Data-derived soft sensors in biological wastewater treatment - With application of multivariate statistical methods

Tutkimustuotos

Tutkijat

  • Henri Haimi

Organisaatiot

Kuvaus

Jäteveden käsittelyvaatimukset ovat kiristyneet asteittain, mihin on vaikuttanut lisääntynyt vesistöjen ekologista tilaa koskeva valveutuneisuus ja, toisaalta, puhdistustekniikoiden kehittyminen. Korkealaatuinen prosessinvalvonta ja -ohjaus ovat olennaisia edellytyksiä tiukentuvien käsittelytavoitteiden saavuttamiseen kustannustehokkaasti. Niihin puolestaan tarvitaan luotettavaa reaaliaikaista informaatiota tärkeistä prosessimuuttujista. Vaikka ajantasaisesti muuttujia analysoivat instrumentit ovat kehittyneet merkittävästi, ei niiden suorituskyky biologisten käsittelyprosessien vaativissa olosuhteissa ole aina riittävä. Väitöskirjan päätavoite oli suunnitella perinteistä instrumentaatiota täydentäviä ohjelmistotyökaluja, jotka mahdollistavat käsittelyprosessien tehokkaamman ja riskittömämmän operoinnin. Koska nykyaikaiset laitokset ovat hyvin instrumentoituja ja niiden historiallista käyttödataa on runsaasti saatavilla, tutkimuksissa käytettiin datapohjaisia lähestymistapoja. Tutkielmassa kehitettiin usein termillä "soft sensor" kutsuttavia virtuaalisia antureita, joissa hyödynnetään dataa prosessoivia ennustavia malleja. Tässä työssä virtuaalisissa antureissa käytetyt mallit perustuvat tilastollisiin monimuuttujamenetelmiin. Niiden suunnittelussa hyödynnettiin erityisesti pääkomponenttianalyysiä muunnoksineen sekä pienimpään neliösummaan perustuvia regressiomenetelmiä. Liikkuvan ikkunan tekniikoita sovellettiin mallien mukauttamiseen prosessien vaihteleviin olosuhteisiin. Työssä tarkasteltiin sekä lineaarisia että epälineaarisia regressiomenetelmiä. Väitöstyön tekniset tutkimukset koskevat suurta yhdyskuntajätevedenpuhdistamoa. Biologisen jälkisuodatusyksikön operointia tukemaan kehitettiin nitraattikonsentraatioita ajantasaisesti ennustavia virtuaalisia antureita. Tutkimuksen jatkeena suunniteltiin mallien tuottamien estimaattien ja niitä vastaavien instrumenttimittausten toisiaan täydentävän käytön mahdollistava vaihtamisjärjestelmä. Virtuaalisten anturien osoitettiin mallintavan nitraattikonsentraatioita tarkasti ja, etenkin integroituina vaihtamisjärjestelmään, lisäävän yksikön ohjauksen käyttövarmuutta. Lisäksi prosessi- ja instrumenttianomalioiden valvontaan soveltuvaa virtuaalista anturia tutkittiin aktiivilieteprosessissa. Ehdotettu järjestelmä anomalian havaitsemiseen edesauttaa mittausten tehokasta käyttöä prosessinohjauksessa. Virtuaalisten anturien demonstroitiin soveltuvan tarkasteltuihin käyttökohteisiin ja omaavan varteenotettavaa potentiaalia käsittelylaitosten operoinnin tukemiseen. Käytettyjen monimuuttujatekniikoiden osoitettiin pystyvän suodattamaan helposti ymmärrettävää ja käyttökelpoista informaatiota monidimensionaalisesta datasta.

Yksityiskohdat

AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
Valvoja/neuvonantaja
Kustantaja
  • Aalto University
Painoksen ISBN978-952-60-6649-3
Sähköinen ISBN978-952-60-6650-9
TilaJulkaistu - 2016
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

    Tutkimusalat

  • datapohjainen mallinnus, tilastolliset monimuuttujamenetelmät, prosessinvalvonta, virtuaaliset anturit, jätevedenkäsittely

ID: 19021836