DOI: https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2026.106888
تاريخ النشر: 2026-03-05
المؤلف: Otacílio B.L. Neto وآخرون
الموضوع الرئيسي: معالجة مياه الصرف الصحي وإزالة النيتروجين
نظرة عامة
تقدم هذه البحث حلاً مبتكرًا للتحكم التلقائي يهدف إلى تحويل محطات معالجة مياه الصرف التقليدية (WWTPs) إلى مرافق استرداد موارد المياه المستقلة من الطاقة. يقدم المؤلفون نظام تصنيف لجودة المياه المعالجة مصممًا لثلاث تطبيقات استرداد موارد متميزة: إعادة الاستخدام البيئي والصناعي والزراعي. المركز في هذا النهج هو نموذج تحكم تنبؤي مع تغذية راجعة (Output MPC) مصمم لإدارة عمليات المحطة لتحقيق معايير جودة مياه محددة مع توليد ما يكفي من الغاز الحيوي للحفاظ على تكاليف الطاقة غير الإيجابية.
تتم التحقق من فعالية وحدة التحكم المقترحة من خلال محاكاة عمليات طويلة الأمد لمحطة معالجة مياه الصرف الصحي على نطاق كامل، والتي تتعرض لأحمال تدفق نموذجية وأهداف جودة متغيرة. تظهر النتائج جدوى العمليات المستقلة من الطاقة ضمن البنية التحتية الحالية لمعالجة مياه الصرف، مما يعرض استراتيجيات التحكم القابلة للتكيف مع أهداف استرداد الموارد المتنوعة. تسهم هذه العمل في تقدم ممارسات إدارة مياه الصرف المستدامة من خلال تسليط الضوء على الإمكانية لتعزيز استرداد الموارد وكفاءة الطاقة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على تحول كبير في إدارة موارد المياه، حيث يتم النظر إلى مياه الصرف بشكل متزايد ليس فقط كملوث ولكن كمصدر قيم للمياه النظيفة والطاقة والمواد المغذية. يقود هذا التحول الحاجة إلى معالجة الطلبات المتزايدة على المياه والتحديات البيئية، مما يدفع قطاع مياه الصرف للتطور من محطات معالجة مياه الصرف التقليدية (WWTPs) إلى مرافق استرداد موارد المياه (WRRFs). يتم التأكيد على استرداد المواد المغذية مباشرة من تدفقات المياه العادمة لإنتاج مياه إعادة الاستخدام ذات الجودة المخصصة كهدف رئيسي، مما يتماشى مع مبادئ الاقتصاد الدائري ويخفف من ضغوط موارد المياه العذبة.
علاوة على ذلك، تناقش المقدمة الإمكانية لتحقيق توازن بين المياه والطاقة من خلال استخدام الحمأة الزائدة من عمليات استرداد المواد المغذية لتوليد الطاقة. وتؤكد على أهمية تطوير تقنيات يمكن أن تنتج مياه إعادة الاستخدام مع توازن طاقة صافٍ صفر أو سالب، مما يمثل تقدمًا حاسمًا في الانتقال من معالجة مياه الصرف التقليدية إلى استرداد الموارد. تركز الأبحاث الحالية على تعزيز مرافق المعالجة من خلال عمليات مبتكرة، بما في ذلك بلورات ترسيب سترات، وطرق تركيز النيتروجين المعتمدة على الأغشية، والمفاعلات الحيوية لزراعة الطحالب الدقيقة.
النتائج
تظهر النتائج من محاكاة محطة معالجة مياه الصرف الصحي المرجعية (WWTP) فعالية التحكم التنبؤي النموذجي (MPC) في تحقيق استرداد موارد مستقل من الطاقة. تتضمن المحاكاة بيانات عملية واقعية، تم تشويهها عمدًا بضوضاء مستشعر عشوائية لتعكس ظروف العالم الحقيقي. تشير النتائج إلى أن التشغيل التلقائي للمحطة يحقق بنجاح الهدف الرئيسي المتمثل في إنتاج مياه إعادة الاستخدام بينما يلبي في الوقت نفسه الهدف الثانوي المتمثل في الحفاظ على الاستقلالية الطاقية.
تظهر التقييمات النوعية لأداء وحدة التحكم إمكانياتها في تسهيل انتقال مرافق معالجة مياه الصرف التقليدية إلى محطات استرداد موارد المياه. يبرز هذا الإنجاز المزدوج جدوى تنفيذ Output MPC في تعزيز كل من إعادة استخدام المياه وكفاءة الطاقة، مما يسهم في إدارة الموارد المستدامة في عمليات معالجة مياه الصرف.
المناقشة
في هذا القسم، تركز المناقشة على دمج استراتيجيات التحكم المتقدمة في محطات معالجة مياه الصرف البيولوجية (WWTPs) لتعزيز استرداد الطاقة وتحسين أهداف استرداد موارد المياه. يؤكد المؤلفون على إمكانية إعادة استخدام البنية التحتية الحالية من خلال التحكم التنبؤي (MPC) لتحقيق استرداد المواد المغذية المستقل من الطاقة. يبرزون أهمية أنظمة المعالجة البيولوجية، التي تتواجد بشكل شائع في المناطق الحضرية وقادرة على إنتاج الغاز الحيوي مع التحكم في مستويات النيتروجين والفوسفور. يحدد البحث وحدة تحكم تنبؤية جديدة مصممة لتشغيل محطات معالجة مياه الصرف تحت أهداف ديناميكية، تستهدف بشكل خاص إنتاج مياه معالجة مناسبة لمختلف تطبيقات إعادة الاستخدام (البيئية والصناعية والزراعية) مع الحفاظ على تكاليف الطاقة غير الإيجابية.
تستخدم وحدة التحكم المقترحة إطار عمل MPC مع تغذية راجعة تكييفية تتكيف مع الطلبات المتغيرة على جودة المياه وتدمج بيانات الوقت الحقيقي من المستشعرات الموجودة في الموقع. يصنف المؤلفون المياه المعالجة إلى ثلاث فئات جودة، كل منها مع حدود تركيز محددة للمواد الصلبة العالقة الكلية، وطلب الأكسجين البيوكيميائي، والنيتروجين الكلي. بالإضافة إلى ذلك، يقومون بتحديد تكاليف الطاقة المرتبطة بتشغيل المحطة ويضعون مقياسًا لاستقلالية الطاقة. تظهر نتائج المحاكاة فعالية وحدة التحكم في إدارة عملية المعالجة تحت ظروف تدفق نموذجية، مما يعرض مرونة محطات معالجة مياه الصرف التقليدية لتلبية أهداف استرداد الموارد المتنوعة. يختتم القسم بتحديد هيكل البحث، الذي يتضمن مزيدًا من التفاصيل حول محطات معالجة مياه الصرف البيولوجية، ووحدة التحكم التنبؤية، ونتائج المحاكاة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2026.106888
Publication Date: 2026-03-05
Author(s): Otacílio B.L. Neto et al.
Primary Topic: Wastewater Treatment and Nitrogen Removal
Overview
This research presents an innovative automatic control solution aimed at transforming conventional wastewater treatment plants (WWTPs) into energy-autonomous water resource recovery facilities. The authors introduce a classification system for the quality of treated water tailored to three distinct resource recovery applications: environmental, industrial, and agricultural reuse. Central to this approach is an output-feedback model predictive controller (Output MPC) designed to manage plant operations to achieve specific water quality standards while simultaneously generating sufficient biogas to maintain nonpositive energy costs.
The effectiveness of the proposed controller is validated through long-term operation simulations of a full-scale WWTP, which is subjected to typical influent loads and varying quality targets. The findings demonstrate the feasibility of energy-autonomous operations within existing wastewater treatment infrastructure, showcasing control strategies that are adaptable to diverse resource recovery goals. This work contributes to the advancement of sustainable wastewater management practices by highlighting the potential for enhanced resource recovery and energy efficiency.
Introduction
The introduction highlights a significant paradigm shift in water resource management, wherein wastewater is increasingly viewed not merely as a pollutant but as a valuable source of clean water, energy, and nutrients. This transformation is driven by the need to address rising water demands and environmental challenges, prompting the wastewater sector to evolve from traditional wastewater treatment plants (WWTPs) to water resource recovery facilities (WRRFs). The recovery of nutrients directly from effluent streams to produce reuse water of customized quality is emphasized as a key objective, aligning with circular economy principles and alleviating freshwater resource pressures.
Furthermore, the introduction discusses the potential for achieving a balanced water-energy nexus by utilizing excess sludge from nutrient recovery processes for energy generation. It underscores the importance of developing technologies that can produce reuse water with a net-zero or net-negative energy balance, marking a crucial advancement in the transition from conventional wastewater treatment to resource recovery. Current research is focused on enhancing treatment facilities through innovative processes, including struvite precipitation crystallizers, membrane-based nitrogen concentration methods, and bioreactors for micro-algae cultivation.
Results
The results from the simulation of the benchmark Wastewater Treatment Plant (WWTP) demonstrate the effectiveness of the Output Model Predictive Control (MPC) in achieving energy-autonomous resource recovery. The simulation incorporates realistic process data, which is intentionally corrupted with random sensor noise to reflect real-world conditions. The findings indicate that the automatic operation of the plant successfully meets the primary objective of producing reuse water while concurrently fulfilling the secondary goal of maintaining energy autonomy.
A qualitative assessment of the controller’s performance reveals its potential to facilitate the transition of conventional wastewater treatment facilities into water resource recovery plants. This dual achievement underscores the viability of implementing Output MPC in enhancing both water reuse and energy efficiency, thereby contributing to sustainable resource management in wastewater treatment processes.
Discussion
In this section, the discussion focuses on the integration of advanced control strategies in biological wastewater treatment plants (WWTPs) to enhance energy recovery and optimize water resource recovery goals. The authors emphasize the potential of repurposing existing infrastructure through model predictive control (MPC) to achieve energy-autonomous nutrient recovery. They highlight the importance of biological treatment systems, which are prevalent in urban areas and capable of producing biogas while controlling nitrogen and phosphorus levels. The paper outlines a novel predictive controller designed to operate WWTPs under dynamic objectives, specifically targeting the production of treated water suitable for various reuse applications (environmental, industrial, and agricultural) while maintaining nonpositive energy costs.
The proposed controller employs an output-feedback MPC framework that adapts to changing water quality demands and incorporates real-time data from in-situ sensors. The authors classify treated water into three quality classes, each with specific concentration limits for total suspended solids, biochemical oxygen demand, and total nitrogen. Additionally, they quantify the energy costs associated with the plant’s operation and establish a metric for energy autonomy. The simulation results demonstrate the controller’s effectiveness in managing the treatment process under typical influent conditions, showcasing the flexibility of conventional WWTPs to meet diverse resource recovery objectives. The section concludes by outlining the structure of the paper, which includes further details on the biological WWTPs, the predictive controller, and the simulation results.