ТАЗАРТУ ҚОНДЫРҒЫЛАРЫН ИНТЕЛЛЕКТУАЛДЫ БАСҚАРУ МІНДЕТТЕРІНДЕГІ АЭРОТЕНКТІҢ САНДЫҚ ҚОСАРЛАНУЫ

Су ресурстарының тапшылығы мен экологиялық талаптардың күшеюі жағдайында ағынды суларды биологиялық тазарту процестерінің энергия тиімділігін арттыру ерекше маңызға ие болды. Аэрациялық камера қондырғының ең энергия сыйымды және динамикалық күрделі компоненттерінің бірі болып табылады, оның жұмысына келіп түсетін ағынды сулардың шығыны мен құрамының ауытқуы қатты әсер етеді. Дәстүрлі ПИД-реттеу жүйелері ауытқулардың болжамды компенсациясын қамтамасыз етпейді және көбінесе шамадан тыс аэрацияға және энергия тұтынудың артуына әкеледі. Зерттеуде цифрлық егізге негізделген басқарудың интеллектуалды тәсілі, нейрондық желінің көмегімен келіп түсетін ағынды сулардың шығынын болжау және модельдік-болжамды басқару (MPC) ұсынылады. Цифрлық егіз биологиялық процестің динамикалық моделі болып табылады, ол негізгі күй айнымалыларын, соның ішінде субстраттың, белсенді лайдың және еріген оттегінің концентрациясын қамтиды. Нейрондық желі моделі ұзақ мерзімді статистикалық бақылаулар негізінде келіп түсетін сарқынды сулар шығынының тәуліктік өзгергіштік коэффициентін болжау үшін қолданылады. Болжамды мәндер MPC алгоритміне өлшенген ауытқулар ретінде енгізіледі, бұл болжау функциясы бар аэрация жүйесін құруға мүмкіндік береді. Модельдеу нәтижелері ауыспалы ағын жағдайында еріген оттегі деңгейінің тұрақтануын және артық аэрацияның алдын алу есебінен энергия тұтынудың төмендеуін көрсетеді. Ұсынылған архитектура қолданыстағы өнеркәсіптік PLC-SCADA жүйелеріне консультативтік MPC режимінде енгізуге қолайлы және энергия тиімділігін, сенімділігін және экологиялық көрсеткіштерін арттырады.

1. UNESCO World Water Development Report. – Paris: UNESCO Publishing, 2023.

2. Drechsel P. The WHO Guidelines for Safe Wastewater Use in Agriculture: A Review of Implementation Challenges and Possible Solutions in the Global South / P. Drechsel, M. Qadir, D. Galibourg // Water. – 2022. – Vol. 14, № 6. – P. 864. https://doi.org/10.3390/w14060864.

3. Rosso D. Energy efficiency in wastewater treatment plants / D. Rosso, M.K. Stenstrom // Water Research. – 2006. – Vol. 40. № 4. – P. 737-746.

4. Energy efficiency in wastewater treatment plants / J. Ahn et al // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2017. – Vol. 75. – P. 1136-1143.

5. Biological Wastewater Treatment: Principles, Modelling and Design / M. Henze et al. – London: IWA Publishing, 2008. – 511 p.

6. Activated Sludge Models ASM1, ASM2, ASM2d and ASM3 / M. Henze et al. – London: IWA Publishing, 2000. – 130 p. https://doi.org/10.2166/9781780402369.

7. Åström K.J. PID Controllers: Theory, Design, and Tuning / K.J. Åström, T. Hägglund. – 2nd ed. – Research Triangle Park: Instrument Society of America, 1995. – 360 p.

8. Åmand L. Aeration control – a review / L. Åmand, G. Olsson, B. Carlsson // Water Science and Technology. – 2013. – Vol. 67, № 11. – P. 2374-2398. https://doi.org/10.2166/wst.2013.139.

9. Takagi T. Fuzzy identification of systems and its applications to modeling and control / T. Takagi, M. Sugeno // IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics. – 1985. – Vol. SMC-15. – № 1. – P. 116-132.

10. Meyer U. Fuzzy-control for improved nitrogen removal and energy saving in WWTPs with predenitrification / U. Meyer, H.J. Pöpel // Water Science and Technology. – 2003. – Vol. 47, № 11. – P. 69-76.

11. Qin S.J. A survey of industrial model predictive control technology / S.J. Qin, T.A. Badgwell // Control Engineering Practice. – 2003. – Vol. 11, № 7. – P. 733-764.

12. Benchmark for evaluating control strategies in wastewater treatment plants / J. Alex et al // Proceedings of the European Control Conference (ECC 1999). – Karlsruhe, Germany, 1999. – P. 3746-3751.

13. Olsson G. ICA and me – A subjective review / G. Olsson // Water Research. – 2012. – Vol. 46, № 6. – P. 1585-1624. https://doi.org/10.1016/j.watres.2011.12.054.

14. Kim H.-S. Fuzzy model-based predictive control of dissolved oxygen in activated sludge processes / H.-S. Kim, J.-H. Lee // Neurocomputing. – 2014. – Vol. 136. – P. 88-95. https://doi.org/10.1016/j.neucom.2014.01.025.

15. Åmand L. Aeration control – a review / L. Åmand, G. Olsson, B. Carlsson Aeration // Water Science and Technology. – 2013. – Vol. 67, № 11. – P. 2374-2398. https://doi.org/10.2166/wst.2013.139.

16. Benchmark Simulation Model No. 1 (BSM1): Technical Report TEIE-7229 / J. Alex et al. – Lund: Department of Industrial Electrical Engineering and Automation, Lund University, 2008. – 62 p.

17. Çengel Y.A. Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications / Y.A. Çengel, J.M. Cimbala. – 5th ed. – New York: McGraw-Hill Education, 2024. – 944 p.

18. Takács I. A dynamic model of the clarification thickening process / I. Takács, G.G. Patry, D. Nolasco // Water Research. – 1991. – Vol. 25, № 10. – P. 1263-1271. https://doi.org/10.1016/0043-1354(91)90066-Y.

19. Olsson G. Wastewater Treatment Systems: Modelling, Diagnosis and Control / G. Olsson, B. Newell. – London: IWA Publishing, 1999. – 742 p.

20. Activated Sludge Model № 1 / M. Henze et al. – London: IWA Publishing, 1986. – 33 p.

21. Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery / G. Tchobanoglous et al. – New York: McGraw-Hill Education, 2014. – 2000 p.

22. Spravochnik po nailuchshim dostupnym tekhnikam «Ochistka stochnykh vod tsentralizovannykh sistem vodootvedeniya naselennykh punktov»: utv. Postanovleniem Pravitel'stva Respubliki Kazakhstan ot 17 maya 2025 g. № 348. – Astana, 2025. (In Russian).

23. Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems // F.-J. Kahlen et al. – Cham: Springer International Publishing, 2017. – P. 85-113. https://doi.org/10.1007/978-3-319-38756-7_4.

24. Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery / G. Tchobanoglous et al. – New York: McGraw-Hill Education, 2014. – 2049 p.

25. Montgomery J.M. Process Control of Activated Sludge Systems / J.M. Montgomery. – Lancaster: Technomic Publishing Company, 1985. – 349 p.

26. Jeppsson U. Benchmarking of Control Strategies for Wastewater Treatment Plants / U. Jeppsson, J. Alex. – London: IWA Publishing, 2003. – 141 p.

27. Ochistka stochnykh vod. Biologicheskie i khimicheskie protsessy / per. s angl. pod red. S. V. Kalyuzhnogo. – M.: Mir, 2004. – 480 s. (In Russian).