Le district municipal de l'eau de l'Est (EMWD) dessert près d'un million de personnes vivant et travaillant sur 1442 km² dans le comté de Riverside, en Californie. En tant que sixième plus grande agence de distribution d'eau de l'État, sa mission est de fournir des services d'eau, d'eaux usées et d'eau recyclée « sûrs, fiables, économiques et durables sur le plan environnemental ».
« Nous nous efforçons en permanence de produire la meilleure qualité d'eau possible », a déclaré Matthew Melendrez, P.E., directeur général adjoint, Exploitation et maintenance, « et de le faire de la manière la plus économique possible pour nos clients afin de les aider à réduire leurs coûts. »
Mais une population croissante et une zone de service en expansion ont accru les demandes adressées au district. Ses quatre usines de récupération traitent actuellement environ 48000000 gallons d'eaux usées par jour, en éliminant les impuretés.
« Les deux principaux éléments que nous essayons d'éliminer sont les matières organiques et l'ammoniac », a noté Melendrez. « Si nous ne les éliminons pas, ils ont un impact important sur l'environnement. »
Un processus difficile et énergivore à maîtriser
L'aération est une étape clé du traitement des eaux usées, et l'une des plus énergivores. Les usines d'EMWD consacrent près de la moitié de leurs factures d'électricité à l'oxygène dissous utilisé pour la biodégradation des déchets.
« L'industrie a longtemps eu du mal à contrôler l'aération et à trouver de meilleures façons d'exploiter les bassins », explique Melendrez. « Les paramètres de procédé changent pratiquement à chaque minute de la journée, car les débits et les volumes d'ammoniac et de matières organiques fluctuent rapidement, ce qui rend difficile la programmation d'une consigne PID typique pour atteindre ses objectifs en matière d'oxygène dissous (OD). »
Fixer la cible trop haut nécessite une augmentation de l'électricité pour fournir de l'air inutile. La fixer trop bas inhibe l'oxydation de l'ammoniac, ce qui nécessite ensuite une désinfection et de plus grandes quantités de chlore.
« Nous utilisons généralement un système de commande PID simple qui ouvre et ferme lentement les vannes d'air à mesure que l'OD augmente ou diminue. Tout est réactif et basé sur le retour, et les opérateurs interviennent généralement quotidiennement pour effectuer des ajustements manuels », explique Melendrez. « Mais il y a un décalage entre le moment où les ajustements sont effectués et le moment où nous voyons les résultats, car les réservoirs sont si grands et les conditions continuent de changer. Tout cela rend difficile la gestion par un PID régulier et explique pourquoi il s'agit de l'une des plus grandes opportunités d'amélioration de l'efficacité. »
De meilleures performances d'aération auraient également un impact positif sur les procédés en aval, où l'usine pourrait améliorer la désinfection et réduire les coûts chimiques.
Solution d'intelligence artificielle et d'apprentissage automatique
EMWD a approché Rockwell Automation, l'un de ses fournisseurs de technologies de longue date, pour développer et tester une application d'intelligence artificielle (IA) qui apprend l'état actuel des opérations d'aération et, avec une intervention minimale du personnel, ajuste de manière optimale la réponse PID en fonction de l'évolution des conditions.
En collaboration avec les équipes Rockwell Automation Water Wastewater, Solutions & Services et Advanced Analytics, EMWD a piloté un système de commande doté d'une IA dans son usine de traitement de la vallée de San Jacinto, qui traite 7000000 gallons d'eau par jour. Le personnel de l'usine a installé un automate Allen-Bradley CompactLogix™ 5480 sur le réseau d'automatisation existant, ce qui lui permet d'interagir avec d'autres processus selon les besoins.
« Comme nous utilisons déjà Rockwell Automation pour la commande, cela semblait être une bonne solution qui s'intégrerait bien au reste de notre système. L'installation et la mise en œuvre ont été simples avec une programmation mineure, et nous pouvons potentiellement déployer l'unité et l'IA pour d'autres processus à l'avenir sans avoir besoin de plus de modules », a déclaré Melendrez. « Rockwell Automation a facilité les choses, et tout s'est déroulé sans problème grâce à une collaboration étroite en équipe. »
Deux cœurs Logix se connectent au système de commande tandis que deux autres processeurs exécutent le logiciel d'IA de Rockwell Automation. L'IA contrôle la quantité d'air alimentant le bassin d'aération en surveillant et en actualisant en permanence la réponse PID. Les données sont ensuite utilisées pour ajuster les vannes d'air et la quantité d'oxygène délivrée avant que l'OD ne s'écarte trop de la consigne.
« En utilisant l'apprentissage automatique, les data scientists de Rockwell Automation ont déterminé que le débit des eaux usées et la charge d'ammoniac ont le plus grand impact sur la performance en oxygène », explique Melendrez. « Ils ont construit un modèle qui était assez précis pour prédire la demande en OD pour n'importe quel débit et charge donnés, et ont programmé à distance le logiciel d'IA. »
EMWD a ensuite exécuté sa commande PID classique pendant un mois, suivie de la commande basée sur l'IA pendant un autre mois, afin de comparer les résultats.
Amélioration substantielle des performances
Grâce à la commande basée sur l'IA, EMWD a réduit la quantité d'air fournie au bassin d'aération de 31 %. L'usine a non seulement réussi à faire fonctionner l'OD plus près de sa consigne, mais elle a également pu abaisser la cible d'OD. Un meilleur contrôle de l'OD a également conduit à une meilleure qualité des effluents avec moins de fuites d'ammoniac, réduisant ainsi le besoin en désinfectants.
« C'était passionnant de voir comment nous sommes passés d'un système qui ne fonctionnait pas vraiment et qui nécessitait une intervention humaine régulière à un système entièrement automatisé qui a permis d'améliorer considérablement les performances, d'obtenir des avantages financiers et de réduire notre empreinte carbone », a déclaré Melendrez.
Il estime que l'amélioration du contrôle de l'OD réduira la consommation d'énergie de l'usine de 960 kWh d'électricité par jour, ce qui représente une économie annuelle de USD 42000,00. De plus, la possibilité d'abaisser la consigne d'OD permettra de réaliser des économies d'électricité supplémentaires de 1370 kWh par jour, soit USD 60000,00 d'économies annuelles.
Myan Bourdon, responsable de compte Rockwell Automation Water Wastewater pour EMWD, est enthousiaste quant aux promesses de l'application pour le secteur. Elle déclare : « Nous sommes impatients d'explorer avec EMWD et d'autres fournisseurs de traitement des eaux usées comment l'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique peuvent améliorer à la fois la durabilité et la productivité des opérations. »
EMWD continue d'utiliser le système de commande doté d'IA et espère travailler avec Rockwell Automation pour étendre son application aux autres bassins d'aération du district. En regardant vers l'avenir, Melendrez entrevoit une autre opportunité d'appliquer la solution d'IA : la désinfection.