I Sverige saknas det formella riktlinjer för hur avloppsreningsverk ska dimensioneras. Det är inte ovanligt att verken dimensioneras utifrån erfarenhet och tumregler utan att det preciseras vilka osäkerheter som har hanterats. Projektet visar att flera svagheter med traditionell dimensionering skulle kunna vägas upp genom ökad användning av osäkerhetsanalys och processimulering.
Kungsbacka kommun behöver bygga ut Hammargårds avloppsreningsverk för att bibehålla den ekologiska statusen i Kungsbackafjorden, trots en ökade belastning från tillväxten i Kungsbacka med omnejd. Kommunen ser en möjlighet att dra nytta av digitala tekniker för att effektivisera både byggprocessen och de färdiga reningsverken.Processmodeller har använts som verktyg i de flesta faser i ett reningsverks livscykel, men det saknas praktiska exempel på hur det bör ske på ett handgripligt sätt i projekterings- och byggprocessen. Detta projekt initierades därför för att förstå hur processmodeller kan stödja processval och dimensionering inom partneringprojekt.
En digital tvilling i form av en dynamisk processmodell kan användas för flera syften under hela livscykeln av ett kommunalt eller industriellt reningsverk. Syftet med detta projekt var att (1) demonstrera möjligheter för och (2) identifiera behov och genomförbarhet med en digital tvilling hos de anläggningsägare som ingår i projektet.För att demonstrera möjligheter användes LEVA i Lysekils ombyggnadsprojekt för Långeviks reningsverk som fallstudie. Med dataunderlag från förstudien implementerades en processmodell av det framtida reningsverket i en kommersiellt tillgänglig mjukvara. Denna baseras på att den befintliga för- och efterbehandlingen behålls medan det biologiska reningssteget byggs om till en MBBR-process. Som indata till modellen (temperatur, flöde och koncentrationer på inkommande och försedimenterat vatten) beaktades de förutsättningar som angivits i det förfrågningsunderlag som LEVA tagit fram.
För att verifiera modellimplementeringen jämfördes modellresultaten med erfarenhetsbaserad kunskap om MBBR-processen. Resultaten visade att modellen i stort ger förväntade resultat vilket är viktigt för att verktyget skall få förtroende vid verklig tillämpning.Med den typ av digital tvilling som använts i projektet finns möjlighet att beskriva/modellera det inkommande avloppsvattnet med en högre detaljeringsgrad än vad som traditionellt görs vid ombyggnadsprojekt. För att demonstrera detta planerades och genomfördes en provtagningskampanj. Resultaten från denna var tyvärr inte tillförlitliga och därför användes i projektet standardvärden för inkommande vatten i projektet. Detta ökar osäkerheten i resultaten jämfört med om provtagningsresultaten hade funnits men förutsättningarna är fortfarande i enlighet med förfrågningsunderlaget.
I projektet har det sedan visats att det är möjligt att kombinera den digitala tvillingen med LCA-data för att beräkna klimatpåverkan för olika processutföranden, styrstrategier, val av energikälla och insatsvaror. Detta presenteras som ett stöd för jämförelse av olika anbud vid upphandling även om det kräver mera förarbete av både beställare och entreprenörer. Ett exempel är att byta styrstrategi för dosering av kolkälla kan spara upp till 19 ton CO2-ekvivalenter på ett år. Den digitala tvillingen kan också användas av LEVA under hela den nya processlösningens livstid från design och upphandling till införande och justeringar av driftstrategier och slutligen som ett stöd vid kontinuerlig drift.Som påbyggnad till konventionell processmodellering demonstrerades slutligen möjligheten att köra simulering i realtid och med indata från en verklig process.
Implementeringen gjordes användarvänlig genom användning av mjukvaran Mediator som enkelt möjliggjorde sammankopplingen av signaler till/från ett styrsystem med kontaktpunkter definierade i simuleringsmjukvaran SIMBA#. Flera veckors stabil drift av systemet kunde visas. Tillämpningen anses dock för rudimentär för att kunna besvara frågor om krav på tidsupplösning, beräkningsprestanda och numerisk stabilitet. Under projektet genomfördes en behovs- och genomförbarhetsanalys genom informations- och kunskapsspridning vid ett flertal arbetsmöten och en avslutande workshop till vilken klustrets anläggningsägare bjöds in.
Changes in dilution of wastewater to a treatment plant due to infiltration or surface runoff can have a great impact on treatment process performance. This paper presents a model-based approach in which realistic influent scenarios are generated and used as inputs to a dynamic plant-wide process model of the wastewater treatment plant. The simulated operation is subsequently evaluated using life-cycle assessment (LCA) to quantify the environmental impacts of the future influent scenarios. The results show that increased infiltration led to higher environmental impact per kg nitrogen removed. The increase in surface runoff had a minor impact.
Wastewater treatment plants have the main objective to treat the incoming wastewater to meet specified discharge criteria. Different process configurations requiring different amount of resources such as energy and chemicals. The selection of process configuration can also impact the amount of energy produced from digestion of the sludge to biogas. In this study we compare the environmental impact of treating wastewater to two different levels of effluent quality (total phosphorus concentration, 1 mg P/L and 0.3 mg P/L) in three different process configurations using dynamic process modelling and life cycle assessment (LCA). The different processes studied were Pre-precipitation, Simultaneous precipitation and Biological phosphorous removal. Automatic process control in the models was used to achieve similar treatment results for the different processes. Operational data in the form of direct emissions to water and air, energy consumption, chemical consumption, production of sludge and biogas were generated by dynamic process simulations. The operational data were used in the LCA to calculate the environmental impact in five different categories, where global warming potential (GWP) also known as carbon footprint, was one. The results show that pre-precipitation gives the lowest GWP per m3 of treated water for both effluent standards. Bio-P gives the highest GWP.
Uncertainty analysis is important for wastewater treatment plant (WWTP) model applications. An important aspect of uncertainty analysis is the identification and proper quantification of sources of uncertainty. In this contribution, a methodology to identify an ensemble of behavioural model representations (combinations of input data, model structure and parameter values) is presented and evaluated. The outcome is a multivariate conditional distribution of input data that is used for generating samples of likely inputs (such as Monte Carlo input samples) to perform WWTP model uncertainty analysis. This article presents an approach to verify uncertainty distributions of input data (otherwise often assumed) by using historical observations and actual plant data.
Skärpta villkor för dagens avloppsreningsverk kräver allt mer avancerad och robust processtyrning. I detta projekt har därför en digital tvilling studerats som ett möjligt verktyg för att effektivisera och minimera fel vid driftsättning av nya styrsystem. Henriksdals reningsverk i Stockholm byggs om och nya styrsystem för den nya reningsprocessen utvecklas. En tidskritisk aspekt är att kontrollera att den nya styrningen är korrekt implementerad vilket idag görs genom s.k. factory acceptance och site acceptance tests (förkortas FAT och SAT). Dessa tester är tidskrävande och kan ta månader att genomföra eftersom de i hög grad utförs manuellt genom att exempelvis utvärdera effekten av ett ändrat signalvärde för var och en av de tusentals signaler och hundratals regulatorer som utgör styrsystemet. Trots det omfattande arbetet är det vanligt att fel upptäcks först efter verklig driftsättning. I detta projekt studerades hur digitala tvillingar kan komplettera de traditionella testerna, förbättra och effektivisera driftsättningen av ny processtyrning och därmed minska risken för fel. En digital tvilling utvecklades som baseras på en matematisk processmodell (MATLAB®/Simulink®) som kommunicerar med styrsystemet (Siemens, SIMATIC PCS 7) med hjälp av en simuleringsmjukvara (Siemens, SIMIT). Applikationen implementerades på en dator inom anläggningsägaren Stockholm Vatten och Avfalls (SVOA) nätverk vilket förenklar användningen av SVOA:s verkliga styrsystemskod.