We willen onderzoeken hoe we de uitstoot van lachgas (N2O),het energieverbruik en de slibproductie kunnen beperken tegen zo laag mogelijke kosten en binnen de gestelde effluentnormen. Daarom richten wij één van de zuiveringsstraten van de rioolwaterzuiveringsinstallatie (rwzi) Amsterdam West in als onderzoeksstraat. In de onderzoekstraat introduceren en testen wij aanvullende sensoren, datagestuurde regelingen en beslissingsondersteuning op basis van kunstmatige intelligentie. 

Extra sensoren

De rwzi Amsterdam West heeft een capaciteit van één miljoen inwonerequivalent en bestaat uit zeven zogenoemde zuiveringsstraten, waarvan er één wordt ingericht als onderzoeksstraat. Daar worden extra sensoren en analyzers geplaatst, vaak op plekken in de zuivering waar dit tot nu toe nog niet gebruikelijk was. Onder andere wordt gemeten in het voorbezonken water, in verschillende compartimenten van de aeratietank (AT),bij het afgassen van de AT, in de nabezinktank en in het (retour)slib. Het real-time monitoren van veel verschillende parameters in het proces geeft veel inzicht en biedt mogelijkheden voor procesoptimalisatie.

Nieuwe technologieën optimaal benutten

De procesautomatisering (PA) van de rwzi Amsterdam West wordt vernieuwd en de IT-architectuur van Waternet is volop in ontwikkeling. Op deze manier kunnen we optimaal profiteren van de implementatie van opkomende technologieën, zoals Artificial Intelligence (AI),Internet of Things (IoT),Business Intelligence (BI) en streaming analytics. Met het gebruik van real-time installatiedata, procesmodellen en externe databronnen kan een optimalere bedrijfsvoering worden bereikt. De datagedreven modellen kunnen immers verbanden vinden die mensen niet kunnen vaststellen. Daardoor kan worden gestuurd op het beperken van de uitstoot van het sterke broeikasgas N2O, op het energieverbruik en op de slibproductie. Tegelijkertijd kan rekening worden gehouden met de kosten en de kwaliteit van het gezuiverde afvalwater.

Lachgasemissie terugdringen

De voornaamste doelen van de onderzoeksstraat zijn het terugdringen van de N2O-emissie en het verlagen van het energieverbruik. De verwachting is dat dit kan worden bereikt door een stabielere en efficiëntere bedrijfsvoering. N2O is een broeikasgas, dat vrijkomt tijdens de stikstofverwijdering in het zuiveringsproces. Omdat het maar liefst 265 keer zo sterk is als CO2 levert het een aanzienlijke bijdrage aan de totale broeikasgasemissies van waterschappen. Voor Waternet bedraagt dit maar liefst één derde van de totale uitstoot in 2019. Het beperken van deze uitstoot is dus belangrijk. De rwzi Amsterdam West stoot gemiddeld ongeveer 20 kton CO2-equivalenten N2O per jaar uit. We verwachten dat op deze rwzi door reductie van de N2O-emissie een jaarlijkse verlaging van 5 tot 10 kton CO2-eq haalbaar is.

Energieverbruik verlagen

De processen in de beluchtingstank verbruiken veel energie. Ze zijn verantwoordelijk voor maar liefst 50% van het totale energieverbruik van de rwzi. Voor een duurzamere bedrijfsvoering is het dus belangrijk de beluchting efficiënter te regelen. Het andere doel van de onderzoeksstraat is de capaciteit van de huidige zuiveringsinstallatie te vergroten door een stabielere/efficiëntere bedrijfsvoering. Op deze manier kan de inrichting van een achtste zuiveringsstraat mogelijk uitgesteld worden. De uitbreiding is nodig vanwege het groeiende aantal inwoners van Amsterdam. Dit kan leiden tot een forse kostenbesparing.

Fiware4Water

Voor het onderzoek hebben Waternet en KWR Water Research Institute een subsidie gekregen vanuit het Europese Horizon 2020-programma. Binnen het subsidieproject wordt samengewerkt met twaalf Europese partners in het Fiware4Water-project.

Drie modellen in ontwikkeling

De onderzoekstraat nadert zijn voltooiing. Sensoren zijn geplaatst, de benodigde datanetwerkinfrastructuur is uitgebreid en stroomaansluitingen zijn aangebracht. Verder is het huidige procesautomatiseringssysteem (SCADA) aangepast, waardoor het mogelijk is setpoints te gebruiken die zijn bepaald door de AI-modellen voor het aansturen van de onderzoeksstraat. De komende maanden wordt de nieuwe functionaliteit van het SCADA-systeem getest. Momenteel zijn drie modellen in ontwikkeling:

• een AI-model voor het voorspellen van de influentstroom van de zuiveringsinstallatie,
• een AI-model dat het gedrag van de zuiveringsinstallatie beschrijft,
• een AI-model met de optimale controle-instellingen op basis van een beloningssysteem dat energieverbruik en lachgasemissies omvat.

Waterkwaliteit en technologie 

Onderzoekstraat is bijna gereed

Fiware is een open-source IT-platform, dat is opgericht in het kader van het Future Internet Public Private Partnership (FI-PPP),dat in 2011 door de Europese Commissie werd opgericht. Het is uitgegroeid tot een community van softwareontwikkelaars, onderzoeks- en innovatieorganisaties, steden, kleine of middelgrote ondernemingen (kmo's) en start-ups. Omdat tot nu toe nog geen Fiware-toepassingen voor rwzi’s waren ontwikkeld, worden deze tools nu ontwikkeld en gebruikt binnen Fiware4Water. Hierbij kan je denken aan tools om zuurstofsetpoints, nitrificatiecapaciteit of in-situ-ademhaling te bepalen. Robuuste en overdraagbare besturingsalgoritmen om N2O-emissies te verminderen, de energievraag te verminderen en de algehele zuiveringsefficiëntie te verbeteren, zijn namelijk relevant voor veel zuiveringsinstallaties over de hele wereld. Fiware-compatibiliteit zorgt ervoor dat de tools gemakkelijker op verschillende locaties kunnen worden geïntroduceerd.

Data en sensoren