Computer-aided Framework for Synthesis, Design and Retrofit of Wastewater Treatment Plants

Abstract

Vand anvendes til vores daglige formål i huse og industri, hvilket resulterer i betydelige mængder spildevand. Spildevand skal håndteres på bedste vis i overensstemmelse med juridiske, miljømæssige, økonomiske og samfundsmæssige perspektiver. Design af renseanlæg udgør en enorm udfordring. Et af de vigtigste trin er processyntese - defineret som valget af behandlingsprocesser som en kombination af enhedsoperationer og processer, der til sammen udgør procesdiagrammet. Som følge af den teknologiske udvikling, og dermed et stigende antal af alternative spildevandsrensningsteknologier samt indførelse af strengere grænseværdier for afløbet fra renseanlæg, bliver det stadig vanskeligere at identificere den bedste løsning vedrørende renseanlægs netværksdesign. Opgradering af eksisterende renseanlæg kan også formuleres som en processynteseopgave i den forstand, at en ny funktion kan føjes til den eksisterende proces, eller et eller flere eksisterende processer kan ændres som følge af de nye behov. Eksisterende anlæg behøver opgradering på grund af en række årsager såsom: ændring i mængde og sammensætning af spildevandsstrømmen der skal behandles, ændring i afløbsgrænseværdier, samt generelle ændringer i teknikkerne inden for spildevandsrensning (f.eks. fra næringsstoffjernelse til udvinding af næringsstoffer). Ligeledes, har muligheden for udvinding af rent vand, energi og materialer flyttet opfattelsen om spildevand i retning af at være en værdifuld ressource i stedet for at være et spildprodukt. Mens reglerne ændres til strengere grænseværdier af forurenende stoffer i afløbet kombineret med et stigende befolkningstal og størrelsen af byerne, sættes en barriere på udvidelse af eksisterende renseanlæg. Derfor er opgraderingsopgaven blevet et komplekst, integreret beslutningstagningsproblem, hvor der skal tages højde for en række aspekter i det tidlige stadie i beslutningsprocessen. Layouts af rensningsanlæg bliver i øjeblikket udviklet baseret på ekspert- og erfaringsbaseret design, men som følge af de ovennævnte betragtninger er det indlysende, at identificering af den mest eftertragtede beslutning ang. renseanlægsdesign baseret på erfaring bliver fortsat vanskeligere, hvis ikke, subjektivt. I dette projekt, foreslås en systematisk metode baseret på matematisk programmering til at håndtere det komplekse processynteseproblem via en superstrukturoptimeringsfremgangsmåde til at generere et nyt og optimalt renseanlæg til behandling af husholdningsspildevand. Metoden er implementeret som et værktøj, der består af en superstruktur, der dækker alle relevante behandlingsalternativer samt en database til opbevaring af designparametre og -evaluering for hver alternativ teknologi. Løsningen af optimeringsproblemet resulterer i et optimal procesnetværk og de optimale strømme igennem det valgte netværk. Endelig, anvendes strukturen på to casestudier, som udgør typiske eksempler i forskellige størrelsesordener for spildevandsrensning; design- (BSM2) og opgraderingsstudier (Lynetten rensningsanlæg på 750.000 PE og Avedøre på 265.000 PE), for at fremhæve og validere anvendelsen af den udviklede metode og database.Water is used for several purposes in houses and industrial applications, which results in the generation of considerable amounts of wastewater. Wastewater should be handled appropriately which is required from legal, environmental as well as economic and societal perspectives. Wastewater treatment plant (WWTP) design is a formidable challenge. One of the key steps involved is the process synthesis - defined as the selection of treatment processes as a combination of unit operations and processes to create the process flow diagram.As a consequence of the emerging technological developments and resulting increase in the number of alternative wastewater treatment technologies, as well as stricter effluentlimit values imposed by regulations; it became increasingly harder to identify the mostfeasible decision regarding the WWTP network design. Retrofitting of existing treatmentplants can also be formulated as a process synthesis challenge in the sense that a new taskcan be added to the existing treatment line or one or several existing processes can be changed as a result of the emerging needs. Existing plants need retrofitting due to a number of reasons such as: change in the wastewater flow and composition, change in the effluent limitations, as well as changes in the wastewater treatment trends, e.g. from nutrient removal to nutrient recovery. Similarly, recovery possibilities for clean water,energy and materials shifted the perception about wastewater towards being a valuableresource rather than being a waste. While the regulations change to impose stricter effluent limit values for the contaminants, the increasing population and the size of thecities put a barrier on the expansion of the existing WWTPs. Therefore, the retrofitting task has become a complex integrated decision making problem where a number of aspects have to be accounted for in the early stage decision making. WWTP layouts arecurrently developed based on expert and experience based designs. However as a result of the above-mentioned considerations, it is evident that making the most feasibledecision with this experience-based approach will be increasingly difficult if not subjective. In this study, a systematic framework based on mathematical programming is proposed to handle the complex process synthesis problem by a superstructure optimization approach to generate a novel and optimal WWTP process selection fortreatment of domestic wastewaters. The framework has been implemented as a tool which consists of the superstructure covering all relevant treatment alternatives and a database storing design parameters and performances for each alternative technology. The solution of the optimization problem provides an optimal process selection and the optimal flows through the selected network.Finally, the framework is applied to two case studies constituting typical examples for the different scales of wastewater treatment design (BSM2) and retrofitting studies (LynettenWWTP of 750,000 PE, and Avedøre WWTP of 265,000 PE) in order to highlight andvalidate the use of the developed methodology and database