Predicting the treated wastewater quality utilizing optical monitoring of the activated sludge process

Abstract Wastewater treatment is facing challenges due to the stricter legislation and increasing variety in the quantity and quality of the influent. In addition, for economic reasons the use of resources should be efficient. Therefore new automated monitoring tools and methods along with intelligent use of the gathered data are required to increase knowledge on the treatment process and to receive predictive information on the quality of the effluent that can be used to assist in optimizing the process operation. Predicting the effluent quality is difficult, as the complex treatment process includes several simultaneous nonlinear mechanisms and the relevant continuous information on the floc morphology is commonly missing, even though the flocculation process holds the key role in efficient wastewater treatment. Automated optical monitoring is able to reveal new valuable information on wastewater continuously, fast, objectively, and with minimal labor contribution. The main aim of this research was to develop predictive models for the quality parameters of treated wastewater at two full-scale wastewater treatment processes utilizing optical monitoring results. The actual predictive information was enabled using the measurements from the beginning of the process in model development alone. The optimal subsets of the model variables were sought by variable selection methods. The research also shows how utilization of the process measurements and the optical monitoring variables separately and together affect the modeling accuracy. The quality of the effluent in municipal and industrial wastewater treatment processes can be predicted in varying operating conditions by utilizing optical monitoring and process measurements. The prediction accuracy is sufficient to reveal the level of and changes in effluent quality. Thus, process operation can be optimized, more efficiently purified wastewater can be achieved, and environmental damage, health-related risks, and economic losses can be minimized.Tiivistelmä Jätevedenkäsittely kohtaa tulevaisuudessa haasteita tiukentuvan lainsäädännön sekä lisääntyvän jätevesimäärän ja laatuvaihteluiden vuoksi. Lisäksi taloudellisista syistä resurssien käytön pitäisi olla mahdollisimman tehokasta. Tämän vuoksi tarvitaan uusia automaattisia monitorointivälineitä ja -menetelmiä sekä kerätyn datan älykästä käyttöä lisäämään tietoa käsittelyprosessista ja ennustamaan käsitellyn jäteveden laatua prosessin ohjauksen optimoimiseksi. Käsitellyn jäteveden laadun ennustaminen on vaikeaa, sillä monimutkainen käsittelyprosessi sisältää useita yhtäaikaisia epälineaarisia mekanismeja ja olennainen jatkuva-aikainen tieto flokkien morfologiasta puuttuu, vaikka flokkausprosessi on keskeisessä asemassa jätevedenpuhdistuksen tehokkaan toiminnan kannalta. Automaattisen optisen monitoroinnin avulla saadaan uutta hyödyllistä tietoa jätevedestä jatkuva-aikaisesti, nopeasti, objektiivisesti ja vähäisellä työpanoksella. Tämän tutkimustyön päätavoite oli kehittää ennustemalleja kahden täysikokoisen jätevesilaitoksen käsitellyn jäteveden laatuparametreille hyödyntäen automaattista optista monitorointia. Malleissa käytettiin vain prosessin alkuosan mittauksia, jotta malleilla olisi todellinen kyky ennakoida käsitellyn jäteveden laatu. Mallien optimaaliset tulomuuttujat etsittiin muuttujavalinta-algoritmeilla. Tutkimus näyttää myös, miten prosessimittausten ja optisen monitoroinnin muuttujien hyödyntäminen yhdessä ja erikseen vaikuttaa mallien tarkkuuteen. Optisen monitoroinnin hyödyntäminen yhdessä prosessimittausten kanssa mahdollistaa käsitellyn jäteveden laadun ennustamisen vaihtelevissa olosuhteissa sekä teollisessa että kunnallisessa jätevedenkäsittelylaitoksessa. Mallinnustarkkuus on riittävä laatuparametrien tason ja muutosten esittämiseen ja käytettäväksi apuna prosessin ohjauksessa. Tällöin jäteveden puhdistusprosessi tehostuu ja ympäristövahingot, terveysriskit ja taloudelliset menetykset voidaan minimoida