O Eastern Municipal Water District (EMWD) atende quase um milhão de pessoas que vivem e trabalham em 558 milhas quadradas no condado de Riverside, Califórnia. Como a sexta maior agência de água potável do estado, sua missão é fornecer “serviços de água, esgoto e água reciclada seguros, confiáveis, econômicos e ambientalmente sustentáveis”.
"Nos esforçamos o tempo todo para produzir a água da mais alta qualidade possível", disse Matthew Melendrez, P.E., gerente geral assistente, Operações e Manutenção, "e fazer isso da forma mais econômica possível para que nossos clientes possam manter seus custos baixos."
Mas uma população crescente e uma área de serviço em expansão têm aumentado as demandas sobre o distrito. Suas quatro estações de recuperação atualmente tratam cerca de 48 milhões de galões de esgoto por dia, removendo impurezas.
"As duas principais coisas que estamos tentando remover são os orgânicos e a amônia", observou Melendrez. "Se não os removermos, eles terão um grande impacto no meio ambiente."
Um processo desafiador e intensivo em energia para controlar
A aeração é uma etapa fundamental no tratamento de esgoto e uma das mais intensivas em energia. As plantas da EMWD gastam quase metade de suas contas de eletricidade com oxigênio dissolvido usado para biodegradar resíduos.
"O setor tem lutado por muito tempo com o controle de aeração e a busca de melhores maneiras de operar as bacias", explicou Melendrez. "Os parâmetros do processo mudam praticamente a cada minuto do dia, pois as taxas de fluxo e os volumes de amônia e orgânicos flutuam rapidamente, dificultando programar um setpoint PID típico para atingir as metas de oxigênio dissolvido (OD)."
Definir a meta muito alta exige um aumento no fornecimento de eletricidade para fornecer ar desnecessário. Definir muito baixo inibe a oxidação da amônia, o que então requer desinfecção e maiores quantidades de cloro.
"Normalmente usamos um sistema de controle PID simples que abre e fecha lentamente as válvulas de ar conforme o DO sobe ou cai. Tudo é reativo e baseado em feedback, e os operadores geralmente intervêm diariamente para fazer ajustes manuais", disse Melendrez. "Mas há um atraso entre o momento em que os ajustes são feitos e o momento em que vemos os resultados, porque os tanques são muito grandes e as condições continuam mudando. Tudo isso dificulta o controle por um PID comum e explica por que esta é uma das maiores oportunidades para melhorar a eficiência."
Um melhor desempenho da aeração também impactaria positivamente os processos a jusante, onde a planta poderia melhorar a desinfecção e reduzir os custos com produtos químicos.
Solução de inteligência artificial e aprendizado de máquina
A EMWD procurou a Rockwell Automation, um de seus fornecedores de tecnologia de longa data, para desenvolver e testar uma aplicação de inteligência artificial (IA) que aprende o estado atual das operações de aeração e, com intervenção mínima do pessoal, ajusta de forma ideal a resposta PID à medida que as condições mudam.
Juntamente com as equipes de Water Wastewater da Rockwell Automation, Solutions & Services e Advanced Analytics, a EMWD testou um sistema de controle habilitado por IA em sua instalação de recuperação do Vale de San Jacinto, que trata 7 milhões de galões de água por dia. O pessoal da planta instalou um controlador Allen-Bradley CompactLogix™ 5480 na rede de automação existente, permitindo que ele faça interface com outros processos conforme necessário.
"Como já usamos Rockwell Automation para controle, parecia uma boa solução que se integraria bem ao restante do nosso sistema. A instalação e a implementação foram diretas, com alguma programação menor, e podemos potencialmente implantar a unidade e a IA para outros processos no futuro sem precisar de mais módulos", disse Melendrez. "A Rockwell Automation facilitou tudo, e tudo correu bem trabalhando em estreita colaboração como uma equipe."
Dois núcleos Logix se conectam ao sistema de controle enquanto outros dois processadores executam o software de IA da Rockwell Automation. A IA controla a quantidade de ar alimentada na bacia de aeração monitorando e atualizando continuamente a resposta PID. Os dados são então usados para ajustar as válvulas de ar e a quantidade de oxigênio fornecida antes que o DO se desvie muito do setpoint.
"Usando aprendizado de máquina, os cientistas de dados da Rockwell Automation determinaram que o fluxo de esgoto e a carga de amônia têm o maior impacto no desempenho do oxigênio", explicou Melendrez. "Eles construíram um modelo bastante preciso para prever a demanda de OD para qualquer taxa e carga, e programaram remotamente o software de IA."
A EMWD então operou seu controle PID clássico por um mês, seguido pelo controle habilitado por IA por mais um mês para comparar os resultados.
Melhoria substancial de desempenho
Com o controle habilitado por IA, a EMWD reduziu a quantidade de ar fornecida à bacia de aeração em até 31%. A planta não só teve mais sucesso em manter o DO mais próximo do setpoint, como também conseguiu reduzir a meta de DO. Um melhor controle de DO também levou a uma melhor qualidade do efluente, com menos passagem de amônia, reduzindo a necessidade de desinfetantes.
"Foi emocionante ver a transição de algo que não funcionava direito e precisava de intervenção humana regular para algo totalmente automatizado, que proporcionou uma melhoria substancial no desempenho, benefícios financeiros e redução da nossa dimensão de carbono", compartilhou Melendrez.
Ele estima que o controle aprimorado de DO reduzirá o consumo de energia da planta em 960 kWh de eletricidade por dia, gerando uma economia anual de USD 42000,00. Além disso, a capacidade de reduzir o setpoint de DO desbloqueará mais economias diárias de eletricidade de 1370 kWh, resultando em uma economia anual de USD 60000,00.
Myan Bourdon, a account manager de Water Wastewater da Rockwell Automation para a EMWD, está entusiasmada com o potencial da aplicação para o setor. Ela disse: "Estamos ansiosos para explorar com a EMWD e outros provedores de water wastewater como a inteligência artificial e o aprendizado de máquina podem melhorar tanto a sustentabilidade quanto a produtividade das operações."
A EMWD continua a usar o sistema de controle habilitado por IA e espera trabalhar com a Rockwell Automation para expandir sua aplicação para outras bacias de aeração do distrito. Olhando para o futuro, Melendrez vê outra oportunidade de aplicar a solução de IA: a desinfecção.