strategies  for  nitrogen  removal  in  activated  sludge  processes  were  studiedusing  BSM1 by Yong et al.  (2006). The strategy no. 1 was concluded  to be  the  best one  fornitrate  recirculation  flow  rate  and  external  carbon  dosage  in  terms  of  external  carbonconsumption and plant performance criteria. The strategy makes best use of plant denitrificationcapacity and maximizes the use of influent COD for denitrification. In the control strategy no. 1there are two feedback control loops; one to determinate the flow rate of external carbon sourceto the first anoxic zone in order to keep the nitrate concentration at the defined level at the endof the second anoxic zone, and the other one to adjust the flow rate of the nitrate recirculation tomaintain the nitrate level at defined level at the end of last aerobic zone.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

30

Figure 12. Six integrated control strategies of nitrate recirculation and external carbon addition(Yong et al. 2006).

Samuelson et al. (2007) researched optimal set­points and cost minimizing control strategies fordenitrification  process  in  the  activated  sludge  process  using  BSM1;  nitrification  process  wasnot considered  in the  study. The manipulated variables are  the  internal recirculation  flow rateand  the  flow  rate of  an external  carbon source;  while,  the  controlled  variables  are  the  nitrateconcentrations  in  the  last  anoxic  zone  and  the  effluent.  Three  dynamic  data  input  files  aredefined in the Benchmark Simulation Model, each describing different weather conditions. Thestationary  operational  costs  of  the  denitrification  process  were  analysed  and  presented  instationary  operational  maps  together  with  considered  output  signals  (Figure  13).  The  partialcosts taken into account were: (1) pumping costs (required energy), (2) aerations costs (requiredenergy), (3) external carbon source costs, and (4) possible fee for effluent nitrate discharge. Thesimulations were done e.g. with different energy prices, with a cost­free external carbon sourceand without a fee  for nitrate effluent  load. As a result,  it was  found out that cost­optimal set­point of nitrate in the anoxic zone depends on the choice of effluent nitrate set­point.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

31

Figure 13. Stationary operational map for a grid of different values of external carbon sourceflow (Qcar) and internal recirculation flow (Qi) for the case with no nitrate fee. Solid lines showthe total cost in EUR, dash­dotted lines show effluent nitrate concentration Se

NO (mg(N)/l), anddotted lines show the nitrate concentration in the last anoxic compartment San

NO (mg(N)/l)(Samuelsson et al., 2007).

There  are  several  possibilities  how  to  design  the  actual  control  law  in  order  to  minimizeoperational  costs:  (1)  using  two  different  control  loops  to  control  the  effluent  nitrateconcentration  Se

NO  and  the  nitrate  concentration  in  the  last  anoxic  compartment  SanNO

separately, (2) using constant high internal recirculation flow rate (since the impact of it on totalcost is much smaller than the impact of external carbon source flow), (3) using quadric criteria,for example Linear Quadratic Controllers (LQC) or Model Predictive Controllers (MPC), on­line  for minimization of  total cost, or  (4) using a  simple grid  search on­line until  the optimalpoint is reached. The presented operational cost minimization tool could be valuable in runningWWTP  in a more cost effective way,  but before that  the approach should be extended  to alsoconsider  nitrification  process,  and  it  should  also  be  evaluated  using  on­line  data  from  a  full­scale WWTP (Samuelson et al., 2007).

Stare et al. (2007) proposed several control strategies for nitrogen removal. The strategies wereevaluated  using  BSM1  and  operating  cost  was  used  as  evaluation  criteria;  moreover,  theoperating cost consists of aeration costs, sludge disposal costs, external carbon dosage costs andeffluent  fines.  The  manipulated  variables  used  in  the  study  were  external  carbon  flow  rate(Qcar), DO set­point (Soset) and oxygen transfer rate (KLa) while the other variables were set tothe constant values. The five different control strategies studied were (a) constant manipulatedvariables, (b) oxygen PI control, (c) nitrate and ammonia PI control, (d) nitrate PI and ammoniafeed forward­PI control, and (e) model predictive control (Figure 14). The more advanced thecontrol  strategy  is,  the  more  on­line  measurements  and  additional  sensors  are  needed.  In  thecontrol strategy (e) a multivariable and nonlinear MPC was implemented.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

32

Figure 14. Control structures: (a) constant manipulated variables, (b) oxygen PI control, (c)nitrate and ammonia PI control, (d) nitrate PI and ammonia FF­PI control, and (e) model

predictive control (Stare et al., 2007).Optimal operating set­points points were determined using operational maps and each controlstrategy was simulated using the optimal set­point values. The results showed that with nitratePI  and  ammonia  FF­PI  control  almost  the  same  operating  cost  can  be  achieved  as  withadvanced MPC algorithms. When the plant is highly loaded the MPC algorithm was noticed tobe advantageous. Thus, for sensitive discharge points where preventing high peak values in theeffluent  is  important  implementing  an  advanced  control  algorithms  is  reasonable.  For  lesssensitive water bodies using simple control algorithms was concluded to probably be sufficient(Stare et al., 2007).

Control of aeration volume in an ASP was investigated by Ekman et al. (2006). In the proposedcontrol strategy DO concentration in some of the compartments is determined by a higher levelcontroller driven by the DO concentration in other zones; thus, DO set­point is time­varying forsome of the zones. BSM1 benchmark protocol was used in the research; similarly, the strategieswere also tested by test runs at a pilot plant in Hammarby Sjöstad (Stockholm). The main ideaof  the  suggested  aeration  volume  control  strategies  can  be  described  as  follows:  (1) duringperiods  of  low  influent  load  a  relatively  low  number  of  compartments  are  aerated  usingcontrollers  with  pre­specified  DO  set­points,  and  (2)  when  the  influent  load  increases,  someadditional  compartments  are  also  aerated.  In  the  suggested  cascade  control  strategy  extrasupervisory  (master)  PI  controllers  are  implemented;  furthermore,  the  supervisory  controllershave to be tuned so that the inner control  loop is much faster than the outer control  loop. Themain idea for the cascade control of the first and the last aerobic compartments is to aerate thecompartment  only  when  necessary.  Simulation  studies  were  conducted  for  the  suggestedcascade control strategy, as well as for a constant DO control strategy and for a supervisory set­point control strategy based on ammonium concentration measurements. In pilot plant test runsit was concluded that the suggested aeration control strategy gives lower effluent concentrationsand requires  lesser total aeration energy compared to a traditional constant DO control. It wasalso highlighted that tuning of the aeration volume controller must be done with care.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

33

A  risk  assessment  model  for  settling  problems  of  microbiological  origin  in  activated  sludgesystems was proposed by  Comas et al.  (2008). Common operational problems are caused  bymicroorganism population  imbalances between  filamentous and  floc­forming  bacteria  leadingto filamentous bulking, filamentous foaming and deflocculation. A fuzzy rule­based system forrisk assessment  for settling problems was  tested using BSM1. A knowledge related to risk offilamentous bulking proliferation was synthesized  into a decision  tree;  moreover,  each of  thethree  branches  of  the  decision  tree  evaluates  one  of  the  three  main  causes:  low  DOconcentration,  nutrient  deficiency  and  low  F/M  (food­to­microorganism)  ratio  or  substratelimiting conditions. Seven variables can be used by the decision tree as indicators to assess riskof filamentous bulking: SRT, DO, F/M (removed), F/M (fed), BOD/N, BOD/P and Ss (readilybiodegradable  substrate  concentration).  The  risk  estimation  implies  three  main  steps:fuzzification, fuzzy inference of the risk through Mamdani approach, and defuzzification of theoutput  variable.  Two  case  studies  in  modelled  activated  sludge environment  were  performedand thus detection of microbiology­related separation problems illustrated. The output from theproposed  risk  assessment  system  can  be  used  as  plant  performance  criteria  together  with  theusual criteria: operational costs and effluent quality.

BSM2 applicationsLately,  IWA/COST  Benchmark  Simulation  Model  No.  2  (BSM2)  protocol  has  been  used  inplant­wide  studies  on  control  strategies  and  performance  evaluation.  The  plant  used  in  theprotocol is in Figure 2.

Effects  of  different  control  strategies  can  be  evaluated  using  multi­criteria  decision  analysis(Flore­Alsina et al., 2008). Evaluation of six WWTP control strategies was demonstrated usingBSM2 as  a case study;  in particular,  environmental,  legal,  technical and economic objectiveswere  taken  into  account.  Plant  performance  evaluation  was  done  using  data  of  one  weekdynamic simulation. Multi­criteria evaluation was performed both without uncertainty and withuncertainty by means of model input probability distributions. Three classes of uncertainty weredistinguished  for  stoichiometric  (5%  upper  and  lower  bounds),  kinetic  (25%)  and  influentfraction  (50%)  parameters.  Different  control  strategies  were  noticed  beneficial  regarding  todifferent objectives considered. The results were analyzed using  several descriptive  statisticaltools  and  it  was  possible  to  see  how  different  uncertainties  affected  the  different  outcomes.Multi­criteria decision analysis results in a more transparent decision making process, improvedunderstanding  on  the  process  and  the  trade­offs  between  different  objectives;  additionally,uncertainty analysis allows identification of potential problems at WWTP early on.

Multivariable  statistical  techniques  were  used  in  analysis  of  plant­wide  WWTP  controlstrategies;  furthermore,  the  methods  used  were  cluster  analysis  (CA),  principal  componentanalysis/factor analysis (PCA/FA) and discriminant analysis (DA). BSM2 protocol was used inevaluation  of  12  different  control  strategies.  The  data  generated  during  the  last  364  of  thesimulation  were  used  for  the  evaluation.  Variables  relating  to  economical,  environmental,technical and legal aspects were used for evaluation criteria. First, CA indicated that there werefour main types of control strategies. Next, PCA/FA showed the main correlations between theevaluation  criteria  and  the  control  strategies  influencing  those  criteria.  While  there  were  26original variables, five principal components explained 96% of the total variability. Then, DAshowed that only six parameters were useful to discriminate within the classes obtained by CA.To  summarize,  the  combination  of  these  multivariable  statistical  techniques  improved

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

34

significantly the accessibility of  information needed  for effective evaluation control  strategies(Flores et al., 2007).

Real plant control examplesA methodology to estimate the costs and benefits of advanced control for WWTPs was studiedby  Devisscher et  al.  (2006);  the  methodology  is  called  MAgIC  (matrix  for  advancedinstrumentation  and  control).  Wastewater  treatment  process  was  modelled  by  implementingSimulink and the modelling framework was based on ASM1 model. The main cost categoriesconsidered  were:  (1)  aeration  energy,  (2)  pumping  energy,  (3)  mixing  energy,  (4)  chemicals,and  (5)  sludge  treatment  and  disposal.  Because  of  few  quantitative  data  for  influentcomposition was available, a software synthetic influent generator was built and a daily patternwith variable amplitude was added to the flow rate data. Operational data was taken from dailyreports of the plant consisting of daily incoming flow rates, operational settings such as DO set­points,  waste  sludge  flow  rates,  recirculation  fractions  and  denitrification  percentages.  Bothmanual  and  on­line  controls  were  simulated;  furthermore,  short  response  time  of  the  on­linecontrol  compared  to  an  ideal  manual  control  was  noticed  to  decrease  aeration  energy  andprecipitation chemical  flow rate while at same time to improve the effluent quality. Saving  inaeration energy by advanced control ranged from 10 to 20%, and saving in chemicals dosing upto 30%. It was estimated that on­line control would become cost­effective at plant sizes above50 000 p.e., if a payback period shorter than two years was required. The methodology has beenapplied to four WWTPs in Belgium; the plants had been in operation for at  least two years inorder to have a sufficient amount of data.

A  hierarchical  two­level  control  to  track  DO  reference  trajectory  in  activated  sludge  processwas proposed and  investigated  by  Piotrowski et  al.  (2008).  A  hierarchical  multilayer  controlstructure  presented  in  Figure  15  utilizes  multiple  time  scales  in  the  plant  dynamics;  the  fastcontrol  sub­layer  (FCS)  and  the  medium  control  sub­layer  (MCS)  for  aeration  control  wereconsidered  in  the  research.  An  aeration  system  is  a  complicated  hybrid  nonlinear  dynamicalsystem with faster dynamics than the internal dynamics of the DO at a biological reactor. Theobjectives of the control are to force DO concentrations in the zones of activated sludge processto follow the prescribed references and also to minimize the associated electricity cost due  toblowing air to the reactor. The control handles in typical aeration systems are: blower structureon/off, blower speeds and the angular positions of the throttling valves. In the aeration controlstructure the lower level controller (LLC, operates on fast time scale) uses the aeration controlhandles  in  order  to  produce  the  airflow  trajectories  that  follow  the  trajectories  prescribed  byupper level controller (ULC, operates on slow time scale) and to minimize the electricity costsdue to aeration. There are minimum and maximum pressure constraints for airflow blown. Twotypes  of  blowers  can  be  used:  fixed­speed  motors  and  variable­speed  motors.  A  hybridnonlinear model predictive control (HNMPC) was applied for LLC because of nonlinearity ofthe input­output model.

The  two­level  DO  control  structure  was  tested  at  Kartuzy  WWTP  in  northern  Poland;specifically,  the  treatment  process  used  was  UCT  (University  of  Cape  Town)  process.  Theprocess  was  modelled  applying  ASM2d  model,  which  was  calibrated  on  the  plant  operationdata;  the  model  was  implemented  in  a  simulation  package  SIMBA  and  calculations  werecarried  out  in  Matlab  and  General  Modelling  Environmental  Systems  (GAMS)  environment.The HNMPC optimization task at the LLC was solved using GPLEX solver. It was concludedthat  the  hierarchical  controller  optimizes  the  operation  costs  and  hence  does  not  throttle  the

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

35

airflow by closing valves more than necessary. As a result, the computing time needed by thecontroller to generate the control actions was noticed to be small and real­time implementationat the WWTP to be very feasible (Piotrowski et al., 2008).

Figure 15. Information structure of the two­level hierarchical controller for DO optimisedtracking (Piotrowski et al., 2008).

A  supervisory  control  strategy  for  Galindo­Bilbao  WWTP  (Spain)  was  designed  and  testedcombining  model  simulations,  pilot­plant  experimentation  and  full­scale  validation  (Ayesa etal.,  2006).  The  control  strategy  combines  three  complementary  control  loops  in  order  tooptimize  nitrogen  removal  in  a  pre­denitrifying  activated  sludge  plant.  The  first  controllermaintains the selected 24­h­averaged ammonium concentration in the effluent by choosing themost  appropriate  DO  set­point  in  the  aerobic  reactors.  24  hours  mobile­averaged  window  isused  to  filter  the  typical  variation  in  the  effluent  concentration  created  by  the  daily  loadvariation. The second control strategy aims at the optimum use of the denitrification potential ofthe plant by selecting the most appropriate nitrate recycle flow. The objective is to maintain alow and stable concentration of nitrates at the end of the anoxic zone; additionally, the controlis  based  on  the  instantaneous  value  of  the  nitrates  in  the  anoxic  zone  and  does  not  need  amobile averaged filter. The third control loop maintains the selected 24­h­averaged value of thetotal  mass  of  suspended  solids  in  the  biological  reactor  via  automated  manipulation  of  thesludge wastage rate.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

36

Figure 16. Schematic description of supervisory control loops for (a) DO set­point control, (b)internal recycle control and (c) sludge wastage control (Ayesa et al., 2006).

Modelling and simulation were performed using ASM1 model and WEST simulation platform;moreover,  the  optimum  operational  strategies  were  designed  using  model­based  optimizationalgorithms. The controllers were designed and verified using model simulations and pilot­scaleexperimentation. Similarly, the full­scale implementation and validation of supervisory controlstrategies  (Figure  16)  was  done  at  one  treatment  line  of  the  Galindo­Bilbao  WWTP.  Asimultaneous reduction of both 2.0 mg/l of effluent nitrates (and consequently in total nitrogen)and  a  fall of  15­20%  in  aeration  has  been  obtained  in  full­scale  operation,  corroborating  theresults estimated by simulations (Ayesa et al., 2006).

3.4 Plant­wide controlPlant­wide  control  can  be  defined  as  the  combined  sewer  network  and  WWTP  control  andoperation (Olsson et al., 2005). By integrating controls of sewer network and WWTP capacitiesof both systems can be used more efficient. Especially at the seasons with heavy rainfalls andstorm  waters  WWTPs  are  often  overloaded,  which  may  lead  to  increased  nutrientconcentrations in the effluent and possible washout of the activated sludge organisms. Aim ofthe integration is minimized impacts on the receiving water.

By using plant­wide control the storage capacity of the sewer system (and possible equalizationbasins)  is  utilized.  This  does  not  only  help  operation  at  times  of  high  flow  rates;  when  thestorage  capacity  is  properly  managed,  different  wastewaters  are  better  mixed  and  the  load  toWWTP is more equal, which easies operation. On the other hand, if WWTP and sewer networkare operated separately,  the plant  influent  flow rate  is  an external disturbance. By combiningcontrol of WWTP and sewer network the influent flow becomes a manipulated variable and theexternal  disturbances  are  located  further  upstream.  Integrated  computer  system  gives  thenecessary  information  infrastructure  for  plant­wide  control.  A  plant­wide  control  system

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

37

assumes  that  unit  processes  are  controlled  locally;  however,  it  does  also  consider  theinteractions between different parts of the plant (Olsson and Jeppson, 2006).

Plant­wide modelling  has also been developed and done  research on.  In  the models  there aresewer network, wastewater treatment plant and receiving water or two of the aforementioned.Calibrating  plant­wide  models  is  challenging;  the  individual  submodels  have  first  to  becalibrated  and  verified  and  after  which  the  complete  model  has  to  be  tested  and  verified  fordifferent  situations.  In  Olsson  and  Jeppsson  (2006),  River  Water  quality  Model  no. 1(RWQM1) has been developed with the intended aim of compatibility with the ASM models.

Schütze et  al.,  (2004)  stated  that  the  systematic  development,  evaluation  and  tuning  ofintegrated control procedures is expected to be done with integrated simulators are currently infull development. In their work a global optimal predictive real time control (RTC) system wasimplemented in Quebec Urban Community. The system consists of finding the  flow set­pointsthat minimize the value of a multi­objective function, with respect to physical and operationalconstraints. The control objectives  in  the RTC system  are  in decreasing order of priority:  theminimization  of  overflows,  the  maximization  of  the  use  of  treatment  plant  capacity,  theminimization of accumulated volumes and the minimization of variations of the set­points. Thesewer  network  distributed  control  procedure  is  divided  in  three  hierarchical  levels:  level  1consists of local control of the actuator; level 2 includes several level 1 stations; and the globaloptimal  predictive  RTC  represents  the  level  3.  In  particular,  RTC  control  system  uses  flowmonitoring,  water  level  data,  rainfall  intensity  data,  radar  rainfall  images  and  2­h  rainpredictions. The optimization problem  is solved every 5 min control  time step by a nonlinearprogramming  algorithm.  By  optimizing  the  use  of  two  tunnels  and  capacity  of  the  WesterlyWWTP,  RTC achieved 70%  reduction  in  overflow  volume  in  2000.  The costs  of  planning  aRTC can be quite high, but it can help to prevent building new tanks or extending capacity ofexisting infrastructure at even higher costs, thus often resulting in significant savings. The RTCsystem has to adapt to different conditions and varying rainfall  intensities and space and timedistribution. Also,  the data has to be synchronized and updated more quickly  for control thanfor supervisory purposes only, especially in sewer systems with short runoff concentrations andflow times.

Control  structure  and  algorithms  for  optimizing  control  of  integrated  wastewater  treatmentplant­sewer systems (IWWTS) were designed and implemented at Kartuzy WWTP in northernPoland by Brdys et al. (2008). Control structures were combined with multivariate optimizingalgorithms.  Model  predictive  control  (MPC)  was  used  and  control  strategies  for  threeoperational  states  were  designed:  normal,  disturbed  and  emergency  operational  state.  Duringhigh  hydraulic  loads  the  aim of  the  control  system  is  maximizing utilization of  the  hydrauliccapacity of the sewer and equalization tanks and maximizing hydraulic capacity of the WWTP.The treatment process used at Kartuzy WWTP is UCT (University of Cape Town) process. Inthe multilevel hierarchical  structure of  the control system (Figure 17)  there are three differentlevels: a supervisory control  layer (global knowledge of current activity  in the entire system),an optimizing control layer (control objectives split in three sub­layers; slow, medium and fastprocess dynamics  time  scales) and a  follow­up control  layer  (in which  the simple  controllersfollowing the set­points are located). Firstly, Slow Control Sublayer handles objectives over ahorizon of a week up to several months; manipulated variables are sludge retention time, masssludge and pumping in/from equalization and septic tanks. Secondly, Medium Control Sublayerhandles  objectives  over  a  horizon  of  a  day;  manipulated  variables  are  DO  concentrations,

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

38

recirculation  flow  rates  and  chemical  precipitation.  Finally,  Fast  Control  Sublayer  operatesobjectives over a horizon of one hour;  it  is  responsible  for effluent quality during heavy rainsand  of  short  duration  events,  actuator  constraints  and  meeting  demands  on  desired  DOconcentrations prescribed in the previous sublayer. A grey box model, which results from a vastsimplification  of  ASM2d  model,  was  used  in  the  research  for  the  predictive  control.  Thedifferent control strategies for various operational stages were switched softly. In fact, the mainobjective of control strategy CS1 is to minimize an overall operation costs. Moreover, for CS2the  main  objective  is  to  minimize  the  discharged  pollution  load  and  for  CS3  to  avoid  orminimize overflows. In the simulation of the MPC SIMBA 4.0 package was used as a real plantsimulator while sequential quadratic programming (SQP) solver from TOMLAD Optimisationwas applied to carry out the optimization tasks. For the simulations a 6­day long testing inputwas designed and controller was successfully validated.

Figure 17. Hierarchical intelligent control structure (Brdys et al., 2008).

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

39

Chapter 4. Sensors and data analysisUntil very recently  instrumentation was one of the main bottlenecks  in  improving wastewatertreatment automation and consequently control and  monitoring were complicated  tasks  in  theplant. Mainly due to the fact that during the last years WWTPs have been upgraded from beingrelatively  simple  mechanical/biological  plants  for  removal  of  organic  matter  and  suspendedsolids  to  being  complex  processes  with  physical,  chemical  and  biological  units,  most  of  theplants  implemented  modern  SCADA  (supervisory  control  and  data  acquisition)  systems  forsubstituting old techniques for data acquisition and control. Even if the control of  the plant  isstill based on simple schemes, the  instrumentation  is no  longer being considered a bottleneckfor monitoring WWTPs (Olsson et al., 2006).

Information  collected  in  SCADA  system  of  WWTP  can  be  reused  in  soft  sensors  for  e.g.instrument  monitoring,  fault  detection  and  redundancy  control.  The aim  of  this Chapter  is  togive a brief but yet exhaustive overview on the used instrumentation and data analysis done inWWTPs.

4.1 Sensors and Analysers

On­line sensorsAs  stated  by  Olsson  and  Newell  (1999),  “the  sensors  are  the  eyes  and  ears  of  the  controlsystem” and it  is quite obvious that process control needs sensors and analyser for continuouson­line  implementation.  Common  sensors  are  reported  in  Table  1,  their  use  is  increasing  foradvanced  control  of  WWTP,  and  this  gives  rise  to  an  important  improvement  in  operatingsafety and better operational economy (Olsson et al., 2004).

Table 1. Commonly uses measurements in WWTPs (Olsson et al., 2004).

Flow Sludge concentrationLevel and pressure Sludge blanketTemperature NutrientspH Total N and PRedox Organic matter with UV absorbanceConductivity FluorescenceOxygen BiogasTurbidity

In particular, nutrient sensors technology is based on automated laboratory methods, it requiressample flow without suspended solids which represents in some extend the weakness in the on­line measurement: sampling and possible pre­treatment of the sample stream. The developmentof nutrient sensors is based on the solution of these key aspects, focusing also on the reductionof chemical consumption, leaving still room for improvements.

Soft­sensorsWhen nutrients analyser or generally speaking some needed measurements are not available on­line,  in  a  successful  manner,  they  can  be  estimated  a  soft­sensor,  which  represents  acombination of robust hard­sensors and a mathematical model defined to reconstruct the timeevolution of the unmeasured states. In this way, we can build very powerful monitoring tools,

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

40

which can be used to follow the time evolution of variables that are not accessible on­line. Suchtools can also be used for diagnosis about the operation of the plant and help the operator or asupervision system to take the appropriate actions to maintain the process in a good operatingconditions, diagnose possible process failure or prevent accidents.

A software sensor can be defined as an algorithm built from a dynamical model of a process toestimate  on­line  unmeasured  variables  and/or  unknown  (or  poorly  known)  parameters  (e.g.,specific  reaction  rates,  or  some  other  kinetic  or  yield  coefficients)  from  few  measurementsavailable on­line (typically, flow rate, nutrient concentrations, turbidity, pH, etc.). In that sense,these tools can be viewed as ”sensors” based on an algorithm (software): for  this reason theyare  called  ”software  sensors”  or  ”soft­sensors”.  They  essentially  refer  to  the  state  estimationproblem of determining the values of the states variables.

In order to describe  the  basic  concepts of a  state estimator, we consider  the  simple case of  aprocess  model  (without  any  measurement  errors  or  process  noise)  as  expressed  in  the  statespace, time invariant form:

CxyBuAxx

=+=&

(4.1)

The matrices A, B, C contain the characteristic parameters of the system, u is the vector of theinputs or forcing functions, x are the state variables and y are the output observations.If  the  system  in  4.1  is  observable,  on­line  estimates  of  the  states x   are  obtained  from  thefollowing  observer  equation  4.2  in  which  a  driving  term  is  included  to  minimizing  theobservation error (e = y − y ) between measured values y and model prediction y = Cx :

)yK(yBuxAx ˆˆˆ −++=& (4.2)

Estimates of the states are therefore obtained by simply integrating equation 4.2 and the designof the observer reduces to the adequate choice of the matrix K, the gain matrix. The standardapproach starts  from  the desire  to minimize  the observation error.   The aim  is  reduced  to theproblem of designing  the gain  matrix  in  such a way  that  the observation error decreases  in  adesirable way.

Depending on the way to choose the gain matrix K, several examples of software sensors canbe found in literature. In particular, there exist four fundamental approaches to observer design(Alvarez, 2000) for nonlinear system:• Extended Kalman filter (Kalman, 1960): the most widely used state estimation technique in

chemical engineering. Its design is simple but lacks in both stability criteria and systematictuning procedures.

• Geometric  observer  (Kremer,  1987):  which  guarantees  robust  stability  with  linear  input­output errors dynamics.

• High­gain approach (Gauthier, 1992): which guarantees stability, but has a complex tuningprocedure.

• Sliding mode (Slotine, 1987): which guarantees robust stability, but has an elaborate design.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

41

Many soft­sensor applications in wastewater treatment can be found in literature. For example,Lindberg (1997) proposed on­line methods for estimating the time­varying respiration rate andthe  nonlinear  oxygen  transfer  function  from  measurements  of  the  dissolved  oxygenconcentration. Also a work presented by Sotomayor et al. (2002) deals with oxygen estimation:they considered the design of a soft­sensor  for on­line estimation of the biological activity ofmicro­organisms in an ASP, which are intimately related to the dissolved oxygen concentration.Benazzi et al.  (2005) proposed a soft­sensor  implementation based on an EKF for  the on­linetracking  of  the  total  suspended  solids.  Aguado et  al.  (2006)  compared  different  predictivemodels  for  nutrient  estimation  in  a  sequencing  batch  reactor  (SBR):  principal  componentregression (PCR), partial least squares (PLS), and artificial neural networks (ANNs), in order tofind the most  feasible soft­sensor  for the SBR. Äijälä and Lumney (2006)  investigated a  flowcontrol throughout  Rya  WWTP  in  Göteburg  (Sweden).  The  controller  was  implemented  toreduce  internal  disturbances  and  to  provide  a  firm  foundation  for  more  advanced  processcontrol. No flow measurements was available in all the points they were needed for control; forthose points  flow rate was estimated where  necessary  by simple  flow  balance  models  mainlybased on  available  on­line  instrumentation. For pumping  stations,  soft­sensors  were  based  onlift height and motor frequency or power. In this case, soft­sensors were also used for alarms,the  flow control  system  for operating  bypass water gate and adjustment of  recirculation  flowset­point of trickling filters. Soft sensors have been noticed to be robust and to reliably indicateon­line  measurement  deviations.  Nonlinear  geometric  observer  was  used  for  nutrientcomponent estimations by Mulas (2006), in order to predict the dynamic behaviour of nitrogencompound in activated sludge process for control purposes.

Predicting the wastewater characteristicsVariations in wastewater flow rate and concentrations of components occur daily, monthly andyearly;  in  certain patterns  the  variation can  be described  by  time  series  model.  A  time  seriesmodel to forecast  influent  flow rate,  temperature, COD, NH4­N and PO4­P concentrations  forseven  days  in  advance  was  developed  in  South  Korea  (Kim et  al.,  2006).  Three  differentmethods  were  tested  for  developing  a  simple  forecasting  model  according  to  the  number  ofmodels and forecasting steps (Figure 18). Field plant operation data of D­city WWTP for 150days and 100 days were used  for  model development and  model  validation  respectively. Theinfluent data was not measured every day; in fact, the measurement intervals were 2­4 days onaverage and 10 days at a maximum. Missing values were  interpolated with the spline methodfor application to the time series analysis. ARIMA (autoregressive integrated moving average)analysis  was  also  performed  to  generate  re­interpolated  values  of  influent  characteristicsconsidered and a linear regressive model was developed. In conclusion, the method No. 3 (Onemodel  and  one­step­ahead  forecasting)  was  considered  to  be  the  best  of  the  three  methodstested since forecasting did not result  in any accumulated error and the coefficients estimationwas simple and easy.

Dellana and West (2009) have made a research on comparison of multi­period predictive abilityof linear ARIMA models to nonlinear time delay neural network (TDNN) models in wastewatertreatment  applications.  In  the  study  artificially  generated  data  sets  were  used  to  simulatewastewater  process  characteristics  as  well  as  real­world  wastewater  data  sets.  TDNN  wasclearly  superior  for  single  period  forecasting.  However,  when  complexity  was  increased  theTDNN did not have an accuracy advantage over ARIMA. TDNN was more accurate for singleperiod and multi­period predictions for measures of nitrogen, phosphorous and BOD.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

42

Figure 18. Procedure for development of time series models with three different methods (Kimet al., 2006).

As plant­wide modelling and benchmarking simulations will apparently be  important researchand  development  methods  in  the  near  future,  there  is  still  a  major  challenge  for  plant­widecontrol  in  real  plants:  predicting  the  influent  flow  rate.  For  this  reason,  using  data  frompumping  stations  in  the  catchments  area  of  the  plant  instead  of  using  rain  gauges  a  majoruncertainty in the calculations is avoided (Olsson and Jeppson, 2006).

4.2 Data analysis and fault detectionSometime  having a  lot of  measurement data available means  that  there  is  the  need  to extractrelevant  information.  In  this  case,  instrumentation  has  to  be  combined  with  adequate  datascreening,  measurement  processing  and  more  or  less  sophisticated  extraction  of  feature  fromthe measurements, since the today problem is not the lack of data, but data that reveals adequateinformation.

Data screeningThe possibility to finely perform on­line monitoring and process control depends on the qualityof data; for this reason, data screening represents a very important task. Data screening methodsprovide the researchers, as well as the plant operators, essential means to detect potential dataproblems  by  identifying  data  entry  errors,  missing  values,  possible  outliers,  non­normaldistributions, etc. A compressive but yet complete review on data screening methods used alsoin wastewater application can be found in Olsson and Newell (1999) and later in Olsson et al.(2004).

Data reconciliationMeasured  data  of  WWTPs  often  contain  errors,  which  can  be  reduced  by  using  datareconciliation.  This  is  essential  before  using  data  for  modelling,  process  evaluation,  processdesign  and  benchmarking  purposes.  Application  of  mass  balances  in  difficult  because  of

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

43

dynamic nature and variability of the influent load; additionally, accuracy of design parameterslike sludge retention time (SRT) and internal conversion rates is highly important.

For  example,  mass  balances  of  Deventer  WWTP  in  the  Netherlands  using  biologicalphosphorous  removal  process  were  studied  by  implementing  gross  error  detection  and  datareconciliation  software  Macrobal  (Puig et  al.,  2008).  The  WWTP  was  intensively  sampledduring  three  separate  days  during  dry  weather  flow  conditions.  Overall  flow  and  totalphosphorous  (TP)  balances  contained  significant  errors  caused  by  e.g.  measurement  errors,which  could  be  fitted  using  reconciliation  and  balancing  software;  also  standard  deviationswere  highly  reduced.  The  SRT  was  calculated  in  four  different  ways;  the  best  results  wereobtained way by using the TP balance based on TP leaving the treatment process. When usingCOD  measurements,  the  non­measured  oxygen  consumption  was  noticed  to  makereconciliation of the balance impossible.

Fault detection and diagnosisClosely  linked  with  data  acquisition  is  the  detection  of  faulty  behaviour  from  process  data.Fault detection and diagnosis (FDD) methods are a family of approaches finalized to detectionand  location  of  faults  on  processing  systems.  The  term “fault”  is  generally  defined  as  “anunpermitted deviation of at least one characteristic property of the system from the acceptable,usual,  standard  condition”  (Isermann,  2006).  The  main  aim  of  FDD  methods  consists  indetermining the type, size and location of the most possible fault, as well as its time of detectionin order to improve product quality, plant efficiency, as well as ability to meet environmentaland safety constraints. Research in this field has been very active since the 1970s and numerousfault diagnosis methods are reported in the industrial and academic literature.

Interest  in monitoring systems  for FDD in biological processes and, specifically, WWTPs hasstarted around 30 years ago with an early application of model  identification and diagnosis byBeck et  al.  (1978)  based  on  a  fuzzy  control.  Since  then,  several  alternative  approaches  werepresented, mainly based on statistical considerations. Fuente et al. (1996) compare a number ofestablished techniques for estimating the process parameters when a fault occurs in a simplifiednonlinear  model  for  a  real  plant.  Yoo et  al.  (2003)  proposed  the  identification  of  differentoperating  conditions  and  discrimination  between  sustained  and  simple  faults  by  using  data­based  methods  for  dimensionality  reduction  and  clustering.  In  a  similar  fashion,  Lee et  al.(2004)  focused  on  the  identification  of  faulty  sensors  and  the  reconstruction  of  themeasurements  by  estimating  the  process  dynamics;  here,  a  dynamic  principal  componentanalysis (PCA) was successful in effectively detecting the faults, especially when the abnormalcondition  was  caused  by  a  single  sensor  failure.  In  the  more  recent  work,  Ciappelloni et  al.(2006) proposed a combination of  model­  and data­based  techniques  to describe a pilot­scaleaerobic sequence batch reactor  (SBR); PCA  is again used to describe different process cyclesand a decision algorithm was developed to classify different process faults. The SBR was alsostudied  by  Wimberger  and  Verde  (2008),  with  the  goal  of  evaluating  the  detectability  andisolability  for  analytical­  and  signal­based  fault  detection  and  isolation.  A  different  approachwas proposed by Nejjari et al.  (2008), where an extended Luenberger observer  is adopted forthe residual generation of sensor faults. Zumoffen and Basualdo (2008) focused on the need foran  efficient  fault  tolerant  control  on  WWTP.  Nevertheless,  the  data­based  approach  to  faultdetection methods can achieve only  limited validity, mainly because vast amounts of data arerequired but not necessarily available in a WWTP. Essentially, for these reasons the causal faultdiagnosis approach is believed to have a promising potential.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

44

Part II

ICA situation at the Finnish Wastewater TreatmentPlants

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

45

State­of­the­art  surveys  on  ICA  at  WWTPs  have  been  performed  over  the  years  with  theperspective  of  different  countries.  Starting  with  one  of  the  first  overviews  of  ICA  in  theScandinavian countries by Olsson et al.  (1998) and at  the same time by Garrett (1998) in theUnited States, interest in the implementation of automation in WWTPs has been progressivelygrowing.  An  international  survey  was  provided  by  Ingildsen  (2002),  giving  an  interestingpicture of the actual utilization of sensors and controls in the plants based on key performanceindicators. Jeppsson et al. (2002) took the point of view of European country conditions, wherethe  focus was on  the  level of  instrumentation used  in  medium­sized plants  (>50 000 p.e.)  foron­line control. Lately, this situation has been summarized and updated by Olsson et al. (2005),whose  main  conclusions  were  that  a  well  established  level  of  automation  based  on  physicalvariables and basic control of dissolved oxygen has been reached, while control based on moreadvanced sensors is still in the initial stages.

Similarly,  the aim of this Part  is  to review the current status of ICA in municipal WWTPs  inFinland.  The  method  of  investigation  is  based  on  a  questionnaire  including  key  elementsregarding plant design, operation and utilization of ICA, and operators’ opinion which was sentto large (> 100 000 p.e.), medium­sized (30 000 – 100 000 p.e.) and small WWTPs in Finland.Furthermore, on­site surveys of some of the most representative WWTPs were made.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

46

Chapter 3. ICA at Finnish ASPs

In order  to  investigate  the  situation  of  instrumentation,  control  and  automation  in  Finland, aquestionnaire was carefully prepared in co­operation with Finnish wastewater treatment expertsand by utilizing the information of a WWTP survey previously conducted in Finland (Kangas,2004). In the questionnaire, key aspects regarding plant design, operation, and a more specificpart on ICA were included. ICA questions concerned for instance sensors, automatic analysersand  their use  in on­line control,  type  and usability of different controls,  advanced controllersand process modelling, as well as the plant operator's attitude towards ICA. The questions alsoconcerned  the  configuration  and  operation,  removal  requirements,  industrial  wastewaters,wastewater temperature, chemical use and electricity consumption. Further, the major problemsand  future expectations  for WWTPs were queried. Altogether  there were questions on  thirty­one  topics  in  the questionnaire,  some of which were divided  in  to  several  sub­questions. Theanswers of the questionnaire concern either year 2006 or 2007.

Twenty­four of  the  investigated plants answered  the questionnaire,  making a  response  rate of70%, and nine of them were visited (three of the plants are built  inside of the bed rock). Nineplants were chosen as a representative group of Finnish municipal WWTPs of different scales,and in­situ investigations were organized.

3.2 Plant configurations and operationThe design of the plant has consequences for the plant efficiency and performances, and for thisreason,  plant  design  questions  were  investigated  first.  All  of  the  WWTPs  considered  in  thesurvey  consist  of  activated  sludge  processes,  with  different  configurations  and  basin  shapes,where  the  main  objective  is  total  nitrogen  removal  (in  14  plants),  ammonia  removal  (in  fiveplants) and biological phosphorus removal (in two plants), as schematically reported in Figure19.  Five  of  the  plants  have  no  requirement  for  nitrogen  or  ammonia  removal.  The  WWTPsstudied have been in operation from 7 to 54 years; however, all the plants excluding the latestone have been renovated during this decade.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Only org.matter removal

NH4­N removal  Total N removal  Biological Premoval

Qua

ntity

 of W

WTP

s

Figure 19. Quantities of WWTPs designed for different substance removal.

Typically,  the  wastewater  treatment  line  of  a  Finnish  WWTP  consists  of  screens,  sand  trap,primary  clarifiers,  activated  sludge  basins  and  secondary  clarifiers.  Moreover,  some  of  theplants have  tertiary treatment, and equalization basin or middle clarifier. Flotation  is  the mostcommon tertiary treatment unit in use at four of the WWTPs included in the study, while post­

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

47

filters  are used as a  tertiary  treatment process at  two plants. The biological  treatment processconfiguration  varies  in  the  different  plants  as  shown  in  Table  2.  Pre­denitrification  andsimultaneous nitrification and denitrification being the most common process types, the numberof biological  treatment  lines varies between 1 and 10 with an average 3.4 lines;  however,  thenumber of primary and  secondary clarifier  lines  is not necessarily  the  same as  the number ofactivated sludge lines.

The average design flow rate at WWTPs is 38 300 m3/d and the average maximum design flowrate  is  2 980  m3/h.  The  average  current  flow  rate  at  the WWTPs  considered  is  29 200  m3/d;however,  the  flow rates of  the plants differ substantially with the range of average  flow ratesfrom 2 150 – 260 000 m3/d. In addition, the proportion of current flow rate to design flow ratevaries from 35 to 104%, the average being 69%.

Table 2. Number of different nitrogen removal processes.

Type of treatment process NumberPre­denitrification 6Simultaneous nitrification / denitrification  6Post­denitrification 2Alternate nitrification / denitrification 3Only nitrification 4

The considered average sludge production at  the WWTPs  is 1.2 kg TS/kg BOD7, the standarddeviation being 0.53 kg TS/kg BOD7. The water content of sludge varies from 68 to 94% whilethe average value is 76%. The sludge productions (tn/a) as dry solids and flow rates at WWTPsare presented in Figure 20.

02000400060008000

100001200014000160001800020000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Slud

ge p

rodu

ctio

n, tn

/a

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

Flow

 rate

, m3/

d

Sludge productionFlow rate

Figure 20. Sludge productions and flow rates at WWTPs.

The  mean  sludge  age  used  in  plant  operation  during  wintertime  is  13.5  d  and  duringsummertime 9.5 d. Additionally, 10 of  the plants are operated according  to target  sludge ageand 11 according to target sludge concentration. Regarding the share of  industrial wastewater(from e.g. food, paper, chemical and textile industries) 10.5% of influent flow rate and 19.8%of influent load were found to be average values in the considered plants. The average COD/Nratio of  the  influent  is 11.9, which  is considered  low  for  a denitrification process without  theuse of an external carbon source.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

48

The usual problematic conditions at Finnish WWTPs are snowmelt and heavy rain;  in  such asituation,  the  influent  flow rate can  be  too high,  and  for  that  reason also  bypasses controlledmanually  by  the  plants  operators  are  common.  In  fact,  at  nine  of  the  investigated  plants  thebiological  part  of  the  treatment  process  was  bypassed  during  last  year,  whereas  the  wholeprocess was bypassed at ten plants, and only at six of the WWTPs were no bypasses done. Theremoval requirements of 20 WWTPs were always fulfilled during the year of the questionnairesurvey,  while  the  regulations  of  three  plants  were  violated.  When  the  whole  process  is  notbypassed wastewater is treated e.g.  in part of the pre­settling lines with precipitation chemicalor in tertiary treatment unit such as flotation.

Energy and chemical consumptionsThe  operation  of  the  plant  is  associated  with  various  costs,  such  as  chemical  and  energyconsumption. The consumption of precipitation and alkalinity chemicals as well as an externalcarbon source varies from plant to plant. The average dosages of the most used chemicals at theinvestigated  plants  are  presented  in  Figure  21a.  The  most  commonly  used  precipitationchemical  in  Finnish  WWTPs  is  ferrous  sulphate,  which  is  in  use  at  14  of  the  plants  with  anaverage  dosage  of  128  g/m3,  whilst  ferric  sulphate  is  used  in  nine  plants.  In  addition  to  theprecipitation  chemicals  shown  in  Figure  21a,  also  polymer  is  used  for  precipitation  at  fourplants  and  aluminium  chloride  at  two  plants.  Polymers  are  fed  into  secondary  clarifiers  andused together with ferrous or ferric sulphate.

02468

10121416

Ferro

ussu

lpha

te

Ferri

csu

lpha

te

Cal

cium

hydr

oxid

e

Sod

ium

carb

onat

e

Met

hano

l

Qua

ntity

 of W

WTP

s

0

50

100

150

200

250

Dos

age,

 g/m

3QuantityDosage

a)

05

1015202530354045

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Elec

trici

ty c

onsu

mpt

ion,

 GW

h/a

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

Flow

 rate

, m3/

d

Electricity consumptionFlow rate

b)

Figure 21. Quantity of WWTPs using different chemicals and average dosages of thechemicals (a). Electricity consumptions and flow rates at WWTPs (b).

From Figure 21a, it can be seen that calcium hydroxide is the most used alkalinity chemical (12plants);  sodium  carbonate  is  used  at  three  of  the  plants;  in  addition,  methanol  is  used  as  anexternal  carbon  source  at  four  of  the  WWTPs.  At  most  of  the  plants  with  a  total  nitrogenremoval process an external carbon source is not used; instead, several of the plants are able toutilize carbon­rich industrial wastewaters from, e.g. breweries or dairies as a carbon source fordenitrification. The range of methanol dosage is 23 – 56 g/m3 the average dosage being 35 g/m3.At the WWTP with the lowest methanol consumption there is a post­denitrification process.

The  electricity  consumption  per  influent  flow  rate  ranges  from  0.17  to  1.00  kWh/m3.Additionally, seven of the WWTPs were able to specify the amount of electricity consumed inaeration, with the average share being 43.1% of total electricity consumption; furthermore, theaverage consumption of the biological part of the plant is 54.6% of total electricity consumptionat five plants able to define the number. The average consumption of  sludge treatment of thetotal  electricity  consumption  at  eight  of  the  plants  is  5.8%.  Six  of  the  plants  also  produceelectricity  on­site  using  biogas  derived  from  sludge  digestion;  specifically,  on  average  they

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

49

produce  34.8% of  the  electricity  consumed  at  the  WWTP.  The  highest  electricity  productionrate among the plants considered  is 49% of the electricity consumed. Electricity consumptionsand flow rates at WWTPs considered are presented in Figure 21b. It can be seen that there are afew plants with substantially different electricity consumption. The reasons for this are various;e.g. plant No. 3 in Figure 21b has only an ammonia removal requirement, plant No. 9 has nonitrogen  removal  requirement  and  plant  No.  14  is  a  carrier  process,  the  configuration  andoperation of which differs from normal activated sludge plants.

Wastewater qualityAverage concentrations of influent wastewater at sixteen the WWTPs considered are presentedin  Table  3;  also  average  values  of  biological  oxygen  demand  (BOD7)  and  chemical  oxygendemand (CODCr) are included. The average COD/N ratio of the influent  is 11.9, which is  lowfor denitrification process without use of external carbon source. The range of influent COD/Nratios at varies from 8.9 to 18.4.

Table 3. Average concentrations of influent wastewater.

Substance BOD7 CODCr Tot. N  NH4­N  Tot. P SS

Concentration, mg/l 248 582 48.0 37.9 8.3 297

Low temperature of municipal wastewater is typical in Finland. At the WWTPs considered themean  wastewater  temperature  and  the  average  minimum  temperature  are  12.3°C  and  6.8°Crespectively.  In addition,  the average  time, when  temperature of wastewater  is above 12°C,  is6.2 months during a year. Moreover, the average share of industrial wastewater (from e.g. food,paper, chemical and textile industries) at WWTPs  is 10.5% of influent flow rate and 19.8% ofinfluent load.

EmployeesAt  fourteen of  the  WWTPs employees work on  five days a week during  the day  in a  normalsituation, at  four plants on seven days a week during  the day and at  three plants on day andnight seven days a week (Figure 22). At one of the plants there is manning on 92.5 h/wk. Thenumber  of  full­time  employees  at  the  WWTPs  varies  from  2  to  50  with  an  average  9.8  perplant. Additionally, the average flow rate per an employee is 2 450 m3/d.

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Five days a weekduring the day

Seven days a weekduring the day

Day and nightseven days a week

Other

Quantity of WWTPs

Figure 22. Manning at the WWTPs.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

50

Wastewater qualityAverage concentrations of influent wastewater at sixteen the WWTPs considered are presentedin  Table  3;  also  average  values  of  biological  oxygen  demand  (BOD7)  and  chemical  oxygendemand (CODCr) are included. The average COD/N ratio of the influent  is 11.9, which is  lowfor denitrification process without use of external carbon source. The range of influent COD/Nratios at varies from 8.9 to 18.4.

Table 4. Average concentrations of influent wastewater.

Substance BOD7 CODCr Tot. N  NH4­N  Tot. P SS

Concentration, mg/l 248 582 48.0 37.9 8.3 297

Low temperature of municipal wastewater is typical in Finland. At the WWTPs considered themean  wastewater  temperature  and  the  average  minimum  temperature  are  12.3°C  and  6.8°Crespectively.  In addition,  the average  time, when  temperature of wastewater  is above 12°C,  is6.2 months during a year. Moreover, the average share of industrial wastewater (from e.g. food,paper, chemical and textile industries) at WWTPs  is 10.5% of influent flow rate and 19.8% ofinfluent load.

3.3 Status of ICA in FinlandIn this section the results of the survey regarding the present condition of modelling, monitoringand control at the Finnish WWTPs are reported and analyzed.

SensorsA sensor  inventory was given  in the distributed questionnaire and  it was asked to identify thevariables continuously measured and monitored in the plant. Altogether 18 different wastewatercharacteristics are measured on­line at the 24 WWTPs considered. The number of WWTPs atwhich  sensors  and  on­line  analysers  are  used  and  the  number  at  which  those  are  used  forcontrol are presented in Figure 23a. The percentage of WWTPs at which sensors and analysersare considered to function properly is shown in Figure 23b. Also, a common practice is to havea maintenance contract with the supplier of the sensors and analysers.

Dissolved  oxygen  (DO),  suspended  solids  (SS),  temperature,  pH  and  level  sensors  areestablished technology at WWTPs; the operators consider them to function well apart from theSS and pH sensors. Presumably the reason for this is the use of SS and pH sensors in activatedsludge basins in which there is a high concentration of solid matter. SS measurements are used,e.g.  for  recycle  sludge  pumping  control.  Optical  DO  sensors  are  becoming  more  common  atFinnish  WWTPs  and  the  plant operators  find  them  more  reliable  and  easier  to  maintain  thangalvanic and polarographic DO sensors.

Fourteen out of 24 plants use automatic NH4­N, NO3­N and PO4­P on­line analysers, but  theuse of nutrient sensors in control  is not common even though the operators generally considerthe sensors to function properly. The nutrient sensors are mainly in use at the plants that have atotal  nitrogen  removal  requirement.  Moreover,  the  most  modern  on­line  nutrient  analysers  atthe  WWTPs  visited  are  calibrated  automatically.  The  usual  locations  of  measurement  fornutrient analysers are activated sludge basin and effluent, but NH4­N analysers are also used inother parts of the process, e.g. primary clarifiers and influent flow at some of the plants.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

51

Air flow rate and air pressure sensors are regular technology at WWTPs; measurements of bothsensor types are used in aeration control. Conductivity sensors are in use at 10 plants; they areused,  e.g.  in  monitoring  industrial  wastewaters  and  at  one  of  the  plants  in  predicting  thenitrogen load coming to the activated sludge basins. Turbidity, sludge blanket level and Redoxpotential sensors are used in a small number of the WWTPs considered. Even so, none of theoperators of the three WWTPs at which sludge blanket level sensors are used consider them tofunction properly.

0

5

10

15

20

25

Dis

solv

ed o

xyge

n (D

O)

Tem

pera

ture

Sus

pend

ed s

olid

s (S

S)

pH

Influ

ent f

low

 rate

Air 

pres

sure

Leve

l

Air 

flow

 rate

NH

4­N

NO

3­N

PO

4­P

Con

duct

ivity

Turb

idity

Red

ox p

oten

tial

Slu

dge 

blan

ket l

evel

CO

D

BO

D

Qua

ntity

Used at WWTPsUsed for control

a)

Do the sensors in question function properly at your WWTP?

0 %10 %20 %30 %40 %50 %60 %70 %80 %90 %

100 %

DO

   24

Tem

pera

ture

   24

 SS

   22

pH   

22

Influ

ent f

low

 rate

   22

Air p

ress

ure 

  21

Leve

l   1

7

Air f

low

 rate

   15

NH

4­N

   14

NO

3­N

   14

PO4­

P   1

4

Con

duct

ivity

   10

Turb

idity

   5

Red

ox p

oten

tial  

 4

Slud

ge b

lank

et le

vel  

 3

CO

D   

1

BOD

   1

NoYes

 b)

Figure 23. Number of WWTPs using sensors and on­line analysers and their use for control (a).Functionality and number of sensors and on­line analysers (b).

ControlsThe most applied method of aeration control  is DO profile control, which is used at 18 of theplants  (Figure 24).  In DO profile control,  the aeration  basin  is  divided  in  to  several zones  inwhich the DO set­points differ and several sensors are used  for  the DO concentration on­linemeasurements.  At  five  of  the  WWTPs,  aeration  control  is  based  on  one  on­line  DOmeasurement, whereas at one plant also automatic NH4­N analyser measurements are used foraeration control. In addition, none of  the plants considered used constant air  flow or calendarcontrol  in aeration. At two of the large plants the quantity of aerated and non­aerated zones iscontrolled by automation.  The average DO set­point at the nine WWTPs that were visited was2.6 mg/l.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Control based on oneDO sensor

DO profile control

NH4­N sensor usedfor control

Quantity of WWTPs

Figure 24. Aeration control methods used at WWTPs.

The  plant  operators  were  asked  about  the  control  types  (on/off  or  continuous  controls),  therange  of  the  controls  and  the  functioning  of  the  controls.  The  answers  are  reported  in

n = 24

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

52

Figure 25a,  while  Figure  25b  summarizes  the  functioning  conditions  of  the  controllers  used.Apart from influent and excess sludge pumping, the majority of the controls are continuous. Apair  of  other  controls  (polymer  feed,  methanol  feed,  neutralizing  influent  wastewater)  is  notmentioned.  The  plant  operators  consider  the  control  ranges  for  most  of  the  controls  to  besuitable  even  if  according  to  the  their  opinion,  the  most  common  problems  with  the  controlrange are with precipitation chemical feed; at one plant the range is too wide and at two plantstoo narrow; also the range of aeration control valves is too wide at two plants. At two plants thereturn sludge pumping control and control of the valves used in aeration are mentioned as notfunctioning  properly;  nevertheless,  generally  the  controls  are  considered  to  functionsatisfactorily. At the majority of the plants a part or all of  the precipitation chemicals are  fedflow proportionally.

0 5 10 15 20 25

Influent pumping

Return sludge pumping

Excess sludge pumping

Aeration, control valve

Aeration, compressors

Precipitation chemical feed

Alkalinity chemical feed

Quantity of WWTPs

On/offContinuous

a)

Does the control function properly?

0 % 20 % 40 % 60 % 80 % 100 %

Influent pumping

Return sludge pumping

Excess sludge pumping

Aeration, control valve

Aeration, compressors

Precipitation chemical feed

Alkalinity chemical feed

YesNo

b)Figure 25. Number of on/off and continuous controls (a). Functioning of the controls at

WWTPs (b).

The  major  part  of  the  controls  at  the  WWTPs  is  implemented  by  using  basic  feedbackcontrollers,  being  the  tuning  done  from  the  control  room  by  the  operators.  Advancedcontrollers, such as adaptive controller, fuzzy  logic controller and model­based controller, arein use at  six plants  for different purposes  such as air  flow control  in aeration, mass  flow ratecontrol  of  return  sludge,  centrifugal  sludge  dewatering,  methanol  feed,  and  precipitationchemical feed. Fuzzy logic is also used to predict the nitrogen load coming in to the activatedsludge basins at one WWTP.

AlarmThe  alarm  management  was  investigated  and  as  result  it  was  found  that  different  levels  ofalarms are taken into account, for instance indicating faults in the process equipment. Usually atmodern Finnish plants the treatment process can be monitored and controlled remotely, e.g. onweekends, especially for alarm purposes.

ModellingProcess modelling and simulation have been used at five of the plants; three of these have theirown modelling software in use. Three of the operators answered that modelling is also used ashelp for process control; at one plant there is an expert system and at the other two modelling isused off­line in creating control strategies. The operators mentioned studying different processoperating  possibilities,  process  design  and  supporting  the  start­up  of  the  process  as  uses  formodelling software, whereas using modelling  for dynamic set­point  setting  is  considered onepossible application in plant operation in the future. The plant operators found accurate modelcalibration rather challenging, which  limits the use of models. In addition,  the possibilities ofusing model­based controllers have not yet been taken into account.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

53

Two  of  the  plants  at  which  modelling  has  not  been  used  so  far  have  considered  usingmodelling, but not purchasing their own modelling software (Figure 26). Additionally, anothertwo  WWTPs  have  thought  of  using  modelling  and  purchasing  their  own  software.  Theremaining  14  plants  at  which  modelling  has  not  been  used  have  not  so  far  considered  usingmodelling  at  their  WWTPs.  Two  of  the  WWTPs  considered  have  recently  taken  part  in  aresearch project during which the plant was modelled; however, the results of the project werenot utilized at the time of answering the questionnaire.

Have you considered of using modelling orpurchasing an own simulation software?

0 2 4 6 8 10 12 14 16

No

Yes, modelling

Yes, modellingand purchasing

a software

Quantity of WWTPs

Figure 26. Opinions on using modelling and purchasing own simulation software at theWWTPs not been modelled so far.

Attitude towards ICAAs  final questions  in  the questionnaire,  opinions on  the current  status of  instrumentation  andcontrol at the investigated plant were asked to the plant operators. It can be notice in Figure 27that the most part of them (in 13 of the plants) considers that it would probably be possible togain  more  from  the  current  ICA  equipment  in  use,  giving  a  good  attitude  towards  ICAimplementation  and  improvement  in  their  own  plants.    Furthermore,  most  of  the  operatorsmoderately agreed that the importance of ICA is going to increase in the near future, but overone third of the interviewed operators strongly agreed as reported in Table 4.

How do you evaluate the use of the currentinstrumentation and automation at your plant?

0 2 4 6 8 10 12 14

It would be possible to benefit muchmore from them

It would be possible to benefit morefrom them

It would probably be possible to benefitmore from them

It would not be possible to benefit morefrom them

Figure 27. Opinions on the current instrumentation and automation by plant operators.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

54

Table 5.  Opinions on importance of ICA at WWTPs in the near future: “Instrumentation,control and automation will be more important at WWTPs in the near future than they are

today”

Strongly agree 9

Mildly agree 15

Neither agree nor disagree 0

Mildly disagree 0

Strongly disagree 0

The  interviewed  plant  operators  give  to  ICA  an  important  role  in  making  a  more  efficientmanagement  in  their  plants,  in  particular  they  considered  that  the  following  points  can  behelpfully solved by means of ICA:

1. Prediction of wastewater flow rate and load real­time;2. Utilization of automatic on­line analysers in control;3. Better aeration control;4. More reliable the on­line measurements.

In fact,  infiltration into the sewage network, heavy rainfalls and storm waters are named as themost  important  bottleneck  in  operation  of  the  plant  in  four  of  the  answers.  Additionally,maintenance  of  automation  equipment  and  reliability  of  measurements  are  mentioned  often.Even though at some of small and medium­sized plants visited the knowledge of the employeeson ICA is average, there are also exceptions; at some WWTPs development of ICA and plantoperation  practices  is  followed  closely  and  there  is  interest  in  implementing  new  technologyand practices.

At two of the WWTPs the quantity of aerated and non­aerated zones is changed by automation.Otherwise  e.g.  automatic  control  of  equalization  basin  operation  during  high  flow  rates  andautomation relating to influent pumping sequence during and after a power cut are mentionedas unusual automation. At one of the WWTPs considered there is a prediction system for futureinfluent flow rate taking also weather forecasts into account.

Considerations from the WWTP visitsNine  WWTPs  were  visited  during  the  project:  three  large,  five  medium­sized  and  one  smallplant.  At  one  of  the  WWTPs  there  was  only  ammonia  nitrogen  removal  requirement  and  ateight plants total nitrogen removal requirement at the time of the visit. Process configurationswere  various;  the  most  typical  process  among  the  visited  plants  was  DN­process  and  otherprocess  types  consisted  of  e.g.  post­denitrification  process,  AB  process  and  ring  channelprocess.

At majority of them new automation has been installed during the last few years and monitoringsoftware  had  been  renewed  or  updated.  The  latest  automation  renewals  consisted  of  e.g.  areporting  and  data  recorder  software.  The  control  rooms  and  SCADA  systems  at  the  visitedplants were generally modern and suitable for plant operation, but also variation in the level of

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

55

automation and also utilization of  it was noted to be remarkable; additionally, as expected, atthe large WWTPs with bigger number of employees the knowledge on ICA was better and theautomation systems were updated more regularly. Several types of sensors had been renewed atmost of  the plants during the  last  few years;  furthermore, at several plants operators said thatthe plants are forced to do this, because there are no spare parts available anymore for the oldersensor types.

Several  causes  for  operational  problems  or  limitations  were  mentioned,  e.g.  faulty  design  ofchannels or wrong location of chemical feed. Naturally also configuration of unit processes hasa major influence on the flexibility of operation of the treatment process; moreover, this is of aspecial  importance  in  cases  when  a  nitrification  process  is  modified  to  nitrification­denitrification process.

In  the  discussions  had  during  the  visits  ideas  for  improvements  for  plant  operation  werementioned. According to one idea, chemicals would be useful to feed mass flow proportionallyinstead of volume flow proportional feeding generally used. This could be done,  if there weremore  reliable  on­line  nutrient  measurements  or  soft­sensor  nutrient  estimates  of  influentwastewater quality.

At  most  of  the  plants  there  are  cross  flow  ultra  filters  removing  suspended  solids  beforepumping the samples to on­line nutrient analysers. The ultra filters have to be cleaned once ortwice a week and were often mentioned to be troublesome to maintain. Another more advancedfiltering  solution  used  at  one  WWTP  visited  is  an  in­situ  membrane  filtration  unit,  which  iseasy to maintain and routine weekly cleaning is not needed. When the in­situ filter  is about tobe clogged up and needs cleaning, an automatic alarm signal is given for plant operators.

The general attitude at WWTP visits was that  it  is better  to have  less measurements, which areliable,  than  lot of measurements some of which are not reliable. The basis of use of on­linemeasurements in control and monitoring is the accuracy of the measurements.

At  few  plants  there  are  also  new  ion  selective  ammonium  and  nitrate  sensors  for  directmeasurement.  The  ion  selective  sensors  are  placed  into  the  activated  sludge  basin  and  nofiltration  or  reagents  are  needed  for  the  on­line  measurement  in  contrast  to  generally  usednutrient  analysers;  moreover,  the  location  of  the  sensors  can  be  easily  changed  according  towhat are the needs for measurements.

At  smaller plants visited bypasses of  the  treatment process  is a  typical problem during  heavyrains  and  storm  waters.  At  larger  plants  the whole process  is  usually  not  bypassed  but  largewater flows can be treated e.g. in part of the primary clarifier lines with precipitation chemicalor in a tertiary treatment unit. At one of the visited plants a separate Actiflo process for bypasswater treatment will be implemented in the near future.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

56

Chapter 4. Conclusions and future research needsAn extensive survey on ICA conditions at large and medium­sized Finnish municipal WWTPswas carried out and the following conclusions were drawn.

Twenty­four activated sludge plants answered a questionnaire  including the questions on plantdesign,  operation  and  ICA  and  nine  plant  visits  were  made.  Pre­denitrification  andsimultaneous nitrification and denitrification are most common process  types  in use. Averagedesign flow rate at WWTPs is 38 300 m3/d, but the range of the flow rates is broad. The meanenergy  consumption  at  the  plants  is  0.5  kWh/m3.  Aeration  is  the  biggest  consumer  of  theenergy; the average share of aeration is 43% of total energy consumption at WWTP. The shareof  the  electricity  produced  on­site  using  biogas  is  on  the  average  35%  of  the  electricityconsumed at six of  the plants. The average COD/N ratio of  the  influent  is 12.1, which can beconsidered low for a total nitrogen removal process, which is in use at fourteen of the plants. Atthe  WWTPs  considered  the  mean  wastewater  temperature  is  as  low  as  12.3°C.  The  averageshare of  industrial wastewater  at WWTPs  is 19.8% of  influent  load;  however, at  some of  theplants there is carbon­rich industrial wastewater, which can be used in denitrification instead ofmethanol used as an external carbon source at four of the plants.

Altogether  eighteen  different  wastewater  characteristics  are  measured  on­line  at  the  WWTPsconsidered; additionally, at fourteen plants there are automatic NH4­N, NO3­N and PO4­P on­line analysers, but use of nutrient sensors in control  is not common even though the operatorsgenerally consider  the  sensors  to  function properly. Reasons  for  this are  that nutrient  sensorsbeing fairly new technology at several plants and that the maintenance of nutrient sensors andsample pre­treatment equipment is often considered troublesome. The most applied method toaeration control is DO profile control, which is used at eighteen of the plants; at one plant alsoautomatic NH4­N analyser measurements are used for aeration control. Apart from influent andexcess sludge pumping majority of the controls are continuous; furthermore, generally the plantoperators consider the controls to function properly. Major part of the controls at the WWTPs isimplemented by using basic feedback controllers; moreover, advanced controllers are in use atsix plants. Process modelling and simulation has been used at five of the plants; only at three ofthose  there  is  an  own  modelling  software  in  use.  Modelling  and  simulation  is  quite  newtechnology  at  Finnish  WWTPs,  but  the  popularity  of  modelling  and  simulation  seems  to  beincreasing.

The operators at thirteen of the plants consider that it would probably be possible to gain morefrom  the  current  ICA  equipment  in  use.  This  could  be  done  e.g.  with  better  use  of  on­linemeasurements in control and optimizing the control strategies at the plants. Infiltration into thesewage network and the high flow rate variations caused by heavy rainfalls and storm watersare considered as the most important bottlenecks in operation of the plant. Especially at smallerplants the problem can be severe since bypasses happen often and there is not much that can bedone at  the  WWTP.  If  the  major problem  is  considered  to concern condition and  type of  thesewer  network,  implementing  advanced  ICA  technology  at  the  plant  does  not  improve  thesituation  essentially.  Fortunately  at  majority  of  the  plants  the  situation  is  not  theaforementioned.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

57

Since the results inform a European survey on the status of ICA at WWTPs larger than 50 000p.e.  (Jeppsson et  al.,  2002)  evaluated  by  national  experts,  no  significant  changes  have  takenplace  in  Finland  regarding  types of  instrumentation  and  control.  However,  the  reliability  andaccuracy of on­line sensor measurement has improved since execution of the European state­of­the­art survey, which makes use of on­line measurements  in control more applicable. The useof nutrient sensors  in control  is apparently still rare at Finnish WWTPs even though their usefor  monitoring  purposes  is  common.  Also,  the  popularity  of  dynamic  process  modelling  hasincreased during recent years and interest of the plant operators in the use of modelling is stillgrowing.

At new and  renovated Finnish plants conventional  ICA  technology  is  relied on,  apart  from  afew  exceptions.  The  controllers  used  are  PID  feedback  controllers  and  more  advancedcontrollers are not often implemented. Even though the full potential of sensors and other ICAtechnology  is  not  taken  advantage  of  at  most  of  the  plants,  the  general  attitude  of  plantoperators  towards  ICA  is  one  of  interest  and  its  importance  in  the  future  is  understood.Otherwise,  there are considerable differences between the  level of automation technology andthe knowledge of ICA at the plants.

During  the  next  decade,  new  large  and  medium­sized  WWTPs  will  be  built  in  Finland.  Thepossibilities  of  ICA  should  be  given  special  attention  in  the  design  of  the  plants  in  order  tooptimize the operation costs. In addition, when renovating the existing plants, automation andcontrol  should  be  taken  into  account  since,  e.g.  manufacturers  of  sensors  and  analysers  aredoing continuous development work. Advanced control strategies for nitrogen removal wouldbe  beneficial  to  implement as well as  to  investigate possibilities of  soft  sensors and dynamicmodelling in the plant operation. The level of understanding of ICA varies among the operatorsof the Finnish WWTPs; usually at the larger plants the job description of the personnel is morespecialized and there is also more ICA knowledge in the operation team. In addition, because ofconstant development of ICA equipment and practices, the training and education of the plantoperators  is  important  in order make  better use of  the  ICA  technology  implemented at plantsand thus improve the plant operation.

In particular,  the  following needs  have  recognised  as  important aspect  in  the  improvement ofthe management of WWTPs:

• Dynamic  modelling  and  simulation  of  activated  sludge  plants  has  not  been  used  atmany Finnish WWTPs so far, but  in the future the popularity of modelling  is  likely toincrease. The process modelling and simulation is a practical and powerful tool for plantdesign, process development and optimizing control of the plant. Modelling can be usedin supporting many kinds of research projects at WWTPs and universities. ASP models,which are carefully built, calibrated and verified are suitable to be used as platforms forsimulated  test  runs  with  dynamic  influent  data.  Moreover,  use  of  COST/IWAbenchmark simulation  models should also be considered when planning  investigationson control strategies and plant run optimisation.

• Practical  tools  for predicting  the  load  and  wastewater  characteristics  (particularlyammonium  load  and  composition  of  COD  fractions)  coming  to  the  activated  sludgebasins would help the operation of plants;  thus, changes  in  influent  flow rate could becontrolled more efficiently, aeration and dosing external carbon source would be more

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

58

easily  optimized.  More  on­line  information  of  the  influent  wastewater  would  beessential  in  plant  operation;  more  reliable  on­line  measurements  and  soft­sensorscombined would make also  feed­forward and mass  flow based control  strategies moreapplicable.  When  considering  optimisation  of  nutrient  removal,  better  use  of  on­linemeasurements  for  control  purposes  is  important;  furthermore,  either  control  strategiessuccessfully applied for real scale plants in other countries could be used also in Finlandor new strategies taking local conditions into account developed.

• Developing  a  general  architecture  for fault  modelling,  diagnosis  and  isolation  inbiological wastewater treatment processes would help  in more  fault  tolerant and stableoperation  of  WWTPs.  Typical  faults  in  wastewater  treatment  plants  should  first  beanalysed;  in  addition,  fault  detection  and  diagnosis  methods  can  be  applied  to  theprocess depending on the encountered fault types.

• Operator  support  and  training  services  need  to  be  paid  attention  to  help  operatorstake  full  advantage  of  on­line  measurements,  to  run  the  process  with  a  cost­efficientstrategy and to manage abnormal  situations. Services  for the training of new operatorsand  updating  the  skills  of  existing  operators  are  also  required.  Training  services  withsimulation  activities  will  also  be  useful  to  provide  for  plant operators  as  modelling  isbecoming  more  common  in wastewater  treatment  and  the  simulators  being  constantlydeveloped.

• As a typical problem at Finnish WWTPs is high flow rate peaks during heavy rains andstorm waters, the condition of sewage network  should be paid attention to in order toprevent unnecessary infiltration into the sewage network. Also, more integrated controlof  sewage  network  and  wastewater  treatment  process  would  help  in  control  ofproblematic  flow  rate  peaks  and  hence  to  be  considered  as  a  possible  future  researchtopic.

• Apart  from  progress  of  the  recent  years,  development  work  regarding  to on­linemeasurement equipment  is still needed because of challenging conditions for reliablemeasurements at WWTPs. This does not only consider sensors and automatic analysersbut also sample pre­treatment and filtering equipment, which need to be maintained.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

59

ReferencesAguado D., Ferrer A., Seco A., Ferrer J., 2006. Comparison of different predictive models  fornutrient estimation in a sequencing batch reactor for wastewater treatment. Chemometrics andIntelligent Laboratory Systems, 84(1­2), 75­81.

Alex J., Benedetti L., Copp J., Gernaey K.V., Jeppsson U., Nopens I., Pons M.­N., Rieger L.,Rosen C., Steyer J.P., Vanrolleghem P., Winkler S., 2008. Benchmark Simulation Model No. 1(BSM1). Dept. of Industrial Electrical Engineering and Automation, Lund University.

Alvarez  J.,  2000.  Nonlinear  state  estimation  with  robust  convergence. Journal  of  ProcessControl, 10(1), 59–71.

Ayesa E.,  De  la  Sota A.,  Grau  P.,  Sagarna  J.M.,  Salterain  A.,  Suescun  J.  2006.  Supervisorycontrol  strategies  for  the  new  WWTP  of  Galindo­Bilbao:  the  long  run  from  the  conceptualdesign  to  the  full­scale  experimental  validation. Water  Science  and  Technology, 53(4­5),193­201.

Baruch I.S., Georgieva P., Barrera­Cortes J., de Azevedo S.F., 2005. Adaptive neural networkcontrol of biological wastewater treatment. International Journal of Computational IntelligenceSystems, 20(2), 173­193.

Beck  M.B.,  Latten  A.  and  Tong  R.M.  (1978). Modelling  and  operational  control  of  theactivated sludge process  in  wastewater  treatment.  International  Institute  for Applied SystemsAnalysis (IIASA), Professional Paper PP­78­10.

Benazzi F., Gernaey K.V., Jeppsson U., Katebi R., 2005. On­line concentration and detection ofabnormal  substrate concentration  in WWTPs using a software sensor: A benchmark study.  InProceedings  of  the  2nd  Conference  on  Instrumentation,  Control  and  Automation  (ICA2005),Busan, Korea.

Blevins  T.L.,  McMillan  G.K.,  Wojsznis  W.K.,  Brown  M.W.  2003. Advanced  ControlUnleashed ­ Plant Performance Management for Optimum Benefit. ISA.

Brdys  M.A.,  Grochowski  M.,  Gminski  T.,  Konarczak  K.,  Drewa  M.  2008.  Hierarchicalpredictive  control  of  integrated  wastewater  treatment  systems. Control  Engineering Practice,16(6), 751­767.

Camacho E.F., Bordons C. 2004. Model Predictive Control. Springer.

Cartensen  J.,  Harremoes  P.,  Madsen  H.  1995.  Statistical  identification  of  Monod­kineticparameters from on­line measurements. Water Science and Technology, 31(2), 125–133.

Chachuat B., Roche N., Latifi M.A. 2003. Reduction of the ASM1 model for optimal control ofsmall­size activated sludge treatment plants, Journal of water science, 16, 837­858 (In French)

Cho J.H., Sung S.W., Lee  I.B., 2002. Cascade  control  strategy  for  external  carbon dosage  inpredenitrifying process. Water science and technology, 45(4­5), 53­60.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

60

Ciappelloni F., Mazouni D., Harmand J. and Lardon L. 2006. On­line supervision and controlof an aerobic SBR process. Water Science and Technology, 53(1), 169­177

Comas  J.,  Rodríguez­Roda  I.,  Gernaey  K.V.,  Rosen  C.,  Jeppson  U.,  Poch  M.  2008.  Riskassessment  modelling  of  microbiology­related  solids  separation  problems  in  activated  sludgeSystems. Environmental Modelling & Software, 23(10­11), 1250­1261.

Copp J.B. (Edit.). 2002. The COST Simulation Benchmark: Description and Simulator Manual.Office for Official Publications of the European Communities, Luxembourg.

Cristea  M.V.,  Agachi  S.P.  2006.  Nonlinear  model  predictive  control  of  the  wastewatertreatment plant. In 16th European Symposium on Computer Aided Process Engineering and 9thInternational Symposium on Process Systems Engineering. Edited by Marquardt W., Sass R.,Pantelides C., Elsevier.

David R., Vasel J.L., Wouwer A.V., 2009. Settler dynamic modeling and MATLAB simulationof the activated sludge process, Chemical Engineering Journal, 146(2), 174­183

Dellana  S.A.,  West  D.  2009.  Predictive  modelling  for  wastewater  applications:  Linear  andnonlinear approaches. Environmental Modelling & Software, 24(1), 96­106.

Devisscher M., Ciacci G., Fé L., Benedetti L., Bixio D., Thoeye C., De Gueldre G., Marsili­Libelli  S.,  Vanrolleghem  P.A.  2006.  Estimating  costs  and  benefits  of  advanced  control  forwastewater  treatment  plants  –  the  MAgIC  methodology. Water  Science  and  Technology,52(4­5), 215­223.

Ekama  G.A.,  Barnard  J.L.,  Gunthert  F.W.,  Krebs  P.,  Mc­Conquodale  J.A.,  Parker  D.S.,Wahalberg  E.J.  1997. Secondary  settling  tanks:  theory,  modelling,  design  and  operation.Technical Report 6, IWA Publishing.

Ekman M., Björlenius B., Andersson M. 2006. Control of the aeration volume in an activatedsludge process using supervisory control strategies. Water Research, 40(8), 1668­1676.

Ellis G. 2004. Control System Design Guide ­ A Practical Guide. Elsevier.

Flores X., Comas J., Roda I.R., Jiménez L., Gernaey K.V. 2007. Application of multivariablestatistical  techniques  in  plant­wide  WWTP  control  strategies  analysis. Water  Science  andTechnology, 56(75­83), 75­83.

Flores­Alsina X., Rodríguez­Roda I., Sin G., Gernaey K.V. 2008. Multi­criteria evaluation ofwastewater treatment plant control strategies under uncertainty. Water Research, 42(17), 4485­4497.

Fuente M.J., Vega P., Zarrop M.B. and Poch M. 1996. Fault detection in a real wastewater plantusing parameter­estimation techniques. Control Engineering Practice, 4(8), 1089­1098.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

61

Garrett M.T. 1998. Instrumentation, control and automation progress in the United States in thelast 24 years. Water Science and Technology, 37(12), 21­25.

Gauthier  J.P.,  Hammouri  H.,  Othman  S.  1992.  A  simple  observer  for  nonlinear  systems.application to bioreactors. IEEE Transaction on Automatic Control, 37(6), 875­880.

Gernaey  K.,  Rosen  C.,  Jeppsson  U.  2006.    WWTP  dynamic  disturbance  modelling  ­  anessential  module  for  long­term  benchmarking  development. Water  Science  and  Technology,53(4­5), 225­234.

Gòmez­Quintero C., Queinnec I., Babary J.P. 2000. A reduced nonlinear model of an activatedsludge  process. Proceedings  of  International  Symposium  on  Advanced  Control  on  ChemicalProcesses, Pisa, Italy.

Grau  P.,  Copp  J.,  Vanrolleghem  P.A.,  Takács  I.,  Ayesa  E.  2009.  A  comparative  analysis  ofdifferent approaches  for  integrated WWTP  modelling. Water Science and Technology, 59(1),141­147.

Hakanen  J.,  Sahlstedt  K.,  Miettinen  K.  2008.  Simulation­based  interactive  multiobjectiveoptimization in wastewater treatment. Proceedings EngOpt 2008 – International conference onengineering optimization, Rio de Janeiro, Brazil.

Henze  M.,  Gujer  W.,  Mino  T.,  van  Loosedrecht  M.  2002. Activated  Sludge  Models  ASM1,ASM2, ASM2d and ASM3. Scientific and Technical Reports, No. 9, IWA Publishing.

Henze M.,  van  Loosdrecht  M.C.C,  Brdjanovic D., Ekama G.A.  2008. Biological  WastewaterTreatment: Principles, Modelling and Design. IWA Publishing.

Ingildsen P. 2002. Realising Full­Scale Control in Wastewater Treatment Systems Using In SituNutrient Sensors. PhD Thesis, Department of Industrial Electrical Engineering and Automation,Lund Institute of Technology, Lund, Sweden.

Ingildsen  P.,  Rosen  C.,  Gernaey  K.V.,  Nielsen  M.K.,  Guildal  T.,  Jacobsen  B.N.  2006.Modelling  and  control  strategy  testing  of  biological  and  chemical  phosphorus  removal  atAvedøre WWTP. Water Science and Technology, 53(4­5), 105­113.

Isaacs S., 1996. Short horizon control strategies for automating activated sludge process. WaterScience and Technology, 34(1­2), 203–212.

Isermann  R.  2006, Fault­diagnosis  systems:  an  introduction  from  fault  detection  to  faulttolerance. Heidelberg: Springer.

Jeppsson  U.  1996. Modelling  aspects  of  wastewater  treatment  processes,  PhD  Thesis,Department of Industrial Electrical Engineering and Automation, Lund Institute of Technology,Lund, Sweden.

Jeppsson U., Diehl S. 1996. An evaluation of a dynamic model of the secondary clarifier, WaterScience and Technology, 34 (5­6), 19–26.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

62

Jeppsson U. Alex J., Pons M.N., Spanjers H. and Vanrolleghem P.A., 2002. Status and futuretrends  of  ICA  in  wastewater  treatment  –  a  European  perspective. Water  Science  andTechnology, 45(4­5), 485­494.

Jeppsson,  U.  and  Pons,  M.­N.,  2004.  Editorial:  The  COST  benchmark  simulation  model  –current state and future perspective. Control Engineering Practice, 12(3), 299–304.

Jeppsson,  U.,  Rosen,  C.,  Alex,  J.,  Copp,  J.,  Gernaey,  K.V.,  Pons,  M.­N.  and  Vanrolleghem,P.A.,  2004.  Towards  a  benchmark  simulation  model  for  plant­wide  control  strategyperformance evaluation of WWTPs. Proceedings 6th Int. Symposium on Systems Analysis andIntegrated Assessment in Water Management, Beijing, China.

Jeppsson U., Pons M.­N., Nopens I., Alex J., Copp J.B., Gernaey K.V., Rosen C., Steyer J.­P.,Vanrolleghem  P.A.,  2007.  Benchmark  simulation  model  No.  2:  general  protocol  andexploratory case studies. Water Science and Technology, 56(8), 67­78.

Julien S., Babary J. P., Lessard P., 1998. Theoretical and practical  identifiability of a reducedorder model in an activated sludge process doing nitrification and denitrification. Water Scienceand Technology, 37(12), 309–316.

Julien S., Lessard P., Babary J. P., 1999. A reduced order model for control of a single reactoractivated sludge process. Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems, 5(4),337–350.

Kabouris  J.  C.,  Georgakakos  A.  P.,  1992.  Accounting  for  different  time  scale  in  activatedsludge process control. Water Science and Technology, 26(5­6),1381–1390.

Kalman R. E., 1960. A new approach to linear filtering and prediction problems, Transactionsof the ASME–Journal of Basic Engineering, 82(Series D), 35­45.

Kangas A. 2004. Operation and implementations of wastewater treatment plants. Report of theFinnish Water and Waste Water Works Association, (in Finnish).

Kim J.R., Ko J.H., Im J.H., Lee S.H., Kim S.H., Kim C.W., Park T.J. 2006. Forecasting influentflow  rate  and  composition  with  occasional data  for  supervisory  management  system  by  timeseries model, Water Science and Technology, 54(4­5), 185­192.

Kova  Z., Bogdan S., 2006. Fuzzy controller design: theory and applications. CRC Press.

Krener A., Isidori A, 1987. Linearization by output injection and nonlinear observers. Systemsand Control Letters, 3(1), 47­52.

Kynch G.J. 1952. A theory of sedimentation, Transactions of the Faraday Society. 48, 166­176.

Lee C., Choi S. W. and Lee I.B. 2004. Sensor fault identification based on time­lagged PCA indynamic processes, Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 70(2), 165­178.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

63

Lindberg C.F. 1997. Control and estimation strategies applied to the activated sludge process.PhD thesis, System and Control Group, Uppsala University, Sweden.

Lingireddy  S.,  Brion  G.M.  2005. Artificial  Neural  Networks  in  Water  Supply  Engineering.ASCE Publications.

Marsili­Libelli S., 1989.   Modeling,  identification and control of  the activated sludge process.In Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology. 38, 90–148. Springer­Verlang, Berlin.

Mulas, M. 2006. Modelling and control of activated sludge processes. PhD thesis. University ofCagliari, Italy.

Mulas M., Tronci S., Baratti R. 2007. Development of a 4­Measurable States Activated SludgeProcess Model deduced from the ASM1, Proceedings of DYCOPS, Cancun, Mexico.

Nejjari  F.,  Puig  V.,  Giancristofaro  L.  and  Koehler  S.  2008.  Extended  Luenberger  observed­based  fault  detection  for  an  activated  sludge  process. Proceedings  17th  IFAC  WorldCongress, Seoul, Korea.

Nopens I., Batstone D.J., Copp J.B., Jeppson U., Volcke E., Alex J., Vanrolleghem P.A. 2009.An  ASM/ADM  model  interface  for  dynamic  plant­wide  simulation. Water  Research, 43(7),1913­1923.

Olsson G., Aspegren H. and Nielsen M.K. 1998. Operation and control of wastewater treatment– a Scandinavian perspective over 20 years. Water Science and Technology, 37(12), 1­13.

Olsson G., Newell B. 1999. Wastewater Treatment Systems. Modelling, Diagnosis and Control.IWA Publishing.

Olsson  G.,  Jeppsson  U.  2006. Plant­wide  control:  dream,  necessity  or  reality? Water  Scienceand Technology, 33(3), 121­129.

Olsson G., Nielsen  M.K., Yuan  Z., Lynggaard­Jensen  A., Steyer  J.­P. 2005. Instrumentation,control and automation in wastewater systems. IWA Publishing.

Peng  Y.,  Ma  Y.,  Wang  S.,  Wang  X.  2005.  Fuzzy  control  of  nitrogen  removal  inpredenitrification process using ORP. Water Science and Technology, 52(12), 161­169.

Phillips  H.M.,  Sahlstedt  K.E.,  Frank  K.,  Bratby  J.,  Brennan  W.,  Rogowski  S.,  Pier  D.,Anderson  W.,  Mulas  M.,  Copp  J.B.,  Shirodkar  N.  2009.  Wastewater  treatment  modelling  inpractice: a collaborative discussion of the state of the art. Water Science and Technology, 59(4),695­704.

Posio  J.  2002. Model  predicative  control.  Oulu  University,  Control  engineering  laboratory,Report B No 9, (In Finnish)

Qin S.J., Badgwell T.A. 2003.  A Survey of  Industrial  Model Predictive Control Technology.Control Engineering Practice, 11(7), 733­764.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

64

Pietrowski  R.,  Brdys  M.A.,  Konarczak  K.,  Duzinkiewitcz  K.,  Chotkowski  W.  2008.Hierarchical  dissolved  oxygen  control  for  activated  sludge  processes. Control  EngineeringPractice, 16(1), 114­131.

Puig S., van Loosdrecht M.C.M., Colprim J., Meijer S.C.F. 2008. Data evaluation of full­scalewastewater treatment plants by mass balance. Water Research, 42(18), 4645­4655.

Queinnec  I.,  Dochain  D.  2001,  Modelling  and  simulation  of  the  steady­state  of  secondarysettlers in wastewater treatment plants, Water Science and Technology, 43(7), 39–46.

Rodríguez J., Premier G.C., Dinsdale R., Guwy A.J. 2009. An implementation Framework forwastewater treatment models requiring a minimum programming expertise. Water Science andTechnology, 59(2), 367­380.

Samuelsson P., Carlsson B. 2001. Feedforward control of  the external  carbon  flow rate  in anactivated sludge process. Water Science and Technology, 43(1), 115­122.

Samuelsson  P.,  Halvarsson  B.,  Carlsson  B.  2007.  Cost­efficient  operation  of  a  denitrifyingactivated sludge process. Water Research, 41(11), 2325­2332.

Schütze  M.R.,  Butler  D.,  Beck  M.B.  2002. Modelling,  simulation  and  control  of  urbanwastewater systems. Springer.

Schütze  M.,  Campisano  A.,  Colas  H.,  Schilling  W.,  Vanrolleghem  P.A.,  2004.  Real  timecontrol  of  urban  wastewater  systems  –  where  do  we  stand  today? Journal  of  Hydrology,299(3­4), 335­348.

Seborg D.E., Edgar T.F., Mellichamp D.A. 2003. Process Dynamics and Control, 2nd Edition,Wiley.

Shen  W.H.,  Chen  X.Q.,  Corriou  J.P.  2008.  Application  of  model  predictive  control  to  theBSM1  benchmark  of  wastewater  treatment  process. Computer  and  chemical  engineering,32(12), 2849­2856.

Slotine  J.J.E.,  Hedrick  J.K.,  Misawa  E.A.  1987.  On  sliding  observers  for  nonlinear  systems.Journal of Dynamic Systems, Measurements and Control, 109, 245­252.

Smets  I.Y.,  Haegebaert  V.J.,  Carrette  R.,  Van  Impe  J.F.  2003.  Linearization  of  the  activatedsludge model ASM1for fast and reliable prediction, Water Research, 37(8), 1831­1851.

Sotomayor O.A.Z., Won Park S., Garcia C. 2002. Software sensor for on­line estimation of themicrobial activity in activated sludge system. ISA Transaction, 41(2), 127–143.

Spèrandio  M.,  Queinnec  I.  2004.  On­line  estimation  of  wastewater  nitrifiable  nitrogen,nitrification  and  denitrification  rates,  using  ORP  and  DO  dynamics, Water  Science  andTechnology, 49(1), 31­39.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

65

Stare A., Vre ko D., Hvala N., Strm nik S. 2007. Comparison of control strategies for nitrogenremoval  in an activated sludge process in terms of operating costs: A simulation study. WaterResearch, 41(9), 2004­2014.

Tchobanoglous  G.,  Burton  F.L.,  Stensel  H.D.  2003. Wastewater  engineering:  treatment  andreuse, Metcalf & Eddy, Published by McGraw­Hill Professional.

Traoré  A,  Grieu  S.,  Thiery  F.,  Polit  M.,  Colprim  J.  2006.  Control  of  sludge  height  in  asecondary  settler  using  fuzzy  algorithms. Computer  and  chemical  engineering, 30(8),1235­1242.

Verbruggen  H.B.,  Babuška  R.  1999. Fuzzy  logic  control:  advances  in  applications.  WorldScientific.

Verdickt L.B., Van  Impe  J.F. 2002.   Simulation  analysis of a one­dimensional  sedimentationmodel, Preprints  of  the  15th  triennial  IFAC  World  Congress,  International  Federation  ofAutomatic Control (CDROM), Barcelona, Spain.

Visioli A. 2006, Practical PID Control, Springer.

Vitasovic  Z.Z.  1986. An  integrated  control  strategy  for  the  activated  sludge  process,  Ph.D.Thesis, Rice University, Houston, TX, USA.

Yong M., Yongzhen P., Jeppson U. 2006. Dynamic evaluation of  integrated control strategiesfor  enhanced  nitrogen  removal  in  activated  sludge  processes. Control  Engineering  Practice,14(11),1269­1278.

Yong M., Yongzhen P., Shuying W. 2005. Feedforward­feedback control of dissolved oxygenconcentration  in  a  predenitrification  system. Bioprocess  and  biosystems  engineering  Journal,27(4), 223­228.

Wimberger  D.  and  Verde  C.  2008.  Fault  diagnosticability  for  an  aerobic  batch  wastewatertreatment process. Control Engineering Practice, 16(11), 1344­1353.

Yoo C., Vanrolleghem P.A. and Lee I.B. 2003. Nonlinear modelling and adaptive monitoringwith fuzzy and multivariate statistical methods in biologic wastewater treatment plants. Journalof Biotechnology, 105(1­2), 135­163.

Zhao  H.,  Isaacs  S.  H.,  Soeberg  H.,  Kummel  M.,  1995.  An  analysis  of  nitrogen  removal  andcontrol strategies in an alternating activated sludge process. Water Research, 29(2), 535–544.

Zhao L., Chai T. 2005. Wastewater BOD forecasting model for optimal operation using robusttime­delay  neural  network.  In Advances  in  neural  networks  ISNN  2005  Second  internationalsymposium on neural networks, Edited by Wang J., Liao X., Yi Z., Springer.

Zhu  G.,  Peng  Y.,  Ma  B.,  Wang  Y.,  Yin  C.  2009.  Optimization  of  anoxic/oxic  step  feedingactivated sludge process with  fuzzy control  model  for  improving nitrogen  removal. ChemicalEngineering Journal, 151(1­3), 195­201.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

66

Zumoffen  D.  and  Basualdo  M.  2008.  Improvements  in  fault  tolerant  characteristics  for  largechemical  plants:  1.  Waste  water  treatment  plant  with  decentralized  control. Industrial  andEngineering Chemistry Research, 47(15), 5464­5481.

Äijälä  G.,  Lumney  D.  2006.  Integrated  soft  sensor  for  flow  control. Water  Science  andTechnology, 53(4­5), 473­482.

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

67

Appendix A: Questionnaire

KYSELY  JÄTEVEDENPUHDISTAMOIDEN  KONTROLLI­JA AUTOMAATIOJÄRJESTELMISTÄ

Teidän yhteystietonne

Nimi TehtävänimikeSähköpostiosoite (Työ)puhelinnumero

Tietoja jätevedenpuhdistamosta

Laitoksen nimi

Osoite

Paikkakunta Postinumero

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

68

Sähköisesti  täytetyt  kyselylomakkeet  voi  palauttaa  liitetiedostoina  [email protected].

1A. Minkälaisia mittauksia, mittalaitteita tai automaattisia analysaattoreita laitoksellanneon käytössä ja mikä on niiden lukumäärä?

Mitattu  muuttuja/  käytettyjatkuva­toiminenmittalaite

Mittaus­pisteidenluku­määrä

Mittausten sijainti  Kuinka  montaamittauksistakäytetäänon­line­ohjaukseen?

Toimivatkomittalaitteetkunnolla?

KylläEiKylläEi

Liuennut  happi(DO)

KylläEiKylläEiKylläEi

Ammonium

KylläEiKylläEiNitraattiKylläEiKylläEiFosfaattiKylläEiKylläEiKylläEi

Kiintoaine

KylläEi

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

69

Mitattu  muuttuja  /käytetty  jatkuva­toiminen mittalaite

Mittauspisteidenlukumäärä

Kuinka  montaamittauksistakäytetäänon­line­ohjaukseen?

Toimivatkomittalaitteetkunnolla?

Tulovirtaama KylläEi

Veden pinnankorkeus KylläEi

Ilmavirtaamailmastuksessa

KylläEi

Ilmanpaineilmastuksessa

KylläEi

Sameus KylläEi

Lietepatjan korkeus KylläEi

UV­absorptio KylläEi

COD KylläEi

BOD KylläEi

Respirometri KylläEi

pH KylläEi

Redox­potentiaali KylläEi

Johtokyky KylläEi

Metaani KylläEi

Lämpötila KylläEi

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

70

Laitoksellanne  käytössä  olevia  mittauksia,  mittalaitteita  tai  automaattisiaanalysaattoreita, joita ei ole yläpuolella olevassa listassa:

Mitattu muuttuja /käytetty  jatkuva­toiminenmittalaite

Mittauspisteiden lukumäärä

Kuinka  montaamittauksistakäytetäänon­line­ohjaukseen?

Toimivatkomittalaitteetkunnolla?

KylläEiKylläEiKylläEiKylläEi

2A. Kuinka aktiivilietteen ilmastus on ohjattu laitoksellanne?

Sama vakioilmamäärä koko vuorokauden ajan

Ilmastuksen ohjaus perustuu etukäteen määriteltyihin aikoihin

Ilmastuksen ohjaus perustuu yhteen liuenneen hapen mittaukseen

Liuenneen hapen profiilin ohjaus

Ts. ohjaus perustuu ilmastusaltaan ilmastetun osan jakamiseen useisiin lohkoihin jaliuenneen hapen mittaukseen käytetään useaa mittalaitetta

Ilmastuksen ohjaus perustuu ammonium­mittaukseen

Jokin muu ilmastuksen ohjausmenetelmä, mikä?

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

71

3A. Listaus laitoksen tärkeimmistä ohjauksista

Ohjaus Ohjauksen laatu Onko  ohjauksenvaihtelualue sopiva?

Toimiikoohjauskunnolla?

Tulopumppaus On/off­ohjaus

Jatkuva ohjaus

Alue on sopiva

Alue on liian laaja

Alue on liian kapea

Vaihtelualue on väärä

Kyllä

Ei

Palautuslietteen

pumppaus

On/off­ohjaus

Jatkuva ohjaus

Alue on sopiva

Alue on liian laaja

Alue on liian kapea

Vaihtelualue on väärä

Kyllä

Ei

Ylijäämälietteen

pumppaus

On/off­ohjaus

Jatkuva ohjaus

Alue on sopiva

Alue on liian laaja

Alue on liian kapea

Vaihtelualue on väärä

Kyllä

Ei

Ilmastus,

säätöventtiilit

On/off­ohjaus

Jatkuva ohjaus

Alue on sopiva

Alue on liian laaja

Alue on liian kapea

Vaihtelualue on väärä

Kyllä

Ei

Ilmastus,

kompressorit

On/off­ohjaus

Jatkuva ohjaus

Alue on sopiva

Alue on liian laaja

Alue on liian kapea

Vaihtelualue on väärä

Kyllä

Ei

Saostuskemikaalin

(esim. ferro) syöttö

On/off­ohjaus

Jatkuva ohjaus

Alue on sopiva

Alue on liian laaja

Alue on liian kapea

Vaihtelualue on väärä

Kyllä

Ei

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

72

Ohjaus Ohjauksen laatuOnko  ohjauksen

vaihtelualue sopiva?

Toimiiko

ohjaus

kunnolla?

Alkalointikemikaalin

syöttö

On/off­ohjaus

Jatkuva ohjaus

Alue on sopiva

Alue on liian laaja

Alue on liian kapea

Vaihtelualue on väärä

Kyllä

Ei

Muuta, mitä? On/off­ohjaus

Jatkuva ohjaus

Alue on sopiva

Alue on liian laaja

Alue on liian kapea

Vaihtelualue on väärä

Kyllä

Ei

Muuta, mitä? On/off­ohjaus

Jatkuva ohjaus

Alue on sopiva

Alue on liian laaja

Alue on liian kapea

Vaihtelualue on väärä

Kyllä

Ei

4A. Kuinka monta kehittynyttä säädintä laitoksellanne on käytössä?

Kokonaismäärä:

Minkälaisia kehittyneitä säätimiä laitoksellanne on ja missä ohjauksessa niitä käytetään?

Kehittyneillä säätimillä  tarkoitetaan PID­säädintä kehittyneempää menetelmää,esim. adaptiivista säätöä, sumeaa säätöä tai malleihin perustuvaa säätöä.

5A. Onko laitoksellanne käytössä automaatiota,  joka reagoi poikkeuksellisiin  tilanteisiintai joilla ennustetaan sellaisia? Minkälaisia?

6A. Onko laitoksellanne käytetty prosessimallinnusta?

Kyllä Ei

Onko laitoksellanne omaa mallinnusohjelmaa?

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

73

Kyllä Mikä ohjelma?

Ei

Käytättekö mallinnusta apuna laitoksenne ohjauksessa?

Kyllä Ei

Mihin muihin tarkoituksiin olette käyttäneet mallinnusta?Mikäli laitoksellanne ei toistaiseksi ole käytetty mallinnusta, oletteko harkinneet sen käyttöä?

Kyllä, mallinnusta

Kyllä, mallinnusta ja oman ohjelman hankintaa

Ei

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

74

Mielipiteenne

7A. Missä mielestänne on paras mahdollisuus parantaa laitoksenne suorituskykyä liittyeninstrumentaatioon, ohjaukseen ja automaatioon?

8A.  Minkälaisena  arvioisitte  nykyisen  instrumentaation  ja  ohjausjärjestelmän  käytönlaitoksellanne?

Niistä olisi mahdollista hyötyä paljon enemmän

Niistä olisi mahdollista hyötyä enemmän

Niistä olisi luultavasti mahdollista hyötyä enemmän

Niistä ei pystytä hyötymään enempää

9A. Minkä arvioitte tärkeimmäksi pullonkaulaksi laitoksenne toiminnan parantamisessa?

10A. Minkä arvioitte suurimmaksi uhaksi tulevaisuudessa laitoksenne toiminnalle?

11A. Mitä mieltä olette tästä väittämästä? ”Instrumentaatio, ohjaus ja automaatio tulevatolemaan jätevedenpuhdistamoilla entistä tärkeämpiä lähitulevaisuudessa.”

Täysin samaa mieltä

Jokseenkin samaa mieltä

En osaa sanoa

Jokseenkin eri mieltä

Täysin eri mieltä

12A.  Onko  laitoksellenne  asennettu  uutta  ohjaus­  tai  säätötekniikkaa  viimeisen  viidenvuoden aikana?

Kyllä Ei

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

75

Mikäli  vastaus  edelliseen  kysymykseen  on  myönteinen,  mitä parannuksia  laitoksellanneon saavutettu uuden ohjaus­ tai säätötekniikan ansiosta?

Kommentteja tästä kyselylomakkeesta tai siinä olevista kysymyksistä:

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

76

KYSELY JÄTEVEDENPUHDISTAMOIDENKOKOONPANOSTA JA TOIMINNASTA

Teidän yhteystietonne

Nimi TehtävänimikeSähköpostiosoite (Työ)puhelinnumero

Tietoja jätevedenpuhdistamosta

Laitoksen nimi

Osoite

Paikkakunta Postinumero

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

77

Laitoksen tyyppi ja operointi

Sähköisesti  täytetyt  kyselylomakkeet  voi  palauttaa  liitetiedostoina  [email protected].

Jotta  erilaisten  puhdistamoiden  ohjauksesta  ja  automaatiosta  saataisiin  edustava  otosjohtopäätösten tekemiseen, pyytäisimme teitä vastaamaan seuraaviin kysymyksiin koko vuodentilastotietojen pohjalta. Olkaa hyvä ja valitkaa vuosi 2006  tai 2007 .

Mikäli  joihinkin  kysymyksiin  löytyy  vastaukset  lähettämistänne  vuosiraporteista  taikyselylomakkeen liitteenä olevasta laitoksenne virtauskaaviosta*, voitte viitata niihin sen sijaan,että vastaatte kysymyksiin erikseen lomakkeeseen.

* Ari Kangas 2004. Jätevedenpuhdistamojen toiminta ja toteutukset,  Vesi­ ja viemärilaitosyhdistyksen monistesarja Nro 15, 12 s.

1B. Mistä vuodesta lähtien laitoksenne on ollut käytössä?

Laitos on ollut käytössä vuodesta

2B.  Mikäli  laitostanne  on  saneerattu  sen  käyttöön  oton  jälkeen,  milloin  se  on  viimeksitapahtunut?  Mitkä  ovat  viimeisimmät  merkittävät  saneeraustoimenpiteet,  mahdollisetautomaation uudistukset sekä syyt niihin?

Laitosta on viimeksi saneerattu vuonna

Viimeisimmät merkittävät saneeraustoimenpiteet:

Automaation uudistukset:

Syyt saneeraukseen:

3B. Kuinka suuri osuus laitoksenne nykyisestä virtaamasta ja kuormasta (esim. BOD7 taiN) on teollisuusjätevesiä?

Teollisuusjäteveden osuus % virtaamasta

Teollisuusjäteveden osuus % kuormasta

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

78

4B. Mikä on jäteveden keskimääräinen lämpötila?

Keskimääräinen jäteveden lämpötila on             °C

Jäteveden lämpötila on yli 12 °C             kk vuodesta

Jäteveden minimilämpötila ko. vuotena oli              °C

5B. Kuinka suuren osan ajasta laitoksellanne on henkilökuntaa paikalla?

Viitenä päivänä viikossa ainoastaan päivisin

Seitsemänä päivänä viikossa ainoastaan päivisin

Seitsemänä päivänä viikossa sekä öisin että päivisin

Miehittämätön laitos

Joku muu vaihtoehto              tuntia viikossa

6B. Kuinka paljon henkilökuntaa laitoksellanne työskentelee?

Täysiaikaisten työntekijöiden lukumäärä

Osa­aikaisten työntekijöiden lukumäärä

7B. Mikä on laitoksenne vuosittainen sähkönkulutus?

Kokonaiskulutus kWh/vuosi

Mitä ilmoittamaanne kokonaiskulutukseen on sisällytetty?

Mikäli laitoksellanne on mitattu käsittelyprosessin eri osien sähkönkulutus, olkaa hyvä javastatkaa myös alla oleviin kysymyksiin.

Esikäsittelyn kulutus kWh/vuosi(Kokonaiskulutus ennen vesiprosessin biologista osaa)

Biologisen osan kulutus kWh/vuosi

Ilmastuksen osuus                             % biologisen osan kulutuksesta

Lietteen käsittelyn kulutus kWh/vuosi

Kuinka paljon sähköä tuotetaan? kWh/vuosi

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

79

8B.  Kuinka  paljon  laitoksellanne  käytetään  kemikaaleja  vuosittain? (Saostuskemikaali,alkalointikemikaali ja ulkopuolisena hiililähteenä käytetty kemikaali)

Käyttämänne saostuskemikaali:

Saostuskemikaalin vuotuinen kulutus tonnia / vuosi

Saostuskemikaalin annostelupisteet:

Käyttämänne alkalointikemikaali:

Alkalointikemikaalin vuotuinen kulutus: tonnia / vuosi

Mikäli laitoksellanne käytetään ulkopuolista hiililähdettä (esim. metanoli) denitrifikaation ja/taibiologisen fosforinpoiston tehostamiseen, vastatkaa myös kysymyksiin alla.

Käyttämänne ulkopuolinen hiililähde:

Vuosittainen kulutus             tonnia / vuosi

Hiililähteen annostelupisteet:

9B. Biologisen prosessin ajo

Mikä on biologisen prosessin keskimääräinen lieteikä?

Talvella             d

Kesällä             d

Mikä on biologisen prosessin pääasiallinen ajotapa?

Prosessia ajetaan tavoitelieteiän mukaan

Prosessia ajetaan tavoitelietepitoisuuden mukaan ja lieteikää lasketaan kontrolliksi

Jokin muu ajotapa, mikä?

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

80

Miten  ilmastettujen  lohkojen  määrä  määräytyy?  (Vastataan  vain,  jos  laitoksella  ajetaankokonaistypenpoistoa.)

Henkilökunta asettaa manuaalisesti

Automaattisesti kello­ohjauksella

Automaattisesti ammoniumtyppimittauksen perusteella

Jokin muu tapa, mikä?

10B. Täyttyivätkö laitoksenne lupaehdot kyseisenä vuotena?

Kyllä Ei

Mikäli  lupaehdot eivät ole täyttyneet, minkä suureen osalta ja minä ajanjaksona näin eiole tapahtunut?

11B. Kuinka usein jätevettä ohitettiin kyseisenä vuotena?

Pelkästään puhdistamon biologinen osa ohitettiin

           määrä vuoden aikana

Koko käsittelyprosessi ohitettiin

           määrä vuoden aikana

12B.  Jos  jätevedenpuhdistamollanne  on  jotain  poikkeuksellisia  piirteitä,  olkaa  hyvä  jakuvailkaa niitä.

Epätavallisen suuria vaihteluita käsiteltävän jäteveden laadussa tai virtaamassa:

Poikkeuksellisia teollisuusjätevesiä:

Epätavallista prosessitekniikkaa:

Poikkeuksellisia lupaehtoja:

Jotain muuta, mitä?

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

81

13B. Minkä tyyppinen käsittelyprosessinne on typenpoiston osalta?

Esidenitrifikaatio

Samanaikainen nitrifikaatio / denitrifikaatio

Jälkidenitrifikaatio

Vaiheittainen nitrifikaatio / denitrifikaatio

Pelkkä nitrifikaatio

Joku muu, olkaa hyvä ja tarkentakaa:

14B. Kuinka suurta virtaamaa laitoksenne on suunniteltu käsittelemään?

Keskimääräinen mitoitusvirtaama             m3/vrk

Maksimimitoitusvirtaama             m3/tunti

15B. Kuinka suuri on laitoksenne nykyinen toteutunut virtaama?

Nykyinen keskivirtaama             m3/vrk

16B.  Kyselylomakkeen  liitteenä  on  laitoksenne  prosessikaavio  allastilavuuksineen    jakemikaalien  annostelupisteineen  vuodelta  2003.  Onko  prosessinne  edelleen  samanlainenja reaktoritilavuudet samat?

Kyllä

Ei Mitä muutoksia nykyisessä prosessissanne on liitteenä olevaan prosessikaavioonverrattuna?

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

82

17B.  Kuinka  suuria  biologisten  reaktoreiden  (sisältäen  aerobisen,  anoksisen  jaanaerobisen tilavuuden), selkeytysyksiköiden sekä mahdollisen tasausaltaan tilavuudetja  käsittelylinjojen  lukumäärät  ovat?  Jos  laitoksellanne  on  käytössä  jokinjälkikäsittely, olkaa hyvä ja kuvailkaa kyseistä käsittelyprosessia.

Aktiiviliete linjaa             m3

Esiselkeytys linjaa             m3

Jälkiselkeytys linjaa             m3

Tasausallas             m3

Jälkikäsittely, mikä?

18B.  Mitä  aineita  laitoksen  on  suunniteltu  poistavan  orgaanisen  aineen  ja  fosforin

lisäksi? (Rastittakaa kaikki sopivat vaihtoehdot)

Ammoniumtyppi (mutta ei nitraattityppeä)

Kokonaistyppi (sekä ammonium että nitraattityppi)

Fosfori (biologinen käsittely)

19B. Kuinka paljon laitoksellanne syntyy lietettä?

Kokonaispaino             tonnia / vuosi

Lietteen kuiva­ainepitoisuus               %

____________________________________________________________________________________________

Advanced operation and control methods of municipalwastewater treatment processes in Finland

83

Appendix B. Key figures of the WWTP surveyMedian  Average  Min Max

Design flow rate, m3/d 21 500 38 300 2 500 260 000

Max. Design flow rate, m3/h 1 550 2 980 630 25 000

Current flow rate, m3/d 13 250 29 200 2 150 260 000

Current flow rate / design flow rate, % 68 69 35 105

Sludge age during winter, total N or NH4­N removal, d 14.5 15.0 6.0 30.0

Sludge age during summer, total N or NH4­N removal, d 9.5 10.8 5.0 20.0

Sludge age during winter, only organic matter removal, d 5.0 8.6 3.0 20.0

Sludge age during summer, only organic matter removal, d 3.5 5.4 2.0 10.0

Average temperature of wastewater, °C 12.3 12.3 8.7 16.0

Min. temperature of wastewater, °C 7.0 6.8 3.3 10.1

Temperature of wastewater above 12°C, months per year 6.0 6.2 1.5 11.0

Share of industrial wastewater of the flow rate, % 10.0 10.5 0 30.0

Share of industrial wastewater of the load, % 15.5 19.8 0 60.0

Influent COD / total N 11.0 11.9 8.9 18.4

Sludge production, kg TS/kg BOD7 1.10 1.19 0.54 2.48

Dry solids content of sludge, % 23.6 23.5 6.0 32.0

Energy consumption / influent flow rate, kWh/m3 0.47 0.51 0.17 1.00

Set­point of dissolved oxygen concentration in aeration, mg/l  2.5 2.6 2.0 3.1

Number of full­time employees 6 9.8 2 50