KR20230086849A - Dualobjective optimization for energysaving and fouling mitigation in MBR plants using AIbased influent prediction and an integrated biologicalphysical model - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 유입수 인공지능 예측모델 기반 막생물반응기 최적화시스템 및 최적화방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 인공지능 기술 중 양방향 게이트 순환 유닛과 하모니 서치 알고리즘을 기반으로 한 막생물반응기(Membrane bioreactor, MBR) 플랜트의 에너지 절약 및 파울링 저감을 위한 이중 목적 최적화 시스템에 대한 것이다. The present invention relates to an influent artificial intelligence prediction model-based membrane bioreactor optimization system and optimization method. More specifically, it is about a dual-purpose optimization system for energy saving and fouling reduction in a membrane bioreactor (MBR) plant based on a two-way gate circulation unit and a harmony search algorithm among artificial intelligence technologies.
폐수 처리 시설의 최적 운영 전략은 경제 및 환경 운영을 개선하기 위해 널리 사용되어 왔다. 그러나 부적절한 최적화 시스템이 막생물반응기(MBR) 하수처리장에 적용되어 멤브레인 파울링과 관련된 복잡한 생물학적 및 물리적 상호작용과 관련된 불확실한 영향 때문에 높은 에너지 소비를 초래했다. Optimal operating strategies for wastewater treatment plants have been widely used to improve economic and environmental operations. However, inadequately optimized systems have been applied in membrane bioreactor (MBR) sewage treatment plants, resulting in high energy consumption due to uncertain effects associated with complex biological and physical interactions associated with membrane fouling.
막생물반응기(MBR)는 생물학적 처리와 물리적 막분리가 결합된다. MBR은 기존 하폐수처리장(이하, WWTP)에 비해 우수한 수질을 생산하며 추가적인 소독 과정이 필요하지 않다. MBR의 장점에도 불구하고, 막에 미립자가 부착되어 발생하는 파울링은 MBR 성능을 감소시킨다. 따라서 이는 MBR의 광범위한 적용에 중요한 장애물이 되어 왔다.Membrane bioreactors (MBRs) combine biological treatment with physical membrane separation. MBR produces superior water quality compared to conventional wastewater treatment plants (WWTPs) and does not require additional disinfection. Despite the advantages of MBR, fouling caused by particulate adhesion to the membrane reduces MBR performance. Therefore, this has been a major obstacle to the widespread application of MBR.
파울링 완화를 위한 운영 전략은 MBR을 경제적이고 실용적으로 만들 수 있는 잠재력을 제공하며, MBR 시스템의 최적화는 프로세스 효율성을 보장하는 데 도움이 될 수 있을 것이다. Operational strategies for fouling mitigation offer the potential to make MBR economical and practical, and optimization of MBR systems could help ensure process efficiency.
프로세스 최적화는 운영 비용을 절감하는 동시에 생산성과 에너지 요구사항의 균형을 맞출 수 있다. 최적화는 WWTP의 목적을 만족시킨다. 첫째는 유출물 배출 한계 만족, 둘째는 비정상적인 장애(안전성) 회피, 셋째는 운영비 최소화이다. 프로세스 성능 개선의 중요성에도 불구하고 MBR 시스템의 프로세스 최적화에 대한 연구는 거의 수행되지 않았다.Process optimization can reduce operating costs while balancing productivity and energy requirements. Optimization satisfies the purpose of the WWTP. The first is to meet the effluent discharge limit, the second is to avoid abnormal failure (safety), and the third is to minimize operating costs. Despite the importance of improving process performance, few studies have been conducted on process optimization of MBR systems.
종래 활성 슬러지 모델 2d 기반 MBR 시스템(ASM2d-MBR)은 영양 제거에 영향을 주지 않고 에너지 디맨드를 최적화하기 위해 제안되었다. 에너지 요건 및 유출 품질을 평가하기 위해 벤치마크 시뮬레이션 모델(BSM-MBR) 기반 최적화 기법이 제안되었다. ASM2d 모델 기반 최적화는 질소 제거 및 에너지 효율을 개선하기 위해 MBR에 대한 최적의 설정점을 제안했다. 최적의 설계 및 작동 조건을 결정하기 위해 하위 병합 MBR에 전산 유체 역학 접근방식이 채택되었다.A conventional activated sludge model 2d-based MBR system (ASM2d-MBR) has been proposed to optimize energy demand without affecting nutrient removal. An optimization technique based on a benchmark simulation model (BSM-MBR) is proposed to evaluate energy requirements and runoff quality. ASM2d model-based optimization suggested optimal set points for MBR to improve nitrogen removal and energy efficiency. A computational fluid dynamics approach was adopted for the submerged MBR to determine the optimal design and operating conditions.
그러나 생물학적 플랫폼은 활성화된 슬러지 시스템에서 파생되었으며 단순한 모델링 접근법으로부터 어려움을 겪었다. 따라서 파울링과 생물학적 및 물리적 프로세스 간의 상호작용에 대한 중요한 정보는 제외되었다.However, the biological platform was derived from activated sludge systems and suffered from simplistic modeling approaches. Therefore, important information on the interaction between fouling and biological and physical processes was excluded.
또한, 종래 막반응기에서의 제거 불능의 막 오염(파울링) 진행 및 슬러지 형성을 조사하기 위한 물리적 여과 프로토콜이 개발되었다. 에너지 및 파울링 감소를 위한 유체역학 최적화를 제안하기 위해 3차원 계산 유체 역학을 사용했다. 막에 대한 실험적인 공기 정련 제어 시스템은 공기 정련 유량과 에너지 소비를 줄이기 위해 제안되었다. 그러나, 이 역시 물리적인 과정과 생물학적 과정 사이의 상호작용을 고려하기 힘들다.In addition, a physical filtration protocol was developed to investigate the development of unremovable membrane fouling (fouling) and sludge formation in conventional membrane reactors. Three-dimensional computational fluid dynamics was used to propose hydrodynamic optimization for energy and fouling reduction. An experimental air-refining control system for membranes is proposed to reduce the air-refining flow rate and energy consumption. However, it is also difficult to consider the interaction between physical and biological processes.
많은 MBR의 주요 결점인 파울링은 슬러지가 멤브레인 표면에 물리적으로 부착되는 것이다. 멤브레인 파울링은 일반적으로 젤/케이크 층 또는 젤/케이크 층의 열역학적 여과 저항성을 형성하기 위한 파울란트 접착의 형태로 발생한다. 또한 바이오매스의 특성, 가용성 미생물(SMP), 미립자 생성물 및 음이온 강도도 파울링에 영향을 미칠 수 있다.Fouling, a major drawback of many MBRs, is the physical attachment of sludge to the membrane surface. Membrane fouling usually occurs in the form of foulant adhesion to form a gel/cake layer or thermodynamic filtration resistance of a gel/cake layer. In addition, the nature of the biomass, soluble microorganisms (SMPs), particulate products and anionic strength can also affect fouling.
따라서 운영 최적화를 시도할 때 생물학적 및 물리적 프로세스를 통합해야 한다. 또한 동적 영향 변동은 파울링 메커니즘의 복잡한 상호작용에 영향을 미칠 수 있다. 이는 미생물의 활동을 방해하고 용존 산소(DO) 농도를 증가시키면서 영양소 제거 효율의 유지를 위한 증식 수요를 증가시킨다.Therefore, biological and physical processes must be integrated when attempting to optimize operations. Dynamic impact fluctuations can also affect the complex interactions of fouling mechanisms. This increases the growth demand for maintenance of nutrient removal efficiency while hindering microbial activity and increasing dissolved oxygen (DO) concentration.
MBR의 DO 농도는 확산된 공기가 멤브레인 표면을 스쳐 지나가 멤브레인 표면의 응축 슬러지를 청소하고 질산화용 에어로빅 조건을 유지하기 때문에 매우 중요하다. 최적 상태가 아닌 DO 수준은 운영 비용의 50% 이상에 영향을 미칠 수 있다.The DO concentration in the MBR is very important because the diffused air sweeps across the membrane surface to clean the condensed sludge on the membrane surface and maintain aerobic conditions for nitrification. Suboptimal DO levels can affect more than 50% of operating costs.
MBR의 동적 영향 수준에 관한 높은 불확실성은 DO 설정점 최적화에 장애가 될 수 있다. 공정 제어는 효율적인 오염 물질 제거를 유지하기 위해 영향을 미치는 변화를 고려해야 하며, MBR의 성공적인 최적화에 영향을 미치는 조건을 예측해야 한다.The high uncertainty about the level of dynamic influence of the MBR can be an obstacle to DO setpoint optimization. Process control must take into account the changes that affect it to maintain efficient contaminant removal, and must anticipate the conditions that will affect successful optimization of the MBR.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 급하게 변하는 유입수에 대해 인공지능 양방향 게이트 순환 유닛을 이용한 예측으로, 유입수 중 오염 물질의 농도를 예측하고, 또한, 하모니 서치를 이용하여 이중 목적 최적화 시스템을 구성하여 호기조의 폭기 강도와 막분리조의 여과-세척 기간을 최적화하여 파울링 저감과 에너지 소모를 줄여 환경성과 경제성을 개선할 수 있는, 유입수 인공지능 예측모델 기반 막생물반응기 최적화시스템 및 최적화방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Therefore, the present invention has been made to solve the above conventional problems, and according to an embodiment of the present invention, the concentration of pollutants in influent is predicted by predicting rapidly changing influent using an artificial intelligence bi-directional gate circulation unit. In addition, by constructing a dual-purpose optimization system using harmony search, influent artificial The purpose is to provide an intelligent predictive model-based membrane bioreactor optimization system and optimization method.
본 발명의 실시예에 따르면, 국내 MBR 플랜트 데이터를 이용해 검증한 결과, 에너지 효율을 12% 개선시킬 수 있으며 파울링을 26% 저감시킬 수 있으며, 국내 및 국외 MBR 플랜트의 운영 시스템에 적용하여 파울링 저감과 에너지 소모를 줄일 수 있고, 다양한 하수처리장 운영 분야에 적용될 것이라 기대되며, 사업화로는 국내외 하수처리장, 환경 시스템 기업 등에서 본 기술을 이용하여 에너지 및 환경성 개선 등에 이용될 것으로 전망되는, 유입수 인공지능 예측모델 기반 막생물반응기 최적화시스템 및 최적화방법을 제공하는데 그 목적이 있다. According to an embodiment of the present invention, as a result of verification using domestic MBR plant data, energy efficiency can be improved by 12% and fouling can be reduced by 26%. It can reduce energy consumption and energy consumption, and is expected to be applied to various sewage treatment plant operation fields. For commercialization, influent artificial intelligence, which is expected to be used for energy and environmental improvement by using this technology in domestic and foreign sewage treatment plants and environmental system companies. The purpose is to provide a predictive model-based membrane bioreactor optimization system and optimization method.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical problems that are not mentioned will become clear to those skilled in the art from the description below. You will be able to understand.
본 발명의 제1목적은 특정시간 후의 유입수의 특성을 예측하는 유입수 예측모델생성부; 및 상기 유입수 예측모델 생성부에서 예측된 유입수 특성을 기반으로 하수처리시스템을 제어하는 제어유닛;을 포함하는 유입수 인공지능 예측모델 기반 막생물반응기 최적화시스템으로서 달성될 수 있다. A first object of the present invention is an influent prediction model generating unit for predicting the characteristics of influent after a specific time; and a control unit controlling the sewage treatment system based on the influent characteristics predicted by the influent prediction model generation unit.
그리고 상기 유입수 예측모델생성부는 양방향게이트 순환유닛을 활용하며, 상기 양방향 게이트 유닛은 시간당 유입수 예측모델을 생성하며, 특정시간 후의 유입수 유량, COD, TSS, TN값 특성을 예측하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the influent prediction model generating unit utilizes a bidirectional gate circulation unit, and the bidirectional gate unit generates an influent prediction model per hour and predicts influent flow rate, COD, TSS, and TN value characteristics after a specific time. .
또한 상기 시간당 유입수 예측모델은 이전 입력된 데이터를 사용하여 특정시간 후에 유입수 특성을 연속적으로 예측하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the hourly influent prediction model may be characterized in that influent characteristics are continuously predicted after a specific time using previously input data.
그리고 상기 제어유닛은 막생물반응기 플랜트를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다. And the control unit may be characterized in that it controls the membrane bioreactor plant.
또한 상기 제어유닛은 하모니 서치를 통해 플랜트의 제어인자를 최적화하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the control unit may be characterized in optimizing the control factor of the plant through harmony search.
그리고 상기 제어유닛은 호기조의 폭기 강도와, 막분리조의 여과, 세척기간을 최적화하는 것을 특징으로 할 수 있다. The control unit may optimize the aeration intensity of the aerobic tank and the filtration and washing periods of the membrane separation tank.
또한 생물학적 모델과 물리적 모델을 통합하여 막생물반응기 공정을 모델링하는 통합 MBR 모델링부를 더 포함하고, 상기 생물학적 모델은 ASM-SMP를 사용하고, 상기 물리적 모델은 RIS 모델을 사용하여 MBR 공정을 모델링하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, it further includes an integrated MBR modeling unit that models the membrane bioreactor process by integrating the biological model and the physical model, wherein the biological model uses ASM-SMP and the physical model uses the RIS model to model the MBR process. can be characterized.
그리고 상기 제어유닛은 상기 생물학적 모델을 기반으로 폭기강도와 유출수 품질 지수를 최적화하고, 생물학적 모델과 물리적 모델을 기반으로 용수 생산성을 유지하면서 막오염 및 막펌핑에너지를 최적화하는 것을 특징으로 할 수 있다. The control unit may optimize aeration intensity and effluent quality index based on the biological model, and optimize membrane fouling and membrane pumping energy while maintaining water productivity based on the biological model and the physical model.
본 발명의 제2목적은 막생물반응기 최적화방법으로서, 유입수 예측모델생성부가 특정시간 후의 유입수의 특성을 예측하는 단계; 생물학적 모델과 물리적 모델을 통합하여 막생물반응기 공정을 모델링하는 통합 MBR 모델링부에 예측된 유입수 특성이 입력되는 단계; 및 제어유닛이 상기 통합 MBR 모델링부의 생물학적 모델과 물리적 모델을 기반으로 막생물 반응기를 최적화 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유입수 인공지능 예측모델 기반 막생물반응기 최적화방법으로서 달성될 수 있다. A second object of the present invention is a method for optimizing a membrane bioreactor, comprising: predicting characteristics of influent after a specific time by an influent prediction model generating unit; inputting predicted influent characteristics into an integrated MBR modeling unit that models a membrane bioreactor process by integrating a biological model and a physical model; and optimizing and controlling, by a control unit, the membrane bioreactor based on the biological and physical models of the integrated MBR modeling unit.
그리고 상기 유입수 예측모델생성부는 양방향게이트 순환유닛을 활용하며, 상기 양방향 게이트 유닛은 시간당 유입수 예측모델을 생성하며, 특정시간 후의 유입수 유량, COD, TSS, TN값 특성을 예측하며, 상기 시간당 유입수 예측모델은 이전 입력된 데이터를 사용하여 특정시간 후에 유입수 특성을 연속적으로 예측하는 것을 특징으로 할 수 있다. The influent prediction model generation unit uses a bidirectional gate circulation unit, and the bidirectional gate unit generates an hourly influent prediction model, predicts the influent flow rate, COD, TSS, and TN value characteristics after a specific time, and the hourly influent prediction model may be characterized by continuously predicting influent characteristics after a specific time using previously input data.
또한 상기 제어유닛은 하모니 서치를 통해 막생물반응기 플랜트의 제어인자를 최적화하며, 상기 제어인자는 호기조의 폭기 강도와, 막분리조의 여과, 세척기간을 최적화하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the control unit optimizes the control factor of the membrane bioreactor plant through harmony search, and the control factor may be characterized in that the aeration intensity of the aerobic tank and the filtration and washing period of the membrane separation tank are optimized.
그리고 상기 생물학적 모델은 ASM-SMP를 사용하고, 상기 물리적 모델은 RIS 모델을 사용하여 MBR 공정을 모델링하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the biological model may use ASM-SMP, and the physical model may model the MBR process using a RIS model.
또한 상기 제어유닛은 상기 생물학적 모델을 기반으로 폭기강도와 유출수 품질 지수를 최적화하고, 생물학적 모델과 물리적 모델을 기반으로 용수 생산성을 유지하면서 막오염 및 막펌핑에너지를 최적화하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the control unit may optimize aeration intensity and effluent quality index based on the biological model, and optimize membrane fouling and membrane pumping energy while maintaining water productivity based on the biological model and the physical model.
본 발명의 실시예에 따른 유입수 인공지능 예측모델 기반 막생물반응기 최적화시스템 및 최적화방법에 따르면, 급하게 변하는 유입수에 대해 인공지능 양방향 게이트 순환 유닛을 이용한 예측으로, 유입수 중 오염 물질의 농도를 예측하고, 또한, 하모니 서치를 이용하여 이중 목적 최적화 시스템을 구성하여 호기조의 폭기 강도와 막분리조의 여과-세척 기간을 최적화하여 파울링 저감과 에너지 소모를 줄여 환경성과 경제성을 개선할 수 있는 효과를 갖는다. According to the influent artificial intelligence prediction model-based membrane bioreactor optimization system and optimization method according to an embodiment of the present invention, the concentration of pollutants in the influent is predicted by prediction using an artificial intelligence bi-directional gate circulation unit for rapidly changing influent, In addition, by constructing a dual-purpose optimization system using harmony search, the aeration intensity of the aerobic tank and the filtration-cleaning period of the membrane separation tank are optimized to reduce fouling and energy consumption, thereby improving environmental performance and economic feasibility.
본 발명의 실시예에 따른 유입수 인공지능 예측모델 기반 막생물반응기 최적화시스템 및 최적화방법에 따르면, 국내 MBR 플랜트 데이터를 이용해 검증한 결과, 에너지 효율을 12% 개선시킬 수 있으며 파울링을 26% 저감시킬 수 있으며, 국내 및 국외 MBR 플랜트의 운영 시스템에 적용하여 파울링 저감과 에너지 소모를 줄일 수 있고, 다양한 하수처리장 운영 분야에 적용될 것이라 기대되며, 사업화로는 국내외 하수처리장, 환경 시스템 기업 등에서 본 기술을 이용하여 에너지 및 환경성 개선 등에 이용될 것으로 전망된다. According to the influent artificial intelligence prediction model-based membrane bioreactor optimization system and optimization method according to an embodiment of the present invention, as a result of verification using domestic MBR plant data, energy efficiency can be improved by 12% and fouling can be reduced by 26%. It can reduce fouling and energy consumption by applying it to the operation system of domestic and foreign MBR plants, and is expected to be applied to various sewage treatment plant operation fields. It is expected to be used for energy and environmental improvement.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. You will be able to.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 예측 모델과 통합된 생물학적 및 물리적 프로세스를 사용하는 이중 목표 최적화(DOO) 시스템의 블록도((a) 내지 (d)는 프레임워크의 하위 단계를 나타냄(SMP는 용해성 미생물 제품이고 TSS는 총 부유 고체이다)),
도 3은 MBR 플랜트의 유입수 조건에 대한 시간별 예측 모델의 개념적 구성도(EEMD는 앙상블 경험적 모드 분해, IMF는 고유 모드 함수, DL은 딥 러닝이다),
도 4는 통합된 생물학적-물리적 모델에 대한 도식적 설명(ASM-SMP 및 직렬 저항 모델로 구성됨),
도 5는 생물학적 파울링 형성과 물리적 파울링 분리 사이의 관계도,
도 6은 유입수 TN 농도 예측 결과: (a) 시험기간 중 MLR, ES, ARIMA, MLP, GRU, BiGRU를 이용한 측정자료 비교 및 (b) 시험기간 중 예측오차 비교,
도 7은 이중 목표 최적화 시스템에 의한 최적 DO 설정값: (a) 높음, (b) 낮은 유입 부하 조건, (c) 시간당 DO 설정값 변동의 상자 플롯, 빨간색 상자는 하루 중 오염물 부하가 높은 시간을 나타냄,
도 8은 멤브레인 생물 반응기의 최적화 결과: (a) 반응기 내 SMP 및 TSS 농도, (b) 시간에 따른 최적화된 이완 지속 시간 추세 및 (c) 11월 5일(막 가동 시작) 최적화된 여과 주기 (d) 12월 5일(TSS 및 SMP 증가),
도 9는 수동 및 ABAC 시스템과 비교하여 DOO 시스템에 의한 개선된 경제 및 환경 운영: (a) AE 및 EQI 및 (b) 11월 15일부터 19일까지 배출 질소 화합물(아질산염 및 질산염 및 킬달 질소),
도 10은 (a) 수동 시스템과 (b) DOO 시스템, (c) 최적화된 시스템에 의한 TMP 감소 및 작동 시간 증가를 통한 4가지 내오염성별 내오염성 평가,
도 11은 완전 차단, 중간 차단 및 케이크 여과의 오염 메커니즘 모델을 사용하는 수동 및 DOO 시스템의 오염 모니터링,
도 12는 full-scale MBR 플랜트에서 최적화 시스템에 의한 생물학적 개선: (a) DO 설정값 감소 및 (b) AE 감소 및 EQI 유지,
도 13. 수동 시스템과 비교하여 풀스케일 MBR 플랜트에서 DOO 시스템에 의한 오염 진행 평가: (a) 최적 역세척 기간의 경향, (b) 내오염성 감소, (c) TMP 감소 값 및 증가된 작동 시간The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention serve to further understand the technical idea of the present invention, the present invention is limited only to those described in the drawings. and should not be interpreted.
1 and 2 are block diagrams of a Dual Objective Optimization (DOO) system using biological and physical processes integrated with a predictive model according to an embodiment of the present invention ((a) to (d) represent the sub-steps of the framework). (SMP is the soluble microbial product and TSS is the total suspended solids)),
3 is a conceptual block diagram of an hourly prediction model for influent conditions of an MBR plant (EEMD is an ensemble empirical mode decomposition, IMF is an eigenmode function, and DL is deep learning);
Figure 4 is a schematic description of the integrated bio-physical model (consisting of ASM-SMP and series resistance model);
5 is a diagram of the relationship between biological fouling formation and physical fouling separation;
6 shows influent TN concentration prediction results: (a) comparison of measurement data using MLR, ES, ARIMA, MLP, GRU, and BiGRU during the test period and (b) comparison of prediction errors during the test period;
7 is a box plot of optimal DO setpoints by a dual target optimization system: (a) high, (b) low influent load conditions, (c) hourly DO setpoint variation, red boxes represent times of day with high pollutant loads. indicating,
Figure 8 shows the optimization results of the membrane bioreactor: (a) SMP and TSS concentrations in the reactor, (b) the trend of the optimized relaxation duration over time and (c) the optimized filtration cycle on November 5 (membrane start-up) ( d) December 5 (TSS and SMP increase);
Figure 9: Improved economic and environmental operation by the DOO system compared to the passive and ABAC systems: (a) AE and EQI and (b) emissions nitrogen compounds (nitrite and nitrate and Kjeldahl nitrogen) from 15 to 19 November. ,
Figure 10 is (a) passive system, (b) DOO system, (c) 4 types of fouling resistance evaluation through TMP reduction and operating time increase by optimized system,
11 shows contamination monitoring of passive and DOO systems using contamination mechanism models of full blockage, medium blockage and cake filtration;
12 shows biological improvement by the optimization system in a full-scale MBR plant: (a) DO set point reduction and (b) AE reduction and EQI maintenance;
Figure 13. Assessment of fouling progression by DOO systems in full-scale MBR plants compared to manual systems: (a) trends in optimal backwash duration, (b) fouling resistance reduction, (c) TMP reduction values and increased operating time
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete and the spirit of the present invention will be sufficiently conveyed to those skilled in the art.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In this specification, when an element is referred to as being on another element, it means that it may be directly formed on the other element or a third element may be interposed therebetween. Also, in the drawings, the thickness of components is exaggerated for effective description of technical content.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.Embodiments described in this specification will be described with reference to cross-sectional views and/or plan views, which are ideal exemplary views of the present invention. In the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective explanation of technical content. Accordingly, the shape of the illustrated drawings may be modified due to manufacturing techniques and/or tolerances. Therefore, embodiments of the present invention are not limited to the specific shape shown, but also include changes in the shape generated according to the manufacturing process. For example, a region shown at right angles may be rounded or have a predetermined curvature. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have attributes, and the shapes of the regions illustrated in the drawings are intended to illustrate a specific shape of a region of a device and are not intended to limit the scope of the invention. Although terms such as first and second are used to describe various elements in various embodiments of the present specification, these elements should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.Terminology used herein is for describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase. The terms 'comprises' and/or 'comprising' used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other elements.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.In describing the specific embodiments below, several specific contents are prepared to more specifically describe the invention and aid understanding. However, readers who have knowledge in this field to the extent that they can understand the present invention can recognize that it can be used without these various specific details. In some cases, it is mentioned in advance that parts that are commonly known in describing the invention and are not greatly related to the invention are not described in order to prevent confusion for no particular reason in explaining the present invention.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른, 딥러닝기법을 기반으로 유입수 조건에 대한 24시간 사전 시간 범위를 가진 시간당 예측 모델과, MBR 플랜트의 예측 최적화 시스템에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, an hourly prediction model with a 24-hour advance time range for influent conditions based on a deep learning technique and a prediction optimization system for an MBR plant according to an embodiment of the present invention will be described.
또한 딥 러닝 모델과 기존의 통계 모델을 비교하고 평가하였고, 모델에는 다층 퍼셉트론(MLP), 게이트 반복 단위(GRU), 양방향 GRU(BiGRU(양방향 게이트 순환유닛))가 포함되며 다중 선형 회귀(MLR), 지수 평활(ES) 및 자기 회귀 통합 이동 평균(ARIMA)과 같은 통계 모델의 한계를 극복한다.In addition, deep learning models and conventional statistical models were compared and evaluated. The models include multi-layer perceptron (MLP), gated iteration unit (GRU), bidirectional GRU (biGRU (BiGRU)), and multiple linear regression (MLR). , overcoming the limitations of statistical models such as exponential smoothing (ES) and autoregressive integrated moving average (ARIMA).
하모니 서치(HS) 기반 이중 목적 최적화(DO)는 생물학적 및 물리적 작동 설정점을 통합하여 안정적인 유출수 품질, 생산성, 파울링 완화와 함께 강력한 기능 및 낮은 에너지 요구사항을 제공할 수 있다. Harmony Search (HS)-based Dual Purpose Optimization (DO) can integrate biological and physical operating set points to provide robust functionality and low energy requirements with stable effluent quality, productivity, and fouling mitigation.
또한 본 발명의 실시예에 따른 최적화된 시스템은 경제적, 환경적 측면을 고려하여 수동 및 암모니아 기반 AAC(Amonia-Based aeration Control) 시스템과 비교하여 평가되었다. 본 발명의 실시예에 따른 최적화된 시스템은 운영자가 MBR 플랜트를 효율적이고 환경적으로 책임감 있는 방식으로 운영하는 동시에, 미래의 불확실성을 줄이는데 도움이 될 수 있다.In addition, the optimized system according to an embodiment of the present invention was evaluated in comparison with a passive and ammonia-based aeration control (AAC) system in consideration of economic and environmental aspects. Optimized systems according to embodiments of the present invention may help operators operate MBR plants in an efficient and environmentally responsible manner, while reducing uncertainty about the future.
MBR에 대한 유입수 조건, 특성의 예측과 통합된 생물학적 및 물리적 프로세스의 최적화를 포함하여 본 발명의 실시예에 따른 프레임워크는 도 1 및 도 2에 그래픽으로 표시되어 있다. A framework according to an embodiment of the present invention, including optimization of biological and physical processes integrated with prediction of influent conditions, properties, for MBR, is graphically represented in FIGS. 1 and 2 .
도 1(a)에 표시된 첫 번째 단계는 유량 및 오염물질 농도를 포함하여 향후 24시간 동안 영향 조건의 변화를 예측하는 딥러닝 모델의 구현이다. 영향에 미치는 오염물질은 화학적 산소 요구량(COD), 총 질소(TN), 총 서식 고형물(TSS)을 포함한다. 알고리즘에 대한 자세한 내용은 후에 상세히 설명하도록 한다. The first step, shown in Fig. 1(a), is the implementation of a deep learning model that predicts changes in impact conditions over the next 24 hours, including flow rates and pollutant concentrations. Contaminants that have an impact include chemical oxygen demand (COD), total nitrogen (TN), and total dietary solids (TSS). The details of the algorithm will be described in detail later.
예측된 유입수는 도 1(b)과 같이 통합 MBR 모델의 입력으로 사용된다. 통합 모델은 동시에 생물학적, 물리적 과정과 폭기와 생물학적 입자 물질을 통한 그들 사이의 상호 연결을 설명한다. 도 1(c)은 통합 프로세스의 하모니 서치 기반 예측 DO가 다음 24시간 동안 최적의 작동 조건을 예측할 수 있음을 나타낸다. 이 단계에서 DOU는 호기성 및 막반응기 모두에 대한 DO 설정값을 제안하며, 이들 호기 시스템의 유출수 품질과 운영 비용을 고려한다. 동시에 최적의 투과율은 펌핑 에너지(PE)를 줄이고 공정 생산성을 유지하는 동시에 오염을 완화할 수 있다. 물리적 과정의 객관적 함수는 실험을 통해 제안된다. 도 1d에 표시된 마지막 단계는 에너지, 유출수 품질 및 파울링 강도 측면에서 MBR에 대해 제안된 시스템의 총 평가이다. 에너지 절약은 에너지 집약도에 의해 평가된다.The predicted influent is used as an input to the integrated MBR model as shown in FIG. 1(b). The integrated model simultaneously accounts for biological and physical processes and the interconnections between them through aeration and biological particulate matter. Figure 1(c) shows that the harmony search-based predictive DO of the integrated process can predict optimal operating conditions for the next 24 hours. At this stage, DOU proposes DO setpoints for both aerobic and membrane reactors, taking into account the effluent quality and operating costs of these aerobic systems. At the same time, optimal permeability can reduce pumping energy (PE) and mitigate contamination while maintaining process productivity. Objective functions of physical processes are proposed experimentally. The last step, shown in Fig. 1d, is the overall evaluation of the proposed system for MBR in terms of energy, effluent quality and fouling strength. Energy savings are evaluated by energy intensity.
이하에서는 MBR플랜트에서 유입수 조건에 대한 시간당 예측모델에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, an hourly prediction model for influent conditions in an MBR plant will be described.
사례 연구를 통해 플랜트의 유입수는 도 2와 같이 데이터 분해 기법과 통계 및 딥러닝 예측 기법을 결합한 모델에 의해 예측되었다. 파일럿과 실제 MBR의 영향력 있는 데이터는 각각 1년 및 9개월 동안 수집되었다.Through the case study, the influent of the plant was predicted by a model that combines data decomposition techniques with statistics and deep learning prediction techniques as shown in FIG. 2 . Impact data from the pilot and actual MBRs were collected for 1 year and 9 months, respectively.
UFC-5030f(독일 KROHNE), CODA-500(일본 호리바), HU-200TB-IM(일본 호리바), TPNA-500(일본 호리바)을 연결해 유량, COD, TSS 및 TN을 측정했다. 그런 다음 슬라이딩 윈도우를 사용하여 영향을 미치는 24시간 전방의 데이터 포인트를 예측함으로써 이전 5일 동안의 분해 데이터를 사용했다. 슬라이딩 윈도우 방식은 향후 영향을 미칠 데이터를 미리 받아쓰는 시간에 따라 이전 5일의 분해된 데이터를 슬라이딩했다. 훈련 절차에서 예측 모델의 내부 매개 변수 값이 계산되면, 예측 모델은 슬라이딩 윈도우 방법을 사용할 때 내부 매개 변수를 유지했다. 측정된 영향 데이터는 작동 시간에 따라 학습 데이터(75%)와 테스트 데이터(25%)로 구분되었다. 파일럿 규모 MBR 하수처리장의 경우 시간당 예측 모델은 각각 2016년 유량, COD, TSS 및 TN의 데이터 포인트를 예측하였다. 2016년 데이터 포인트는 예측 모델의 첫 번째 입력과 예측 길이(120 + 24 데이터 포인트)를 제외한 25% 열차 세트(2160시간 데이터 포인트)를 나타냈다.UFC-5030f (KROHNE, Germany), CODA-500 (Horiba, Japan), HU-200TB-IM (Horiba, Japan), and TPNA-500 (Horiba, Japan) were connected to measure flow rate, COD, TSS, and TN. We then used the previous 5 days of decomposition data by using a sliding window to predict
시간당 예측 모델을 예측 데이터와 측정된 영향 데이터 간의 차이를 측정하는 평균절대오차(MAE), 평균절대오차(MAE) 및 평균 절대백분율오차(MAPE)와 관련하여 측정된 데이터 세트와 비교했다. 세 모델의 평가는 이하의 식 1 내지 3으로 정의될 수 있다. Hourly prediction models were compared to a set of measured data in terms of Mean Absolute Error (MAE), Mean Absolute Error (MAE), and Mean Absolute Percentage Error (MAPE), which measure the difference between the predicted data and the measured impact data. Evaluation of the three models can be defined by
[수학식 1][Equation 1]
[수학식 2][Equation 2]
[수학식 3][Equation 3]
여기서, t, t는 각각 t 시간에 영향을 미치는 측정 및 예측 데이터이며, T는 데이터 포인트의 수이다.here, t, t are the measured and predicted data each affecting time t, and T is the number of data points.
앙상블 경험적 모드 분해(Ensemble empirical mode decomposition ,EEMD)는 경험적 모드 분해(EMD)의 개선된 방법이다. EEMD는 분해된 신호가 다른 신호로 구성된 모드 혼합이라는 EMD의 주요 단점을 극복한다. EEMD는 데이터가 비정상임에도 불구하고 데이터의 정확한 시간 빈도 분포를 구한다. 효과적인 자기 적응 분해 방법으로서, EEMD는 주파수 분석, 고장 진단, 모니터링 및 예측을 포함한 여러 연구 분야에서 활용되어 왔다. Ensemble empirical mode decomposition (EEMD) is an improved method of empirical mode decomposition (EMD). EEMD overcomes a major drawback of EMD: mode mixing, in which the decomposed signal is composed of other signals. EEMD finds the exact time frequency distribution of the data even though the data is non-stationary. As an effective self-adaptive decomposition method, EEMD has been utilized in several research fields including frequency analysis, fault diagnosis, monitoring and prediction.
예측 모델의 입력으로 분해된 영향 데이터를 사용하며, 슬라이딩 윈도우 방식은 시간의 경과에 따라 입력 데이터와 예측 지점 데이터를 업데이트한다. 따라서 시간당 유입수 예측 모델은 이전 5일의 데이터를 사용하여 24시간 후에 영향 조건을 연속적으로 예측한다. 본 발명의 실시예에서는 기존 모델(MLR, ES 및 ARIMA)과 인공지능(딥러닝) 모델 MLP, GRU 및 BiGRU(양방향 게이트 순환유닛)를 사용한다. 딥러닝 모델은 최근 도입된 인공지능 기술로, 수질 관리 환경에서만 채택되기 시작했다. 본 발명의 실시예에서는 기존 예측 모델의 취약한 예측 성능을 극복하기 위해 EEMD와 영향력 있는 예측의 슬라이딩 윈도우를 사용하여 딥러닝 모델을 구현한다. 이 연구는 기본 딥러닝 도구로서 MLP를 활용하고 비교하며, 시계열 데이터 예측을 위한 특수 딥러닝 옵션으로 GRU와 BiGRU를 활용한다.It uses the decomposed impact data as input to the predictive model, and the sliding window method updates the input data and prediction point data over time. Therefore, the hourly influent forecasting model continuously predicts
MBR 공정은 이전 기술에서 생물학적 또는 물리적 공정에 의해 모델링되었다. 생물학적 모델은 SMP와 같은 생물학적 성분을 포함한 활성화된 슬러지 모델(ASM) 시리즈를 사용했으며 모델을 사용하여 폭기 및 유출수 품질을 최적화하고 제어할 수 있다. 또한 케이크 형성 및 파울링 경향의 물리적 메커니즘을 고려한 물리적 모델은 확인된 파울링 메커니즘을 통해 파울링을 완화하는 데 활용될 수 있다. MBR processes have been modeled by biological or physical processes in previous techniques. The biological model used a series of activated sludge models (ASM), including biological components such as SMP, and the models can be used to optimize and control aeration and effluent quality. In addition, a physical model considering the physical mechanisms of cake formation and fouling tendency can be utilized to mitigate fouling through the identified fouling mechanisms.
최근 생물학적 및 물리적 프로세스를 모두 고려한 통합 MBR 모델이 MBR 프로세스를 시뮬레이션하는 가장 좋은 도구로 확인되었다. 통합 모델은 MBR의 복잡성과 프로세스 간의 상호 관계를 반영할 수 있기 때문이다. 따라서 통합 모델을 사용하여 생물학적-물리적 프로세스를 모두 최적화하고 제어할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 활성 슬러지 모델 가용성 미생물 프로덕트(activated sludge model soluble mi-crobial product, ASM-SMP) 및 저항 계열(resistance-in-series, RIS) 모델을 사용하여 MBR 공정을 모델링한다.Recently, an integrated MBR model that considers both biological and physical processes has been identified as the best tool to simulate the MBR process. This is because the integrated model can reflect the complexity of MBR and the interrelationships between processes. Thus, an integrated model can be used to optimize and control both biological and physical processes. In an embodiment of the present invention, the MBR process is modeled using an activated sludge model soluble mi-crobial product (ASM-SMP) and a resistance-in-series (RIS) model.
ASM-SMP는 바이오매스, 탄소 및 질소 제거의 성장 및 붕괴, SMP의 형성 및 분해를 설명한다. RIS는 막 기공(pore)의 표면과 내부에 케이크 층 축적의 물리적 메커니즘을 설명한다. 4개의 저항(깨끗한 멤브레인(Rm), 기공 오염(Rp), 동적 슬러지 케이크(Rdc) 및 안정 슬러지 케이크 저항(Rsc))이 TMP 값을 계산하는 총 저항(Rt)에 포함된다. 도 1(b)에 표시된 ASM-SMP와 RIS 모델 간의 여러 상호 작용이 고려된다. 통합 ASM-SMP 및 RIS 모델의 세부 구조는 도 4에 도시된 있다. 모델의 주요 특징은 다음과 같이 요약된다ASM-SMP describes the growth and decay of biomass, carbon and nitrogen removal, and the formation and degradation of SMP. RIS describes the physical mechanism of cake layer accumulation on and inside membrane pores. Four resistances (clean membrane (Rm), pore fouling (Rp), dynamic sludge cake (Rdc) and stable sludge cake resistance (Rsc)) are included in the total resistance (Rt) to calculate the TMP value. Several interactions between the ASM-SMP and RIS models shown in Fig. 1(b) are considered. The detailed structure of the integrated ASM-SMP and RIS model is shown in FIG. The main features of the model are summarized as follows:
1. 암모니아 질소는 산소를 필요로 하는 단일 단계 독립영양 과정에 의해 질산염 질소로 전환된다.1. Ammonia nitrogen is converted to nitrate nitrogen by a single-step autotrophic process that requires oxygen.
2. UAP는 원래 기질 대사에 의해 생성되고 BAP는 활성 바이오매스의 붕괴에서 파생되며 SMP에는 UAP와 BAP가 포함된다.2. UAP is originally produced by substrate metabolism, BAP is derived from the decay of active biomass, and SMP includes UAP and BAP.
3. TSS와 SMP는 물리적인 저항시리즈모델(physical resistance-in-series model)로 전이(tranfer)되어 막오염의 원인이 된다.3. TSS and SMP are transferred to a physical resistance-in-series model and cause membrane fouling.
도 5는 생물학적 메커니즘과 물리적 메커니즘 간의 관계를 보여준다. 관계는 실험실 및 파일럿 규모의 멤브레인에 대한 실험을 통해 관계를 확인했다. SMP, TSS와 같은 생물학적 물질은 여과 과정에서 막 표면과 기공에 축적되어 케이크 층 오염을 형성하고 축적된 오염 물질은 이완 및 역세척과 같은 세척 과정에서 분리된다. 따라서 작동 중에 수압 물리적 세척이 사용되어 오염 효과를 줄이고 멤브레인 용량을 증가시킨다. 따라서 두 모델 간의 인터페이스는 생물학적 SMP 및 TSS 농도와 확산된 공기를 사용한다. 강력한 상호 작용은 최소 비용과 환경 영향으로 MBR을 운영하기 위한 최적의 전략을 세울 때 생물학적 및 물리적 프로세스를 모두 고려하는 것이 중요함을 나타낸다.5 shows the relationship between biological and physical mechanisms. The relationship was confirmed through experiments on laboratory and pilot-scale membranes. Biological substances such as SMP and TSS accumulate on the membrane surface and pores during the filtration process to form a foul cake layer, and the accumulated contaminants are separated during the washing process such as relaxation and backwashing. Therefore, during operation, hydraulic physical cleaning is used to reduce the fouling effect and increase the membrane capacity. Thus, the interface between the two models uses biological SMP and TSS concentrations and diffused air. The strong interactions indicate the importance of considering both biological and physical processes when formulating an optimal strategy for operating an MBR with minimal cost and environmental impact.
최적화는 MBR 플랜트를 효율적이고 경제적으로 운영하는 것과 관련된 복잡한 생물학적-물리적 상호작용을 고려해야 한다. 도 1(c)와 같이 하모니 서치(HS) 기반 DOO 알고리즘의 입력으로 다음 24시간 동안의 예상 유입수 정보를 사용하였다. HS 알고리즘은 복잡한 상호 작용을 고려한 이중 목적 함수를 사용하여 생물학적 설정값(폭기 DO 농도)과 물리적 설정값(투과율)을 최적화했다. 폭기와 투과율은 각각 활성 슬러지의 부유와 오염의 슬러지 분율에 영향을 미치기 때문에 막 오염에 중요한 요소이다.Optimization must take into account the complex bio-physical interactions involved in operating an MBR plant efficiently and economically. As shown in FIG. 1(c), the expected influent information for the next 24 hours was used as an input for the Harmony Search (HS)-based DOO algorithm. The HS algorithm optimized the biological set-point (aerated DO concentration) and the physical set-point (permeability) using a dual objective function that took into account complex interactions. Aeration and permeability are important factors for membrane fouling because they affect the sludge fraction of activated sludge floating and fouling, respectively.
첫째, DOO는 폐수 품질을 유지하면서 폭기 에너지(AE)를 줄이기 위해 생물학적 폭기 프로세스를 최적화했다. 그런 다음 통합 모델은 ASM-SMP와 RIS 모델을 인터페이스하고 최적화된 생물학적 작동 조건을 물리적 프로세스에 전달한다. 마지막으로 용수 생산성을 유지하면서 오염 및 PE(펌핑 에너지)를 감소시키기 위해 최적화를 통해 투과율을 조작하였다.First, DOO optimized the biological aeration process to reduce aeration energy (AE) while maintaining wastewater quality. The integrative model then interfaces the ASM-SMP and RIS models and transfers the optimized biological operating conditions to the physical process. Finally, permeability was manipulated through optimization to reduce fouling and pumping energy (PE) while maintaining water productivity.
DOO 시스템은 파일럿 및 본격적인 MBR 플랜트의 생물학적 및 물리적 프로세스를 각각 65일(10월 28일부터 12월 31일까지) 및 43일(8월 24일부터 10월 5일까지) 동안 최적화했다. 최적화 기간 전후에 화학적 세척이 이루어졌고, 그 기간 동안 생물학적-물리적 오염 진행이 관찰되었기 때문이다. 최적화 결과는 시간 가중 절대 오차 조정 규칙의 적분에 의해 조정된 비례 적분(PI) 제어기를 사용하여 생물학적 및 물리적 프로세스 모두에 구현되었다. 그런 다음 수동 시스템과, 암모니아 기반 폭기 제어(ABAC, ammonia-based aeration control) 시스템과 비교하여 최적화된 시스템의 성능을 평가했다. The DOO system optimized the biological and physical processes of the pilot and full-scale MBR plants over 65 days (28 October to 31 December) and 43 days (24 August to 5 October), respectively. This is because chemical cleaning took place before and after the optimization period, during which bio-physical contamination progression was observed. Optimization results were implemented for both biological and physical processes using a proportional integral (PI) controller tuned by the integral of a time-weighted absolute error adjustment rule. We then evaluated the performance of the optimized system compared to a passive system and an ammonia-based aeration control (ABAC) system.
생물학적 목적함수에 대해 설명하면, 도 1(c)에 표시된 생물학적 최적화는 호기성 및 막 반응기에 대한 다음 24시간 DO 농도를 제안한다. 생물학적 최적화를 위한 목적 함수는 다음과 같은 수학식 4 내지 6으로 표현된다. 이는 AE(폭기에너지) 및 유출수 품질 지수(EQI)를 최소화한다.Referring to the biological objective function, the biological optimization shown in Fig. 1(c) suggests the following 24-h DO concentrations for aerobic and membrane reactors. The objective function for biological optimization is expressed by
[수학식 4][Equation 4]
[수학식 5][Equation 5]
[수학식 6][Equation 6]
여기서 Jbiological은 생물학적 목적 함수이고, w1과 w2는 |AEt| 및 |EQIt|, |AEt| 는 측정된 최대 및 최소 AEt(이하의 수학식 7에서)를 사용하여 최소 정규화 폭기 에너지, |EQIt| 는 과거 최대 및 최소 EQIt을 고려한 최소-최대 정규화 폐수 품질 지수(수학식 (8))이고, DO aero,t 및 D Omem,t 는 각각 시간 t에서 호기성 및 막 반응기에 대한 조작된 DO 농도이다.where J biological is the biological objective function, and w 1 and w 2 are |AEt| and |EQIt|, |AEt| is the minimum normalized aeration energy, |EQIt|, using the measured maximum and minimum AEt (in
수학식 5는 두 반응기에 대한 DO 설정값에 대한 경계 조건이다. 0.5 mg/L의 최소 DO 값은 질산화를 위한 호기성 조건을 유지하고 작동 범위에서 송풍기를 조작하기 위해 선택되었다. DO 설정값이 낮으면 송풍기 전환이 자주 발생하여 DO 농도가 변동될 수 있기 때문이다. 최소 DO 값은 폭기 에너지 소산을 방지하고 효과적인 질화를 도울 수 있다. 수동 시스템을 고려하여 송풍기의 AE를 감소시키기 위해 최대값을 선택하였다. 수학식 6은 한국 환경부가 설정한 방류수 기준이며 최적 DO 설정치를 결정하는 목적함수의 제약 함수이다. AEt 및 EQIt은 각각 수학식 7,8에 의해 계산된다.
[수학식 7][Equation 7]
[수학식 8][Equation 8]
여기서 1.8은 사용된 kWh당 1.8kg 산소의 전달 효율, KLa는 포화 산소 전달 계수, S는 산소 포화 농도(8mg/L), V는 반응기 부피, Qeff는 유출 유량, wpollutant는 오염 물질을 오염 단위로 변환하기 위한 가중 인자이며, 유출수 TSS(TSSeff,t), COD(CODeff,t), 킬달 질소(Kjeldahl nitrogen, Nkjeff,t), 아질산염 및 질산염(NOeff,t) 또는 생물학적 산소 요구량(BODeff,t)에 대해 각각 2, 1, 30, 10 또는 2의 값을 갖는다. where 1.8 is the transfer efficiency of 1.8 kg oxygen per kWh used, KLa is the saturated oxygen transfer coefficient, S is the oxygen saturation concentration (8 mg/L), V is the reactor volume, Qeff is the effluent flow rate, and w pollutant is the pollutant in the pollutant unit is a weighting factor for conversion to effluent TSS (TSS eff,t ), COD (COD eff,t ), Kjeldahl nitrogen (Nkj eff,t ), nitrite and nitrate (NO eff,t ) or biological oxygen demand (BOD eff,t ) has a value of 2, 1, 30, 10 or 2, respectively.
다음으로 막실험을 통한 물리적 목적함수에 대해 설명하면, 도 1(c)에 표시된 물리적 최적화는 생물학적 ASM-SMP와 물리적 RIS 모델 간의 인터페이스이다. 생물학적 프로세스의 최적화와 비교하여 물리적 프로세스의 동적 최적화에 대한 연구는 드물다. 본 발명의 실시예에서 새로운 목적 함수는 다음의 수학식 9와 같이 표현된다. Next, describing the physical objective function through the membrane experiment, the physical optimization shown in FIG. 1(c) is an interface between the biological ASM-SMP and the physical RIS model. Compared to optimization of biological processes, studies on dynamic optimization of physical processes are rare. In an embodiment of the present invention, the new objective function is expressed as
물리적 최적화를 위해 실험실 규모의 막 실험에 의해 제안된다. 실험은 오염, PE(파울링 에너지) 및 생산성 간의 관계를 식별하여 투과율을 변화시켰다. 감소된 투과수는 오염 완화 및 펌핑 에너지 절약을 개선했지만 물 생산성은 감소했다.For physical optimization, laboratory-scale membrane experiments are suggested. The experiment identified a relationship between fouling, PE (fouling energy) and productivity to change permeability. Reduced permeate improved pollution mitigation and pumping energy savings, but reduced water productivity.
이는 파일럿 및 본격적인 MBR을 사용하여 물리적 운영을 평가한 이전 기술의 결과와 일치한다. 투과 증가는 오염 물질이 막과 접촉할 가능성이 투과와 함께 증가하기 때문에 오염 진행을 가속화한다. 실험결과와 선행연구결과를 통해 물리적 목적함수는 오염, PE, 생산성을 포함한다. 최적화는 다음 24시간 동안 막 반응기의 투과율을 제공한다. 투과율은 투과 및 이완 시간을 포함하는 하나의 여과 사이클 시간에서의 투과 지속 시간을 나타낸다. 이완은 확산된 공기로 멤브레인 표면에서 오염물질을 제거한다.This is consistent with the results of previous techniques evaluating physical operations using pilot and full-scale MBRs. Increased permeation accelerates the fouling process because the probability of contaminants coming into contact with the membrane increases with permeation. Through experimental results and previous research results, the physical objective function includes pollution, PE, and productivity. Optimization provides permeability of the membrane reactor over the next 24 hours. Permeance represents the permeation duration in one filtration cycle time including permeation and relaxation times. Relaxation removes contaminants from the membrane surface with diffused air.
[수학식 9][Equation 9]
[수학식 10][Equation 10]
[수학식 11][Equation 11]
여기서 Jphysical은 물리적 목적 함수이고, 비율은 조작된 투과 비율이다. |PEt| 최소-최대 정규화 PE, |TMPt|는 RIS에 의해 계산된 최소 정규화된 막횡단 압력(TMP), |WPt -1|는 플럭스, 막 면적 및 투과 시간의 곱으로 계산된 최소-최대 정규화된 물생산(WP)양, w3, w4, 및 w5는 시간 t에서 |TMPt|, |PEt| 및 |WPt -1|의 균형을 유지하기 위한 가중치 요소이다. 수학식 10은 투과율의 경계 조건; 0.6은 공급된 물의 양을 만족시키기 위해 선택되었고, 1은 멤브레인 세척 없이 투과만 나타낸다. PEt는 막 모듈의 투과수 추출을 유출물로 사용하고 수학식 11의 0.6 펌프 효율 η을 사용하여 추정되었다. 본 발명의 실시예에서는 오염 메커니즘에 대한 명백한 정보를 제공하기 때문에 TMP를 오염 진행의 주요 지표로 사용했다. WP의 역수(WPt - 1)는 목적 함수에서 투과수 생산을 최대화하는 동시에 오염 및 운영 에너지 소비를 최소화한다. where J physical is the physical objective function and ratio is the manipulated transmission ratio. |PE t | min-max normalized PE, |TMP t | is the minimum normalized transmembrane pressure (TMP) calculated by RIS, |WP t -1 | is the minimum-maximum normalized The water production (WP) amounts, w 3 , w 4 , and w 5 , are |TMP t |, |PE t | and a weighting factor for maintaining the balance of |WP t -1 |.
다음으로 하모니 서치(HS) 최적화에 대해 설명하면, HS는 더 적은 수학적 계산으로 솔루션을 찾는 최적화 알고리즘이며 최적화 문제를 해결한다. HS의 주요 매개변수는 하모니 메모리(HM), 비율을 고려한 하모니 메모리(HMCR), 피치 조정 비율(PAR), 대역폭(Bw) 및 반복이다.Next, Harmony Search (HS) optimization is described. HS is an optimization algorithm that finds a solution with fewer mathematical calculations and solves the optimization problem. The main parameters of HS are Harmony Memory (HM), Harmony Memory with Ratio (HMCR), Pitch Adjustment Ratio (PAR), Bandwidth (Bw) and Repetition.
시도한 모든 솔루션은 알고리즘의 메모리 공간에 저장되어 HS를 메모리 기반 알고리즘으로 만든다. 실수부호화(real-number coding), 다양한 문제에 대한 적용 용이성, 균형 잡힌 탐색과 활용 등의 장점이 있다. MBR을 최적화하기 위해 HM을 적용하려면 HM, HMCR, PAR, Bw 및 반복(iteration)의 값을 결정해야 한다. 권장 사항은 다음의 식 12와 같다.All attempted solutions are stored in the algorithm's memory space, making HS a memory-based algorithm. It has advantages such as real-number coding, ease of application to various problems, and balanced exploration and utilization. To apply HM to optimize MBR, values of HM, HMCR, PAR, Bw, and iteration must be determined. The recommendation is as shown in
[수학식 12][Equation 12]
매개변수 값 선택은 민감하며 최적화 문제에 따라 다르다. 따라서 대상 시스템에 따라 매개변수를 다양하게 선택할 수 있다. 또한 랜덤 탐색을 통해 5개의 매개변수를 결정했는데, 이는 그리드 탐색보다 강력한 성능을 보였다. The choice of parameter values is sensitive and depends on the optimization problem. Therefore, various parameters can be selected depending on the target system. In addition, five parameters were determined through random search, which showed stronger performance than grid search.
본 발명의 실시예에서는 HM, HMCR, PAR, Bw 및 반복에 대해 각각 100, 0.9, 0.1, 1 및 200을 선택하여 최상의 최적화 전략을 보여주었다. HS 알고리즘은 MBR에 대한 최적의 솔루션을 반복적으로 발전시켰고, 최적화 절차에 따라 중지 기준(반복)이 충족될 때까지 반복되었다.In our example, we showed the best optimization strategy by selecting 100, 0.9, 0.1, 1 and 200 for HM, HMCR, PAR, Bw and iterations, respectively. The HS algorithm iteratively developed an optimal solution for the MBR and iterated until the stopping criterion (iteration) was met according to the optimization procedure.
본 발명의 실시예에서는 공정 시뮬레이션을 통해 파일럿 및 풀 스케일 MBR 플랜트의 예측 최적화 시스템을 제안하는 것을 목적으로 하였다. MBR 설비의 주요 문제점은 유입수 및 막의 빠른 오염 진행을 고려하지 않고 높은 설정값을 고정한다는 점이었다. 이 두 가지 모두 과도한 폭기와 빈번한 막 교체가 필요하고 운영 비용을 직접적으로 증가시킬 수 있다. 폭기를 고려하여 에너지를 절약하고 폐수 수질을 유지하고 투과율을 조절하여 파울링 강도를 낮추기 위해 생물학적 및 물리적 공정 모두에 DOO가 필요했다.In the embodiment of the present invention, the purpose is to propose a predictive optimization system for pilot and full-scale MBR plants through process simulation. The main problem with the MBR plant was fixing a high setpoint without taking into account the influent and the rapid fouling development of the membrane. Both of these require excessive aeration and frequent membrane replacement and can directly increase operating costs. DOO was required for both biological and physical processes to save energy considering aeration, maintain wastewater quality and reduce fouling intensity by controlling permeability.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 최적화 시스템의 성능 평가 결과에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, performance evaluation results of the optimization system according to an embodiment of the present invention will be described.
분해된 고유 모드 함수(intrinsic mode functions, IMF)의 총 수는 유입 유량, COD, TSS 및 TN에 대해 각각 12, 12, 11 및 11이었다. 이는 유입수 COD 및 유량이 비정기적인 경향을 나타내며, TSS 및 TN에 비해 상대적으로 더 높은 표준 편차를 가진다.The total number of decomposed intrinsic mode functions (IMF) was 12, 12, 11 and 11 for influent flow, COD, TSS and TN, respectively. This indicates an irregular trend in influent COD and flow, with a relatively higher standard deviation compared to TSS and TN.
분해(decomposition)는 별개의 패턴을 포함하는 숨겨진 하위 레이어를 생성하고 생성된 IMF는 미래 유입수 정보를 예측하기 위한 예측 모델의 입력으로 사용되었다. 이 분해 방법은 유입수 데이터의 국부적 특성을 반영하여 각각의 비정상 유입수 조건에서 고유 패턴을 적응적으로 추출할 수 있다. 따라서 EMD 방법은 유입유량과 오염물질 농도에 따라 다른 수의 IMF를 생성한다.Decomposition creates a hidden sub-layer containing distinct patterns, and the generated IMF is used as an input to a predictive model to predict future influent information. This decomposition method can adaptively extract unique patterns in each abnormal influent condition by reflecting the local characteristics of influent data. Therefore, the EMD method produces different numbers of IMFs depending on the influent flow rate and pollutant concentration.
표 1은 다음 24시간 후 유입수 데이터에 대한 예측 모델의 구조를 보여준다. MLR 모델의 계수 수는 분해된 IMF의 수이다. ES 모델의 평활화 계수는 0.6으로 0과 1 값 사이에서 가장 좋은 예측을 수행했다. 5, 1, 5는 각각 ARIMA 모델의 p, d, q로 사용되었다. DL 예측 모델의 구조 및 하이퍼 매개변수는 경험 법칙에 따라 결정되었다.Table 1 shows the structure of the prediction model for influent data after the next 24 hours. The number of coefficients in the MLR model is the number of decomposed IMFs. The smoothing coefficient of the ES model was 0.6, which gave the best prediction between 0 and 1 values. 5, 1, and 5 were used as p, d, and q of the ARIMA model, respectively. The structure and hyperparameters of the DL predictive model were determined according to a rule of thumb.
[표 1][Table 1]
시간당 유입 오염 물질 및 유량을 예측하기 위한 통계 및 딥 러닝 모델의 구조Structure of Statistical and Deep Learning Models for Predicting Hourly Influent Pollutant and Flow Rates
은닉층(hidden layer)의 뉴런 수는 입력 데이터 수보다 작고 출력 데이터 수보다 커야 한다. 따라서 MLP는 각 계층에서 256-64-16 개의 뉴런을 선택했고 GRU와 BiGRU는 64개의 메모리 셀을 사용했다. DL 모델은 평균 제곱 오차를 기반으로 예측 오차를 최소화하도록 훈련되었다. Adam 옵티마이저는 뉴런과 기억 세포의 가중치를 최적화하는데 사용되었다. 또한, 본 발명의 실시예에서는 MLP에 대한 드롭아웃(dropout)과 GRU 및 BiGRU에 대한 반복적 드롭아웃을 사용하였다. 드롭아웃은 과도하게 매개변수를 계산하여 예측 오류를 증가시키는 과적합 문제를 방지하기 위한 도구이다.The number of neurons in the hidden layer must be less than the number of input data and greater than the number of output data. Thus, MLP selected 256-64-16 neurons in each layer, while GRU and BiGRU used 64 memory cells. A DL model is trained to minimize the prediction error based on the mean squared error. Adam optimizer was used to optimize the weights of neurons and memory cells. In addition, in the embodiment of the present invention, dropout for MLP and iterative dropout for GRU and BiGRU are used. Dropout is a tool to avoid overfitting problems, which increase prediction errors by over-calculating parameters.
[표 2][Table 2]
표 2는 24시간 후 유입수를 예측하기 위한 통계 모델과 딥러닝 모델의 예측 성능을 비교한 것이다. RMSE, MAE 및 MAPE는 편향된 평가를 방지하기 위해 예측 성능을 평가하는데 사용되었다.Table 2 compares the prediction performance of the statistical model and the deep learning model for predicting influent after 24 hours. RMSE, MAE and MAPE were used to evaluate predictive performance to prevent biased evaluation.
RMSE, MAE와 같은 예측오차는 유량, COD, TSS, TN 순으로 점차 감소하였다.측정된 유속의 규모가 가장 높았고 TN의 규모는 상대적으로 작았다 MAPE에 의해 평가된 예측 성능은 MAPE가 정규화 오차를 계산했기 때문에 한 자리 숫자를 가졌다(수학식 3 참조). ES와 ARIMA는 시계열 유입수 자료의 비정상적 경향을 반영하였기 때문에 MLR 모형에 비해 RMSE, MAE, MAPE 값이 더 낮았다.Prediction errors such as RMSE and MAE gradually decreased in the order of flow rate, COD, TSS, and TN. The magnitude of the measured flow velocity was the highest, and the magnitude of TN was relatively small. Because it was calculated, it had a single digit (see Equation 3). Because ES and ARIMA reflected the abnormal trend of the time series influent data, the RMSE, MAE, and MAPE values were lower than those of the MLR model.
통계 모델에 비해 MLP, GRU, BiGRU와 같은 딥러닝 모델이 표 2와 같이 더 나은 예측 성능을 보였다. 딥러닝 모델에는 숨겨진 상위 수준의 불변 구조와 데이터의 고유 추세를 해석하는 기능이 있기 때문이다. 또한 RMSE, MAE, MAPE가 낮은 BiGRU는 다른 예측모델에 비해 유입수 예측에 적합하였다. 이는 유입수 데이터가 비정상적임에도 불구하고 BiGRU가 업데이트 리셋 게이트 및 양방향 데이터 입력 구조를 기반으로 유입수를 예측하는데 우월함을 나타낸다.Compared to statistical models, deep learning models such as MLP, GRU, and BiGRU showed better predictive performance as shown in Table 2. This is because deep learning models have hidden high-level invariant structures and the ability to interpret inherent trends in data. Also, BiGRU with low RMSE, MAE, and MAPE was more suitable for influent prediction than other prediction models. This indicates that BiGRU is superior in predicting the influent based on the update reset gate and the bi-directional data input structure, even though the influent data is abnormal.
도 7(a)는 테스트 데이터에서 순차적인 시간에 따른 예측 유입수 TN의 대표적인 결과를 제공한다. 매우 다양한 유입 오염 물질은 폐수 처리 공정의 미생물 활동에 영향을 미친다. 따라서 다양한 경향을 수용하면서 적절한 작동 조건을 결정하기 위해 동적 유입수를 정확하게 예측하는 것이 중요하다.Figure 7(a) provides representative results of predicted influent TN over sequential time in the test data. A wide variety of incoming pollutants affect the microbial activity of wastewater treatment processes. Therefore, it is important to accurately predict the dynamic influent to determine the appropriate operating conditions while accommodating the various trends.
BiGRU의 예측 성능은 다른 예측 모델과 비교하여 도 7(a)에 나타나 있다. BiGRU는 유입수 TN의 변동을 예측하고 비정상 경향을 포착했습니다. 대조적으로, ES와 ARIMA는 표 2에서 볼 수 있듯이 MLR보다 성능이 우수하지만 시간 지연이 있는 유입수 TN을 예측했다. MLP는 유입수 TN의 추세를 따랐지만 12월 10일부터 14일까지 볼 수 있듯이 예측된 TN과 측정된 TN 사이에 격차가 발생했다. GRU는 BiGRU에 의해 생성된 것과 유사한 예측 결과를 나타냈다. 그러나 GRU는 유입수 TN이 높을 때(11월 10일부터 14일까지) 예측된 TN과 측정된 TN 사이에 간격을 두었다.The prediction performance of BiGRU compared to other prediction models is shown in Fig. 7(a). BiGRU predicted fluctuations in influent TN and captured unsteady trends. In contrast, ES and ARIMA outperformed MLR, but predicted influent TN with a time delay, as shown in Table 2. The MLP followed the trend of the influent TN, but as can be seen from December 10 to 14, a gap occurred between the predicted and measured TN. GRU produced predictive results similar to those produced by BiGRU. However, the GRU had a gap between predicted and measured TN when influent TN was high (November 10 to 14).
잔류 오차(residual errors)는 각각 다른 예측 모델에 대해 예측된 TN과 측정된 TN 사이의 잔류 오차를 계산하여 도 6(b)에 나타나 있다. BiGRU는 다른 예측 결과와 대조될 때 더 작은 잔류 오차를 보였다. 데이터 분해(decomposition)는 데이터의 관련 없는 정보를 줄이고 예측 성능을 향상시켰다. 그런 다음 BiGRU는 낮은 RMSE, MAE 및 MAPE를 갖는 허용 가능한 예측 성능을 보였다. 이는 BiGRU가 다른 예측 모델을 능가하는 동시에 MBR의 운영 전략을 수립하는 데 중요한 비정상 경향을 반영한다고 추론된다. 따라서 유량, COD, TSS 및 TN에 대한 BiGRU 기반 예측을 사용하여 호기성 및 막 반응기에 대한 최적의 운영 전략을 제안했다.Residual errors are shown in Fig. 6(b) by calculating the residual error between the predicted TN and the measured TN for each different prediction model. BiGRU showed a smaller residual error when contrasted with other prediction results. Data decomposition reduced irrelevant information in the data and improved predictive performance. BiGRU then showed acceptable predictive performance with low RMSE, MAE and MAPE. It is inferred that this reflects an important anomaly tendency for BiGRU to outperform other predictive models while establishing the operating strategy of MBR. Therefore, we proposed an optimal operating strategy for aerobic and membrane reactors using BiGRU-based predictions for flow rate, COD, TSS and TN.
도 7(a)와 도 7(b)는 예상 유입수에 따른 호기성 및 막반응기에 대한 최적화된 DO 설정값을 보여준다. 최적화된 DO 설정값을 수동시스템(매뉴얼) 및 ABAC 시스템의 DO 설정값과 비교했다. 고부하 유입수에 대한 최적화된 DO 설정값은 도 7(a)에 나타나 있다. 전체 DO 설정값은 수동 시스템의 설정값인 2mg/L 미만으로 감소했다. 게다가 최적화된 DO 설정값은 ABAC 시스템보다 낮다. DOO는 폐수 품질을 개선하고 에너지 소비를 줄이기 위해 DO 설정값을 제안했기 때문이다. 예측 최적 궤적은 유입 오염 물질의 경향과 일치하는 명백한 다양한 경향을 보였다. 집안일 때문에 유입수 부하가 오전 10시에서 오전 1시로 증가했다. 따라서 2 mg/L보다 큰 높은 DO 설정값은 주로 낮에 관찰되었다. 이는 본 발명의 실시예에 따른 시스템이 오염물질 부하의 변화를 반영하고 예측된 유입수 정보에 해당하는 미생물에 대한 DO 설정치를 적절하게 조작했음을 의미한다.7(a) and 7(b) show optimized DO settings for aerobic and membrane reactors according to expected influent. The optimized DO settings were compared with those of the manual system (manual) and ABAC systems. Optimized DO settings for high load influent are shown in Fig. 7(a). The overall DO setpoint was reduced to less than 2mg/L, the setpoint of the manual system. In addition, the optimized DO setpoint is lower than that of the ABAC system. This is because DOO has proposed DO setpoints to improve wastewater quality and reduce energy consumption. The predicted optimal trajectories exhibited distinct divergent trends consistent with those of the influent contaminants. Housework increased the influent load from 10:00 AM to 1:00 AM. Therefore, high DO setpoints greater than 2 mg/L were mainly observed during the day. This means that the system according to the embodiment of the present invention reflects the change in pollutant load and appropriately manipulates the DO setting value for microorganisms corresponding to the predicted influent information.
낮은 하중에서 생물학적 최적화의 성능은 도 7(b)에 나타나 있다. 높은 유입 질소 부하와 비교하여 낮은 부하 조건은 질산화를 위해 더 낮은 DO 농도를 요구했다. 질산화가 주요 공정인 호기성 반응기의 경우, DO 설정값의 평균값은 5일 동안 고부하 및 저부하 조건에 대해 각각 1.34 및 1.26이었다. 또한 DO 설정값은 일반적으로 수동 설정값보다 낮았으며 유입수 부하와 유사한 경향을 나타냈다. 한편, ABAC는 다른 폐수 오염물질과 에너지 소비를 고려하지 않고 폐수 암모니아 농도에 따른 DO 설정치를 제시하였기 때문에 상대적으로 높은 DO 설정치를 규제하였다. ABAC가 유입수의 다양한 경향을 반영하고 낮은 로딩 시간 동안 DO 설정값을 감소시켰지만 에너지 소비를 줄이는 데 덜 효과적일 수 있다. 도 7(c)는 시간 단위로 호기성 및 막 반응기에 대한 최적화된 DO 설정값에 대한 막대 그래프를 도시한 것이다. 시간당 DO 설정값은 주로 다양한 유입 경향에 따라 최적화되었다. 따라서 DOO 시스템은 유입수 조건에 따라 작동 설정값을 줄였다.The performance of biological optimization at low load is shown in Fig. 7(b). Compared to the high inlet nitrogen load, the low loading conditions required lower DO concentrations for nitrification. For the aerobic reactor, where nitrification is the main process, the average values of the DO setpoints were 1.34 and 1.26 for the high and low load conditions over 5 days, respectively. Also, the DO setpoint was generally lower than the manual setpoint and showed a similar trend to the influent load. On the other hand, ABAC regulated a relatively high DO setting value because it presented a DO setting value according to the wastewater ammonia concentration without considering other wastewater pollutants and energy consumption. Although ABAC reflects various trends in the influent and reduces the DO setpoint during lower loading times, it may be less effective in reducing energy consumption. 7(c) shows a bar graph of optimized DO setpoints for aerobic and membrane reactors in units of time. Hourly DO setpoints were mainly optimized for different inflow trends. Therefore, the DOO system reduced the operating set point based on influent conditions.
생물학적 작동 정보를 포함하는 막 반응기의 일일 기준 최적 DO 설정값과 해당 SMP 및 TSS 농도는 물리적 최적화에 연결되었다. 막에 대한 정련 폭기 속도는 DO 설정점에 의해 추정되었다. 작동시간에 따른 생물학적 SMP와 TSS 농도는 도 8(a)와 같다. 도 8(b)는 투과율과 이완 지속시간(relaxation duration)으로의 투과비 변환의 이완 지속시간을 나타낸다. 전체 운전 65일 동안의 이완시간은 여과에 의해 막표면에 생물학적 오염물질이 물리적으로 부착되어 있었기 때문에 운전시간 종료시점에 3분으로 계속 증가하여 유지하였다.Optimal DO setpoints on a daily basis for membrane reactors, including biological operating information, and corresponding SMP and TSS concentrations were linked to physical optimization. The scouring aeration rate for the membrane was estimated by the DO set point. Biological SMP and TSS concentrations according to operating time are shown in FIG. 8 (a). FIG. 8(b) shows the relaxation duration of the transmission ratio conversion into the transmittance and the relaxation duration. The relaxation time for the entire 65 days of operation continued to increase to 3 minutes at the end of the operation time because biological contaminants were physically attached to the membrane surface by filtration.
DOO의 시작은 도 8(c)와 같이 이완을 감소시키면서 투과 지속 시간을 증가시켰다. 막에 축적된 오염물이 적기 때문에 막 작동 초기에 긴 이완 시간이 필요하지 않았다. 도 8(d)는 12월 5일에 TSS와 SMP 농도가 증가했을 때 이완 시간이 증가하여 막 표면에 오염 물질의 부착을 방해함을 보여준다(도 8(a)). 부착된 생물학적 오염물은 오염을 진행하고 TMP 값을 증가시켰다. 따라서 파울링 강도를 방지하기 위해 파울링 진행에 따라 이완 시간을 늘렸다.The initiation of DOO increased permeation duration while decreasing relaxation as shown in Fig. 8(c). Due to the low accumulation of contaminants in the membrane, a long relaxation time was not required at the beginning of membrane operation. Fig. 8(d) shows that when the TSS and SMP concentrations increased on Dec. 5, the relaxation time increased, impeding the adhesion of contaminants to the membrane surface (Fig. 8(a)). The attached biological contaminants proceeded to foul and increase the TMP value. Therefore, in order to prevent fouling intensity, the relaxation time was increased according to the fouling progress.
도 9(a) 내지 (d)는 5일 동안 매뉴얼 및 ABAC 시스템과 비교하여 생물학적 및 물리적 통합 프로세스에 대한 DOO 시스템의 운영 결과를 보여준다. 도 9(a)는 두 반응기에서 조절된 DO 농도에 해당하는 소모 AE와 EQI를 보여준다. 높은 유입수 부하 조건에서의 결과는 유출수 품질을 고려하지 않고 AE 감소의 함정에서 제안된 최적화 시스템을 평가하는 것이 중요하기 때문에 대표적으로 묘사된다. Figures 9(a) to (d) show the operating results of the DOO system for biological and physical integration processes compared to the manual and ABAC systems over a period of 5 days. Figure 9(a) shows the consumption AE and EQI corresponding to the adjusted DO concentration in the two reactors. Results at high influent load conditions are depicted representatively as it is important to evaluate the proposed optimization system in the trap of AE reduction without considering effluent quality.
DO 농도를 2mg/L로 유지한 수동 시스템은 7718kWh의 전력을 소비하고 6156kg의 EQI를 생산했으며, ABAC 시스템은 AE와 EQI를 각각 7069kWh와 5776kg으로 감소시켰다. 본 발명의 실시예에 따른 최적화 시스템은 높은 유입수 부하 조건에서 에너지와 EQI를 각각 6947kWh 및 5715kg으로 줄였다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 시스템은 전력 소비량과 유출수 품질을 각각 9.99% 및 7.16% 개선했다.The passive system, which maintained the DO concentration at 2 mg/L, consumed 7718 kWh of power and produced 6156 kg of EQI, while the ABAC system reduced AE and EQI to 7069 kWh and 5776 kg, respectively. The optimization system according to an embodiment of the present invention reduced energy and EQI to 6947 kWh and 5715 kg, respectively, under high influent load conditions. Therefore, the system according to the embodiment of the present invention improved power consumption and effluent quality by 9.99% and 7.16%, respectively.
전력사용량 개선 정도가 유출수 질 개선 정도보다 더 컸다. 사례 연구 플랜트가 유출수 한도를 준수했기 때문디다. 그러나 수동 시스템의 고정 DO 설정값은 AE 및 플랜트의 운영 비용을 증가시켰다. 따라서 DO 설정값의 감소를 통한 AE 최소화는 EQI 최소화보다 더 중요했다. 도 9(b)는 배출 질소 화합물 측면에서 DOO 시스템의 성능을 보여준다. 본 발명의 실시예예 따른 시스템이 DO 설정값을 감소시켜 AE를 감소시켰지만 질소 화합물을 포함한 유출물도 고려되었다. 전체 NO 유출물은 매뉴얼 및 ABAC 시스템보다 적다. 그러나 Kjeldahl 질소(Nkj) 농도는 어느 정도 증가했다. 이는 Nkj의 경우 30, NO의 경우 10인 오염 단위로의 변환과 관련된 각 오염 물질에 대한 가중치 때문이었다. 따라서 DOO는 DO 설정값과 과도한 질산화 과정을 감소시켜 Nkj 농도보다는 유출물 NO를 효율적으로 감소시켰다.The improvement in power consumption was greater than the improvement in effluent quality. This is because the case study plant complied with runoff limits. However, the fixed DO setpoint of the manual system increased the AE and operating costs of the plant. Therefore, AE minimization through reduction of the DO set point was more important than EQI minimization. Figure 9(b) shows the performance of the DOO system in terms of exhaust nitrogen compounds. Although the system according to an embodiment of the present invention reduced the DO set point to reduce AE, effluents containing nitrogenous compounds were also considered. Total NO effluent is less than manual and ABAC systems. However, the Kjeldahl nitrogen (Nkj) concentration increased somewhat. This was due to the weighting for each pollutant associated with conversion to pollutant units, which were 30 for Nkj and 10 for NO. Therefore, DOO effectively reduced effluent NO rather than Nkj concentration by reducing the DO setpoint and excessive nitrification process.
도 10(a)-(c)는 DOO와 수동 운영 시스템의 오염 완화 성능을 비교해보면, 각 시스템을 사용하는 MBR 실행 중 개별 저항은 각각 도 10(a)와 (b)에 나와 있다. 안정적인 슬러지 케이크는 MBR 공정에서 막 오염을 일으키는 주요 저항 성분이었다. 오염의 5%와 52% 사이에 기여하는 기공 오염 저항은 시간이 지남에 따라 지속적으로 증가했다. 따라서 안정적인 슬러지 케이크의 형성을 줄여 오염을 완화하고 운영 전략을 사용하여 멤브레인의 운영 시간을 늘릴 필요가 있다. DOO 시스템은 여과 주기에서 이완 기간을 늘렸다. 안정 슬러지 케이크 저항이 점차 감소하고 전체 저항이 감소했다. 이완 시간이 증가하기 때문에 안정적인 슬러지 케이크가 막 표면에서 약간 분리되었다.Figures 10(a)-(c) compare the pollution mitigation performance of the DOO and passive operating systems, and the individual resistances during MBR execution using each system are shown in Figures 10(a) and (b), respectively. The stable sludge cake was the main resistant component causing membrane fouling in the MBR process. Stomatal fouling resistance, contributing between 5% and 52% of fouling, increased continuously over time. Therefore, it is necessary to use operating strategies to mitigate fouling by reducing the formation of stable sludge cakes and to increase the operating time of membranes. The DOO system increased the relaxation period in the filtration cycle. The stable sludge cake resistance gradually decreased and the overall resistance decreased. As the relaxation time increased, the stable sludge cake detached slightly from the membrane surface.
DOO 시스템의 전체 저항 감소는 수동 시스템에 비해 오염 강도 감소에 영향을 미쳤다. 9분 동안 투과를 유지하고 1분 동안 이완을 유지한 수동 시스템은 85kPa에 도달한 반면 DOO 시스템은 도 10(c)와 같이 플랜트 가동 종료 시 61kPa에 도달했다. 이완 시간을 지속적으로 늘리는 규칙 기반 운영 전략은 오염 진행을 줄이는 한 가지 옵션이 될 수 있다. 그러나 이 전략은 제한된 원인을 사용하여 구축되므로 비선형 및 비정상 조건에서 동적 최적 솔루션을 찾기가 어렵다. 본 발명에서는 TMP가 85kPa에 도달하면 화학막 세척이 필요하다고 가정했으며, 이는 공정 운영자가 결정했다.The overall resistance reduction of the DOO system contributed to the reduction of contamination intensity compared to the passive system. The passive system, which maintained permeation for 9 min and relaxation for 1 min, reached 85 kPa, whereas the DOO system reached 61 kPa at the end of plant operation, as shown in Fig. 10(c). A rule-based operating strategy that continuously increases the relaxation time may be one option to reduce contamination progression. However, since this strategy is built using limited causes, it is difficult to find a dynamic optimal solution in nonlinear and unsteady conditions. In this study, it was assumed that chemical film cleaning was required when the TMP reached 85 kPa, which was determined by the process operator.
DOO 시스템의 막은 도 10(c)와 같이 수동 작동 시스템보다 20일 더 오래 작동할 수 있다. 투과수 생산은 막 여과 시간에 비례하기 때문에 최적화된 시스템을 통해 5699 m3의 투과수를 생산할 수 있었다. 결과는 최적의 투과율을 업데이트하는 DOO가 막 오염을 줄이고 투과 생산성을 높이는 측면에서 수동 작업보다 성능이 우수함을 나타낸다.The membrane of the DOO system can operate 20 days longer than the manually operated system, as shown in FIG. 10(c). Since permeate production is proportional to membrane filtration time, 5699 m3 of permeate could be produced through the optimized system. Results indicate that DOO updating the optimal permeance rate outperforms manual operation in terms of reducing membrane fouling and increasing permeation productivity.
또한 본 발명에서는 완전차단, 중간차단, 케이크여과의 3가지 모델을 이용하여 파울링 진행상황을 평가하였다. 도 11은 매뉴얼과 DOO 시스템의 운용시간에 따른 오염 메커니즘 모델의 변화를 보여준다. 수동 시스템에 비해 중간 차단 메커니즘이 일찍 시작되었다. DOO는 작업 초기에 이완을 감소시키고 투과 시간을 증가시켰기 때문에 막 표면과 침전된 입자에 오염 물질의 축적이 가속화되었다. 따라서 완전한 차단에서 중간 차단으로의 전환은 11월 6일에서 11월 3일로 진행되었다. 마지막 오염 메커니즘이자 케이크 층을 형성하여 오염을 증가시키는 케이크 여과 측면에서 DOO 시스템은 중간 차단에서 케이크 여과로의 변경을 12월 6일로 지연시켰다. 증가된 이완 시간은 멤브레인 표면의 오염 물질을 분리하고 더 오랫동안 중간 차단을 유지했다. 이러한 결과는 DOO가 투과율을 조절하여 오염 진행을 효과적으로 완화할 수 있음을 보여준다.In addition, in the present invention, the progress of fouling was evaluated using three models of complete blocking, intermediate blocking, and cake filtration. Figure 11 shows the change of the contamination mechanism model according to the operating time of the manual and DOO system. Compared to the passive system, the intermediate blocking mechanism was initiated earlier. Because DOO reduced relaxation and increased permeation time at the beginning of the operation, the accumulation of contaminants on the membrane surface and deposited particles was accelerated. Therefore, the transition from complete blocking to medium blocking was carried out from November 6th to November 3rd. In terms of cake filtration, which is the last fouling mechanism and increases fouling by forming a layer of cake, the DOO system delayed the change from intermediate interception to cake filtration to December 6th. The increased relaxation time separated contaminants from the membrane surface and maintained the intermediate blockade longer. These results show that DOO can effectively mitigate the fouling progression by controlling the transmittance.
DOO 시스템의 포괄적인 성능은 표 3에 요약되어 있다. 수동 시스템은 74,759kWh의 65일 운영일 동안 총 AE를 달성했다. 예상 유입수를 고려한 DOO 시스템은 AE를 10.38% 감소시켰고 유출 수질은 6.47% 개선했다. 이러한 결과는 환경 및 경제적 개선을 절충하는 DOO의 이점을 보여준다. 또한 최적화된 시스템은 멤브레인 오염을 39.34% 완화하고 PE를 25.54% 줄였다. 짧은 투과 시간으로 인해 WP가 약간 감소했지만 WP의 양은 여전히 시스템 요구 사항을 충족했다. 또한 AE 및 PE를 포함한 에너지 소비량(EC)을 WP당 계산하여 에너지 효율을 평가했다. 최적화된 시스템은 EC/WP를 4.16% 감소시켜 향상된 에너지 효율성을 보여주었다. 또한 DOO 시스템은 멤브레인의 작동 시간을 20일 연장하여 멤브레인 작동 시 WP의 양을 늘리면서 에너지를 덜 소모함을 알 수 있다. 이러한 결과는 DOO 시스템의 활용이 MBR 플랜트의 경제적이고 환경적으로 책임 있는 운영에 대한 효과적인 솔루션이 될 수 있음을 보여준다. 본 발명의 실험예에서는 본 발명의 타당성과 신뢰성을 평가하기 위해 풀스케일 MBR 플랜트를 적용하여 DOO 시스템을 추가적으로 평가하였다.The comprehensive performance of the DOO system is summarized in Table 3. The passive system achieved a total AE over 65 operating days of 74,759 kWh. Considering the expected influent, the DOO system reduced AE by 10.38% and improved effluent water quality by 6.47%. These results demonstrate the benefits of DOO in the trade-off of environmental and economic improvements. The optimized system also mitigated membrane fouling by 39.34% and reduced PE by 25.54%. Although the WP decreased slightly due to the short permeation time, the amount of WP still met the system requirements. In addition, energy efficiency was evaluated by calculating energy consumption (EC) per WP, including AE and PE. The optimized system showed improved energy efficiency by reducing EC/WP by 4.16%. It can also be seen that the DOO system extends the operating time of the membrane by 20 days, consuming less energy while increasing the amount of WP during membrane operation. These results show that the utilization of the DOO system can be an effective solution for economically and environmentally responsible operation of MBR plants. In the experimental example of the present invention, the DOO system was additionally evaluated by applying a full-scale MBR plant to evaluate the validity and reliability of the present invention.
[표 3][Table 3]
이하에서는 풀스케일 MBR플랜트에 이중목적 최적화(DOO) 시스템 적용에 대한 평가를 설명하도록 한다. Hereinafter, the evaluation of the application of a dual purpose optimization (DOO) system to a full-scale MBR plant will be described.
DOO 시스템은 성능을 평가하기 위해 풀스케일(full-scale) MBR 하수처리장에 사용되었다. 다음 24시간 후 유입량을 예측하기 위해 사용된 BiGRU 기반 시간당 유입수 예측 모델은 다른 예측 모델에 비해 우수한 예측 성능을 보였다. 유입수 예측은 호기성 및 막 반응기 모두에 대해 DOO 시스템에 적용되었다. The DOO system was used in a full-scale MBR sewage treatment plant to evaluate its performance. The BiGRU-based hourly influent prediction model used to predict inflow after the next 24 hours showed superior prediction performance compared to other prediction models. Influent predictions were applied to the DOO system for both aerobic and membrane reactors.
MBR 플랜트의 주요 단점은 호기성 반응기와 막 반응기에 대해 각각 엄격한 4mg/L 및 7mg/L DO 표준으로 인한 높은 운영 비용이었다. AE는 수처리 안정성을 유지하고 높은 정련 폭기 강도로 막 오염을 줄여야 하기 때문에 MBR 플랜트의 약 25%의 높은 운영 비용을 차지했다. 따라서 운영 비용을 효율적으로 줄이기 위해 폐수 품질을 유지하면서 AE를 최적화할 필요가 있었다. DOO는 생물학적 및 물리적 프로세스 모두의 안정성을 보장하기 위해 호기성 반응기에 대해 3 mg DO/L에서 5 mg DO/L, 막 반응기에 대해 6 mg DO/L에서 8 mg DO/L인 서로 다른 경계 조건을 사용했다. A major drawback of the MBR plant was the high operating cost due to the stringent 4 mg/L and 7 mg/L DO standards for the aerobic and membrane reactors, respectively. AE accounted for about 25% of the high operating cost of the MBR plant because it had to maintain water treatment stability and reduce membrane fouling with high scouring aeration intensity. Therefore, it was necessary to optimize AE while maintaining wastewater quality in order to efficiently reduce operating costs. DOO has different boundary conditions, from 3 mg DO/L to 5 mg DO/L for aerobic reactors and from 6 mg DO/L to 8 mg DO/L for membrane reactors, to ensure the stability of both biological and physical processes. used
도 12(a) 및 (b)는 DOO 시스템을 사용하여 개선된 생물학적 과정을 보여준다. 최적화된 DO 농도는 그림 12(a)와 같이 매뉴얼과 ABAC 시스템의 두 DO 설정값보다 낮았다. 이는 최적화 시스템이 유입수 부하에 따라 폭기 강도를 조절했음을 나타낸다. ABAC는 DO 설정값 제안에 약한 성능을 보였고 유입수의 동적 특성을 반영하지 못했다(도 12(a)). ABAC는 MBR의 매우 복잡하고 비선형적인 기능 때문에 컨트롤러 설정값에 대한 최적의 솔루션을 찾지 못했다. 따라서 MBR 플랜트의 경제적, 환경적 운영을 개선하기 위해 예측 최적화 시스템의 구현이 필요했다. 최적화된 시스템의 감소된 DO 설정값은 소모된 AE와 직접적인 관련이 있다. 수동 및 ABAC 시스템과 비교하여 DOO는 도 12(b)와 같이 EQI를 비슷한 값으로 유지하면서 AE를 효과적으로 감소시켰다. 폭기에 의한 작동 에너지는 15.92% 감소한 반면 EQI는 전체 작동 기간 동안 1.854 × 106kg에서 1.843 × 106kg으로 약간 감소했습니다. 최적화된 폭기는 과도한 질산화를 완화하고 유출수 Nkj를 증가시키면서 유출 NO를 감소시켰기 때문이다. 유출수 NO가 감소하였지만 유출 NO의 가중치가 낮을수록 EQI가 약간 감소하는 데 영향을 미쳤다. 생물학적 폭기는 멤브레인 오염의 관점에서 물리적 작업에 영향을 미치고 폭기 강도의 감소는 멤브레인 표면의 정련 효과를 약화시킬 수 있으므로 멤브레인의 투과 역세 공정을 포함한 물리적 공정의 신중한 최적화가 필요했다.12(a) and (b) show improved biological processes using the DOO system. The optimized DO concentration was lower than the two DO settings for the manual and ABAC systems, as shown in Fig. 12(a). This indicates that the optimization system adjusted the aeration intensity according to the influent load. ABAC showed weak performance in the DO setpoint proposal and failed to reflect the dynamic characteristics of the influent (Fig. 12(a)). ABAC was unable to find an optimal solution for the controller settings due to the very complex and non-linear features of the MBR. Therefore, it was necessary to implement a predictive optimization system to improve the economic and environmental operation of the MBR plant. The reduced DO setpoint of the optimized system is directly related to the AE consumed. Compared to the passive and ABAC systems, DOO effectively reduced AE while maintaining EQI at a similar value, as shown in Fig. 12(b). The operating energy by aeration decreased by 15.92%, while the EQI slightly decreased from 1.854 × 10 6 kg to 1.843 × 10 6 kg over the entire operating period. This is because optimized aeration reduced effluent NO while mitigating excessive nitrification and increasing effluent Nkj. Although the effluent NO decreased, the lower weight of the effluent NO affected the slightly reduced EQI. Biological aeration affects the physical operation in terms of membrane fouling, and a decrease in aeration intensity can weaken the scouring effect of the membrane surface, so careful optimization of the physical process, including permeation and backwashing of the membrane, was required.
최적화 시스템은 조절된 DO 설정값을 기반으로 막 작동의 투과율을 0.87에서 1로 조절했다. 0.87의 값은 투과 13분, 역세척 2분을 나타내며, 1은 역세척 없이 전체 투과 작업을 나타낸다. 최적화된 물리적 프로세스의 성능은 도 13(a) 내지 (c)에 나와 있다. 최적화된 역세척 시간은 운전 초기에는 비교적 짧았으나 점차 증가하여 도 13(a)와 같이 1분 이상으로 증가하였다. 역세척이 길어질수록 막의 슬러지 케이크 형성이 효과적으로 감소하고 안정적인 슬러지 케이크 저항이 감소했다. 0.5분의 역세척을 유지한 수동 시스템은 도 13(b)와 같이 안정적인 슬러지 케이크 저항성에 대해 더 높은 값을 보였다. 증가된 역세척은 전체 저항을 감소시키고 오염을 완화했다. TMP는 10월 5일 운영자가 멤브레인 작업을 중단하고 화학 물질 세척을 시작했을 때 43kPa에서 31kPa로 감소했다. 결과적으로 최적화된 시스템은 도 13(c)와 같이 TMP가 43kPa에 도달할 때까지 멤브레인의 작동 시간을 20일까지 늘릴 수 있었다. 또한 MBR 플랜트는 가동 시간 증가로 인해 수동 시스템(18,117 m3에서 25,097 m3)에 비해 38% 더 많은 물을 생산할 수 있었다. 이것은 DOO 시스템이 오염을 줄이고 투과수 생산을 증가시켜 최적의 역세척 기간을 결정할 수 있음을 확인시켜준다.The optimization system adjusted the permeability of the membrane operation from 0.87 to 1 based on the adjusted DO setpoint. A value of 0.87 represents 13 minutes permeate and 2 minutes backwash, and 1 represents a full permeate operation without backwash. The performance of the optimized physical process is shown in Figures 13(a) to (c). The optimized backwashing time was relatively short at the beginning of operation, but gradually increased to more than 1 minute as shown in FIG. 13(a). Longer backwashing effectively reduced sludge cake formation in the membrane and reduced stable sludge cake resistance. The manual system with 0.5 min of backwash showed higher values for stable sludge cake resistance as shown in Fig. 13(b). Increased backwashing reduced overall resistance and mitigated fouling. TMP decreased from 43 kPa to 31 kPa on October 5, when the operator stopped working on the membrane and started cleaning the chemicals. As a result, the optimized system was able to increase the operating time of the membrane up to 20 days until the TMP reached 43 kPa, as shown in FIG. 13(c). Additionally, the MBR plant was able to produce 38% more water compared to the manual system (18,117 m 3 to 25,097 m 3 ) due to increased uptime. This confirms that the DOO system can reduce fouling and increase permeate production to determine the optimal backwash duration.
표 4는 수동 및 최적화 시스템에서 MBR 플랜트 성능을 요약한 것이다. DOO 시스템을 사용하여 얻은 폭기 및 펌핑에 대한 소비 에너지 값은 각각 15.92% 및 16.51% 낮다. 폭기 강도의 감소와 막 오염은 작동 에너지 요구량을 줄였다. 폐수 수질은 비슷한 수준으로 유지되었지만 폭기가 급격히 감소했다. DOO를 사용하여 얻은 투과물의 부피는 수동 시스템을 사용하여 얻은 것보다 적음을 알 수 있다. 그러나 최적의 역세척 기간은 멤브레인의 오염을 완화하고 멤브레인 수명을 증가시켰다. DOO 시스템을 갖춘 본격적인 MBR 플랜트는 수동 시스템보다 더 오래 운영할 수 있다. 또한 투과액당 EC인 최적화된 시스템의 에너지 효율이 12.02% 향상되었다. 결과적으로 발명의 실시예에 따른 최적화 시스템은 AE 및 PE를 포함한 EC를 43일 동안 748,137kWh에서 628,180kWh로 줄였다. 따라서 DOO 시스템은 하루에 2789kWh를 절약할 수 있고 운영 연도에 비해 에너지 소비를 1.0182 × 106kWh 줄일 수 있다. 한국전력이 제공하는 $0.075/kWh의 가격으로 제안된 시스템은 연간 $76,361를 절약할 수 있다. 이러한 결과는 DOO 시스템이 에너지 절약에 기여할 수 있고, 수질 및 투과수 생산을 유지하고, 막 오염을 감소시켜 경제적 및 환경적 요구의 균형을 효과적으로 맞출 수 있음을 나타낸다.Table 4 summarizes MBR plant performance in manual and optimized systems. The energy consumption values for aeration and pumping obtained using the DOO system are 15.92% and 16.51% lower, respectively. Reduction in aeration intensity and membrane fouling reduced the operating energy requirements. Effluent water quality remained at a similar level, but aeration decreased rapidly. It can be seen that the volume of permeate obtained using DOO is less than that obtained using the manual system. However, the optimal backwash period mitigated membrane fouling and increased membrane life. A full-scale MBR plant with a DOO system can operate longer than a manual system. Also, the energy efficiency of the optimized system, EC per permeate, improved by 12.02%. As a result, the optimization system according to the embodiment of the present invention reduced EC including AE and PE from 748,137 kWh to 628,180 kWh for 43 days. Thus, the DOO system can save 2789 kWh per day and reduce energy consumption by 1.0182 × 10 6 kWh compared to the year of operation. At a price of $0.075/kWh provided by KEPCO, the proposed system could save $76,361 per year. These results indicate that the DOO system can contribute to energy savings, maintain water quality and permeate production, and reduce membrane fouling to effectively balance economic and environmental demands.
[표 4][Table 4]
본 발명에 따른 생물학적 및 물리적 통합 모델을 기반으로 하는 DOO 시스템은 AE 효율성을 개선하고 폐수 품질을 유지하며 오염을 줄이기 위해 개발되었다. 기존 예측 모델의 제한된 성능을 해결하고 유입수 매개변수 불확실성과 관련하여 DOO 시스템을 향상시키기 위해 딥 러닝 예측 모델이 사용되었다. BiGRU(양방향 게이트 순환유닛) 기반의 시간당 유입수 예측 모델은 통계 및 딥 러닝 모델 중 최고의 성능을 보였다. 본 발명의 실험예에서는 예측된 데이터를 바탕으로 생물학 및 물리적 프로세스를 통합한 DOO 시스템을 파일럿 및 MBR 플랜트에 정밀 시뮬레이션을 통해 적용하고 그 성능을 수동 및 ABAC 운영 시스템과 비교했다. 최적화 시스템은 호기성 반응기와 막 반응기 모두에서 개선된 작동 궤적을 달성했다. A DOO system based on the integrated biological and physical model according to the present invention was developed to improve AE efficiency, maintain wastewater quality and reduce pollution. A deep learning prediction model was used to address the limited performance of existing prediction models and improve the DOO system with respect to influent parameter uncertainties. BiGRU (bidirectional gated circulating unit)-based hourly influent prediction model showed the best performance among statistical and deep learning models. In the experimental example of the present invention, the DOO system, which integrates biological and physical processes based on predicted data, was applied to pilot and MBR plants through precise simulation, and its performance was compared with manual and ABAC operating systems. The optimized system achieved improved operating trajectories in both aerobic and membrane reactors.
본 발명의 실시예에 따른 최적화 시스템은 유출수 품질을 유지하면서 파일럿 및 MBR 플랜트에서 각각 4% 및 12%의 에너지 효율을 개선했다. 최적화 시스템은 또한 오염, PE 및 WP를 교환하기 위한 실험실 규모의 실험을 고려하여 물리적 세척 기간을 조절했다. 최적화된 물리적 세척 시간은 PE를 최대 17%까지 감소시키고 오염 진행을 27%까지 감소시키며 멤브레인 수명을 17일 이상 연장했다. 또한 본 발명의 실시예에 따른 최적화 시스템을 풀스케일 MBR 플랜트에 적용할 경우 연간 76,361달러의 운영비를 절감할 수 있다. 본 발명의 주요 기여는 MBR 플랜트 운영자를 위한 최적화된 생물학적 및 물리적 프로세스의 개발이다. DOO 시스템은 동적 유입수 특성과 생물학적 및 물리적 프로세스 간의 복잡한 상호 관계도 고려할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 활성 슬러지 유량 및 질산염 내부 사이클 낭비와 같은 여러 운영 변수를 조절하면서 실제 MBR 플랜트의 경제 및 환경 운영을 개선하기 위한 최적화 시스템으로 확장될 수 있다.The optimization system according to an embodiment of the present invention improved energy efficiency by 4% and 12%, respectively, in the pilot and MBR plants while maintaining effluent quality. The optimized system also adjusted the duration of physical cleaning to account for contamination, laboratory-scale experiments to exchange PE and WP. The optimized physical cleaning time reduced PE by up to 17%, reduced fouling progression by 27%, and extended membrane life by more than 17 days. In addition, when the optimization system according to the embodiment of the present invention is applied to a full-scale MBR plant, an annual operating cost of 76,361 dollars can be saved. A major contribution of the present invention is the development of optimized biological and physical processes for MBR plant operators. DOO systems can also take into account the complex interrelationships between dynamic influent properties and biological and physical processes. According to an embodiment of the present invention, it can be extended to an optimization system to improve the economic and environmental operation of an actual MBR plant while controlling several operating variables such as activated sludge flow rate and nitrate internal cycle waste.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.In addition, the device and method described above are not limited to the configuration and method of the above-described embodiments, but all or part of each embodiment is selectively combined so that various modifications can be made. may be configured.
Claims (13)
상기 유입수 예측모델 생성부에서 예측된 유입수 특성을 기반으로 하수처리시스템을 제어하는 제어유닛;을 포함하는 유입수 인공지능 예측모델 기반 막생물반응기 최적화시스템.
An influent prediction model generating unit that predicts the characteristics of influent after a specific time; and
A control unit for controlling the sewage treatment system based on the influent characteristics predicted by the influent prediction model generation unit; a membrane bioreactor optimization system based on an influent artificial intelligence prediction model comprising a.
상기 유입수 예측모델생성부는 양방향게이트 순환유닛을 활용하며,
상기 양방향 게이트 유닛은 시간당 유입수 예측모델을 생성하며, 특정시간 후의 유입수 유량, COD, TSS, TN값 특성을 예측하는 것을 특징으로 하는 유입수 인공지능 예측모델 기반 막생물반응기 최적화시스템.
According to claim 1,
The influent prediction model generator utilizes a bi-directional gate circulation unit,
The bidirectional gate unit generates an influent prediction model per hour and predicts the influent flow rate, COD, TSS, and TN value characteristics after a specific time. An influent artificial intelligence prediction model-based membrane bioreactor optimization system.
상기 시간당 유입수 예측모델은 이전 입력된 데이터를 사용하여 특정시간 후에 유입수 특성을 연속적으로 예측하는 것을 특징으로 하는 유입수 인공지능 예측모델 기반 막생물반응기 최적화시스템.
According to claim 2,
The hourly influent prediction model is an influent artificial intelligence prediction model-based membrane bioreactor optimization system, characterized in that for continuously predicting the influent characteristics after a specific time using previously input data.
상기 제어유닛은 막생물반응기 플랜트를 제어하는 것을 특징으로 하는 유입수 인공지능 예측모델 기반 막생물반응기 최적화시스템.
According to claim 3,
The control unit is an influent artificial intelligence prediction model-based membrane bioreactor optimization system, characterized in that for controlling the membrane bioreactor plant.
상기 제어유닛은 하모니 서치를 통해 플랜트의 제어인자를 최적화하는 것을 특징으로 하는 유입수 인공지능 예측모델 기반 막생물반응기 최적화시스템.
According to claim 4,
The control unit is an influent artificial intelligence prediction model-based membrane bioreactor optimization system, characterized in that for optimizing the control factor of the plant through harmony search.
상기 제어유닛은 호기조의 폭기 강도와, 막분리조의 여과, 세척기간을 최적화하는 것을 특징으로 하는 유입수 인공지능 예측모델 기반 막생물반응기 최적화시스템.
According to claim 5,
The control unit optimizes the influent artificial intelligence prediction model-based membrane bioreactor optimization system, characterized in that for optimizing the aeration intensity of the aerobic tank and the filtration and washing period of the membrane separation tank.
생물학적 모델과 물리적 모델을 통합하여 막생물반응기 공정을 모델링하는 통합 MBR 모델링부를 더 포함하고,
상기 생물학적 모델은 ASM-SMP를 사용하고, 상기 물리적 모델은 RIS 모델을 사용하여 MBR 공정을 모델링하는 것을 특징으로 하는 유입수 인공지능 예측모델 기반 막생물반응기 최적화시스템.
According to claim 6,
Further comprising an integrated MBR modeling unit for modeling the membrane bioreactor process by integrating the biological model and the physical model,
The biological model uses ASM-SMP, and the physical model uses a RIS model to model the MBR process.
상기 제어유닛은 상기 생물학적 모델을 기반으로 폭기강도와 유출수 품질 지수를 최적화하고, 생물학적 모델과 물리적 모델을 기반으로 용수 생산성을 유지하면서 막오염 및 막펌핑에너지를 최적화하는 것을 특징으로 하는 유입수 인공지능 예측모델 기반 막생물반응기 최적화시스템.
According to claim 7,
The control unit optimizes the aeration intensity and the effluent quality index based on the biological model, and optimizes membrane fouling and membrane pumping energy while maintaining water productivity based on the biological model and the physical model. A model-based membrane bioreactor optimization system.
유입수 예측모델생성부가 특정시간 후의 유입수의 특성을 예측하는 단계;
생물학적 모델과 물리적 모델을 통합하여 막생물반응기 공정을 모델링하는 통합 MBR 모델링부에 예측된 유입수 특성이 입력되는 단계; 및
제어유닛이 상기 통합 MBR 모델링부의 생물학적 모델과 물리적 모델을 기반으로 막생물반응기를 최적화 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유입수 인공지능 예측모델 기반 막생물반응기 최적화방법.
As a membrane bioreactor optimization method,
Predicting the characteristics of influent water after a specific time by the influent prediction model generating unit;
inputting predicted influent characteristics into an integrated MBR modeling unit that models a membrane bioreactor process by integrating a biological model and a physical model; and
A control unit optimizing and controlling the membrane bioreactor based on the biological model and the physical model of the integrated MBR modeling unit; a membrane bioreactor optimization method based on an influent artificial intelligence prediction model, comprising:
상기 유입수 예측모델생성부는 양방향게이트 순환유닛을 활용하며,
상기 양방향 게이트 유닛은 시간당 유입수 예측모델을 생성하며, 특정시간 후의 유입수 유량, COD, TSS, TN값 특성을 예측하며,
상기 시간당 유입수 예측모델은 이전 입력된 데이터를 사용하여 특정시간 후에 유입수 특성을 연속적으로 예측하는 것을 특징으로 하는 유입수 인공지능 예측모델 기반 막생물반응기 최적화방법.
According to claim 9,
The influent prediction model generator utilizes a bi-directional gate circulation unit,
The bi-directional gate unit generates an hourly influent prediction model, predicts the influent flow rate, COD, TSS, and TN value characteristics after a specific time,
The hourly influent prediction model is an influent artificial intelligence prediction model-based membrane bioreactor optimization method, characterized in that for continuously predicting the influent characteristics after a specific time using previously input data.
상기 제어유닛은 하모니 서치를 통해 막생물 반응기 플랜트의 제어인자를 최적화하며, 상기 제어인자는 호기조의 폭기 강도와, 막분리조의 여과, 세척기간을 최적화하는 것을 특징으로 하는 유입수 인공지능 예측모델 기반 막생물반응기 최적화방법.
According to claim 10,
The control unit optimizes the control factor of the membrane bioreactor plant through harmony search, and the control factor optimizes the aeration intensity of the aerobic tank and the filtration and washing period of the membrane separation tank. Bioreactor Optimization Method.
상기 생물학적 모델은 ASM-SMP를 사용하고, 상기 물리적 모델은 RIS 모델을 사용하여 막생물반응기 공정을 모델링하는 것을 특징으로 하는 유입수 인공지능 예측모델 기반 막생물반응기 최적화방법.
According to claim 11,
The biological model uses ASM-SMP, and the physical model uses a RIS model to model the membrane bioreactor process.
상기 제어유닛은 상기 생물학적 모델을 기반으로 폭기강도와 유출수 품질 지수를 최적화하고, 생물학적 모델과 물리적 모델을 기반으로 용수 생산성을 유지하면서 막오염 및 막펌핑에너지를 최적화하는 것을 특징으로 하는 유입수 인공지능 예측모델 기반 막생물반응기 최적화방법.
According to claim 12,
The control unit optimizes the aeration intensity and the effluent quality index based on the biological model, and optimizes membrane fouling and membrane pumping energy while maintaining water productivity based on the biological model and the physical model. Model-based membrane bioreactor optimization method.
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