Der Eastern Municipal Water District (EMWD) versorgt fast eine Million Menschen, die auf einer Fläche von 558 Quadratmeilen im Riverside County in Kalifornien leben und arbeiten. Als sechstgrößter Wasserversorger des Bundesstaates ist es seine Aufgabe, „sichere, zuverlässige, wirtschaftliche und umweltverträgliche Wasser-, Abwasser- und Aufbereitungsdienstleistungen“ bereitzustellen.
„Wir sind stets bestrebt, für Wasser von höchstmöglicher Qualität zu sorgen“, so Matthew Melendrez, P.E. Assistant General Manager, Operations and Maintenance, „und dabei für unsere Kunden so wirtschaftlich wie möglich vorzugehen, um deren Kosten niedrig zu halten.“
Doch eine wachsende Bevölkerung und ein immer größeres Versorgungsgebiet haben die Anforderungen an den EMWD erhöht. In den vier Kläranlagen werden derzeit täglich etwa 48 Millionen Gallonen Abwasser von Verunreinigungen befreit.
„Die beiden wichtigsten Stoffe, die wir entfernen möchten, sind organische Stoffe und Ammoniak“, so Melendrez. „Wenn wir diese nicht beseitigen, haben sie erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt.”
Ein anspruchsvoller und energieintensiver Prozess, der gesteuert werden muss
Die Belebung ist ein wesentlicher Schritt bei der Abwasseraufbereitung – und einer der energieintensivsten. Die EMWD-Anlagen geben fast die Hälfte ihrer Stromrechnungen für Gelöstsauerstoff aus, der zum biologischen Abbau von Reststoffen verwendet wird.
„Die Industrie hat lange Zeit mit der Belebungssteuerung und der Suche nach besseren Möglichkeiten für den Beckenbetrieb gekämpft“, erklärt Melendrez. „Die Prozessparameter ändern sich praktisch minütlich, da die Durchflussraten und die Mengen an Ammoniak und organischen Stoffen schnell schwanken. Dies macht es schwierig, einen typischen PID-Sollwert so zu programmieren, dass die Sollwerte für den Gelöstsauerstoff erreicht werden.“
Wird der Sollwert zu hoch angesetzt, erhöht sich der Stromverbrauch für die Bereitstellung unnötiger Luft. Eine zu niedrige Einstellung hemmt die Ammoniakoxidation, was wiederum eine Desinfektion und größere Mengen an Chlor erfordert.
„In der Regel verwenden wir ein einfaches PID-Steuerungssystem, das die Luftventile langsam öffnet und schließt, wenn der Gelöstsauerstoffgehalt steigt oder sinkt. Alles ist reaktiv und basiert auf Feedback, und die Bediener greifen normalerweise täglich ein, um manuelle Anpassungen vorzunehmen“, meint Melendrez. „Da die Tanks aber so groß sind und sich die Bedingungen ständig ändern, dauert es nach den Anpassungen eine gewisse Zeit, bis wir Ergebnisse sehen. All das ist für eine normale PID-Steuerung schwer zu bewältigen, weshalb dies eine der wichtigsten Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung ist.“
Eine bessere Belebungsleistung würde sich auch positiv auf die nachgelagerten Prozesse auswirken, wo bei der Anlage Möglichkeiten für eine bessere Desinfektion und die Senkung der Kosten für Chemikalien bestehen.
Lösung mit künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen
EMWD wandte sich an Rockwell Automation, einen seiner langjährigen Technologielieferanten, um eine Anwendung mit künstlicher Intelligenz (KI) zu entwickeln und zu testen, die den aktuellen Zustand des Belebungsbetriebs erlernt und mit minimalem Eingreifen der Mitarbeiter die PID-Reaktion auf veränderte Bedingungen optimal anpasst.
Gemeinsam mit den Rockwell Automation-Teams Water Wastewater, Solutions & Services und Advanced Analytics hat EMWD ein KI-fähiges Steuerungssystem in der Aufbereitungsanlage von San Jacinto Valley erprobt, die täglich 7 Millionen Gallonen Wasser aufbereitet. Die Mitarbeiter des Werks installierten eine Allen-Bradley CompactLogix™ 5480-Steuerung in das bestehende Automatisierungsnetzwerk, sodass sie bei Bedarf eine Schnittstelle zu anderen Prozessen bereitstellen kann.
„Da wir Rockwell Automation-Systeme bereits für die Steuerung verwenden, schien dies eine gute Lösung zu sein, die sich hervorragend in unser übriges System integrieren ließ. Installation und Realisierung waren mit geringem Programmieraufwand ganz einfach, und wir können die Anlage und die KI in Zukunft auch für andere Prozesse einsetzen, ohne weitere Module zu benötigen“, so Melendrez. „Rockwell Automation hat es uns leicht gemacht, und die enge Zusammenarbeit im Team verlief reibungslos.“
Zwei Logix-Kerne stellen die Verbindung zum Steuerungssystem her, während zwei weitere Prozessoren die KI-Software von Rockwell Automation ausführen. Die KI steuert die in das Belebungsbecken eingeleitete Luftmenge durch kontinuierliche Überwachung und Aktualisierung der PID-Reaktion. Anschließend werden die Daten verwendet, um die Luftventile und die Menge des zugeführten Sauerstoffs anzupassen, bevor der Gelöstsauerstoffgehalt zu weit vom Sollwert abweicht.
„Mithilfe von maschinellem Lernen haben die Datenwissenschaftler von Rockwell Automation herausgefunden, dass der Abwasserfluss und die Ammoniakbelastung den größten Einfluss auf die Sauerstoffleistung haben“, erklärt Melendrez. „Sie haben ein Modell entwickelt, das den Bedarf an Gelöstsauerstoff für jede Geschwindigkeit und jede Belastung relativ genau vorhersagen kann, und die KI-Software dezentral programmiert.“
EMWD arbeitete dann einen Monat lang mit der konventionellen PID-Steuerung und einen weiteren Monat lang mit der KI-gestützten Steuerung, um die Ergebnisse zu vergleichen.
Deutliche Leistungsverbesserung
Mit der KI-fähigen Steuerung konnte EMWD die dem Belebungsbecken zugeführte Luftmenge um bis zu 31 % reduzieren. Die Anlage war nicht nur erfolgreicher, wenn es darum ging, den Gelöstsauerstoffgehalt näher an den Sollwert zu bringen, sondern sie war auch in der Lage, den Zielwert für den Gelöstsauerstoff zu senken. Die bessere Kontrolle des Gelöstsauerstoffgehalts führte zudem zu einer verbesserten Abwasserqualität mit geringerem Ammoniak-Durchschlag, sodass der Bedarf an Desinfektionsmitteln sank.
„Wir waren begeistert, wie sich das System, das bisher nicht wirklich funktionierte und dessen Aufgaben regelmäßig von Menschen übernommen werden mussten, zu einem vollständig automatisierten System entwickelt hat, das die Leistung erheblich steigert, finanzielle Vorteile bringt und unsere CO2-Bilanz verbessert“, berichtet Melendrez.
Er schätzt, dass die verbesserte Steuerung des Gelöstsauerstoffgehalts den Energieverbrauch der Anlage um 960 Kilowattstunden (kWh) Strom pro Tag senken wird, was einer jährlichen Einsparung von 42 000 USD entspricht. Darüber hinaus wird die Möglichkeit, den Sollwert für den Gelöstsauerstoff zu senken, weitere tägliche Stromeinsparungen von 1370 kWh ermöglichen, was jährliche Einsparungen in Höhe von 60 000 USD ermöglicht.
Myan Bourdon, Account Manager von Rockwell Automation Water Wastewater für EMWD, ist von den Aussichten der Anwendung für die Branche begeistert. Sie erklärt: „Wir freuen uns darauf, gemeinsam mit EMWD und anderen Wasserversorgern zu erforschen, wie künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen nicht nur die Nachhaltigkeit sondern auch die Produktivität eines Betriebs verbessern können.“
EMWD setzt das KI-gestützte Steuerungssystem weiterhin ein und hofft auf eine Zusammenarbeit mit Rockwell Automation, um auch die anderen Belebungsbecken mit der Anwendung auszustatten. Mit Blick auf die Zukunft sieht Melendrez bei der Desinfektion eine weitere Möglichkeit, die KI-Lösung einzusetzen.
