The Eastern Municipal Water District (EMWD) serve quasi un milione di persone che vivono e lavorano in un'area di 1443 km² nella contea di Riverside, California. In quanto sesta agenzia idrica al dettaglio più grande dello stato, la sua missione è fornire “servizi idrici, di acque reflue e di acque riciclate sicuri, affidabili, economici e sostenibili dal punto di vista ambientale”.
"Ci impegniamo costantemente a produrre acqua della massima qualità possibile", ha dichiarato Matthew Melendrez, P.E., assistant general manager, Operations and Maintenance, "e a farlo nel modo più economico possibile per i nostri clienti, per aiutarli a ridurre i costi".
Ma l'aumento della popolazione e l'espansione dell'area di servizio hanno aumentato le richieste nei confronti del distretto. I suoi quattro impianti di bonifica trattano attualmente circa 48 milioni di galloni di acque reflue al giorno, rimuovendo le impurità.
"Le due cose principali che stiamo cercando di rimuovere sono i composti organici e l'ammoniaca", ha osservato Melendrez. "Se non li eliminiamo, hanno un grande impatto sull'ambiente".
Un processo impegnativo e ad alto consumo energetico da controllare
L'aerazione è una fase chiave nel trattamento delle acque reflue, e una delle più energivore. Gli impianti EMWD spendono quasi la metà delle loro bollette elettriche per l'ossigeno disciolto utilizzato per biodegradare i rifiuti.
"Il settore ha faticato a lungo con il controllo dell'aerazione e a trovare modi migliori per gestire i bacini", ha spiegato Melendrez. "I parametri di processo cambiano praticamente ogni minuto del giorno, poiché i flussi e i volumi di ammoniaca e organici fluttuano rapidamente, rendendo difficile programmare un setpoint PID tipico per raggiungere i suoi obiettivi di ossigeno disciolto (DO)".
Impostare il target troppo alto richiede un aumento dell'elettricità per fornire aria non necessaria. Impostarlo troppo basso inibisce l'ossidazione dell'ammoniaca, che richiede quindi la disinfezione e quantità maggiori di cloro.
"Di solito utilizziamo un semplice sistema di controllo PID che apre e chiude lentamente le valvole dell'aria man mano che il DO sale o scende. Tutto è reattivo e basato sul feedback, e gli operatori di solito intervengono quotidianamente per apportare regolazioni manuali", ha detto Melendrez. "Ma c'è un ritardo dal momento in cui vengono apportate le regolazioni fino a quando vediamo i risultati, perché i serbatoi sono così grandi e le condizioni continuano a cambiare. Tutto ciò rende difficile per un PID regolare gestire la situazione e spiega perché questa è una delle maggiori opportunità per migliorare l'efficienza".
Prestazioni di aerazione migliori avrebbero anche un impatto positivo sui processi a valle, dove l'impianto potrebbe migliorare la disinfezione e ridurre i costi chimici.
Soluzione di intelligenza artificiale e machine learning
EMWD si è rivolta a Rockwell Automation, uno dei suoi fornitori di tecnologia di lunga data, per sviluppare e testare un'applicazione di intelligenza artificiale (AI) che apprende lo stato attuale delle operazioni di aerazione e, con un intervento minimo del personale, regola in modo ottimale la risposta PID al variare delle condizioni.
Insieme ai team Rockwell Automation Water Wastewater, Solutions & Services e Advanced Analytics, EMWD ha sperimentato un sistema di controllo abilitato all'AI presso il suo impianto di riciclo di San Jacinto Valley, che tratta 7 milioni di galloni d'acqua al giorno. Il personale dell'impianto ha installato un Allen-Bradley CompactLogix™ 5480 controller sulla rete di automazione esistente, consentendo l'interfacciamento con altri processi secondo necessità.
"Poiché già utilizzavamo Rockwell Automation per il controllo, questa sembrava una buona soluzione che si sarebbe integrata bene con il resto del nostro sistema. L'installazione e l'implementazione sono state semplici, con una programmazione minima, e potremmo potenzialmente utilizzare l'unità e l'AI per altri processi in futuro senza bisogno di altri moduli", ha dichiarato Melendrez. "Rockwell Automation ha reso tutto facile e tutto è andato liscio lavorando a stretto contatto come una squadra".
Due core Logix si collegano al sistema di controllo mentre altri due processori eseguono il software AI di Rockwell Automation. L'AI controlla la quantità di aria immessa nel bacino di aerazione monitorando e aggiornando continuamente la risposta PID. I dati vengono quindi utilizzati per regolare le valvole dell'aria e la quantità di ossigeno erogata prima che il DO si discosti troppo dal setpoint.
"Utilizzando il machine learning, i data scientist di Rockwell Automation hanno determinato che il flusso delle acque reflue e il carico di ammoniaca hanno il maggiore impatto sulle prestazioni dell'ossigeno", ha spiegato Melendrez. "Hanno costruito un modello molto accurato per prevedere la domanda di DO per qualsiasi tasso e carico, e hanno programmato da remoto il software AI".
EMWD ha quindi eseguito il suo classico controllo PID per un mese, seguito dal controllo abilitato all'AI per un altro mese, per confrontare i risultati.
Miglioramento sostanziale delle prestazioni
Con il controllo abilitato all'AI, EMWD ha ridotto la quantità di aria fornita al bacino di aerazione fino al 31%. L'impianto non solo è riuscito a mantenere il DO più vicino al suo setpoint, ma è stato anche in grado di abbassare il target del DO. Un migliore controllo del DO ha anche portato a una migliore qualità degli effluenti con una minore dispersione di ammoniaca, riducendo la necessità di disinfettanti.
"È stato entusiasmante vedere il passaggio da qualcosa che non funzionava davvero e che richiedeva l'intervento umano regolare a qualcosa di completamente automatizzato che ha portato a un miglioramento sostanziale delle prestazioni, a vantaggi finanziari e a una riduzione della nostra impronta di carbonio", ha condiviso Melendrez.
Stima che il miglioramento del controllo del DO ridurrà il consumo energetico dell'impianto di 960 kWh di elettricità al giorno, con un risparmio annuo di USD 42000. Inoltre, la possibilità di abbassare il setpoint del DO consentirà ulteriori risparmi giornalieri di elettricità pari a 1370 kWh, con un risparmio annuo di USD 60000.
Myan Bourdon, account manager Rockwell Automation Water Wastewater per EMWD, è entusiasta delle potenzialità dell'applicazione per il settore. Ha dichiarato: "Siamo ansiosi di esplorare con EMWD e altri fornitori di servizi di acqua e acque reflue come l'intelligenza artificiale e il machine learning possano migliorare sia la sostenibilità che la produttività delle operazioni".
EMWD continua a utilizzare il sistema di controllo abilitato all'AI e spera di collaborare con Rockwell Automation per estenderne l'applicazione agli altri bacini di aerazione del distretto. Guardando al futuro, Melendrez intravede un'altra opportunità per applicare la soluzione AI: la disinfezione.