Metrological support for the control of wastewater composition: application of neural networks in measurement result processing methods
- Authors: Rozental O.M.1, Fedotov V.K.1
-
Affiliations:
- Water Problems Institute of the Russian Academy of Sciences
- Issue: Vol 74, No 6 (2025)
- Pages: 32-41
- Section: MEASUREMENTS IN INFORMATION TECHNOLOGIES
- URL: https://journals.rcsi.science/0368-1025/article/view/380351
- ID: 380351
Cite item
Abstract
This article examines the metrological support for wastewater monitoring required to reduce water pollution, from assessing the initial quality of effl uents to monitoring the effectiveness of their treatment before discharge into natural waters. A priority innovative task for water-intensive chemical industries is described: comparing the results of measurements of various parameters of water composition and properties to selectively reduce the concentration of particularly hazardous toxicants. The need to improve the methodology for identifying (and subsequently removing) pollutants that most signifi cantly increase environmentally hazardous chemical and biological oxygen demand is demonstrated. A comparison of metrological analysis methods, such as predictive mathematics, traditional regression analysis, and neural networks, is conducted using the example of a study of wastewater from the sewer system of the Kemerovo Nitrogen Industry Enterprise “AZOT”. Neural networks are shown to be the most effective method, as they have been used to establish the most comprehensive and maximum number of cause-and-effect relationships, including nonlinear ones, between pollutants and chemical and biological oxygen demand, compared to other methods. Based on the results of the study, it is recommended to use neural networks to analyze the cause-and-effect relationships of measured values of the composition and properties of wastewater for metrological support of water and environmental safety of industrial wastewater disposal in nitrogen production.
About the authors
O. M. Rozental
Water Problems Institute of the Russian Academy of Sciences
Email: omro3@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6261-6060
V. Kh. Fedotov
Water Problems Institute of the Russian Academy of Sciences
Email: fvh@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0001-8395-6849
References
Зыков В. Н., Чернышов В. И. Экологическая метрология. РУДН, Москва (2008). Фрейдкина Е. М., Трейман М. Г. Экономическая оценка влияния промышленных предприятий на окружающую среду. ВШТЭ СПбГУПТД, Санкт-Петербург (2016). Данилов-Данильян В. И., Розенталь О. М. Гипотеза о причинах сильной изменчивости концентрации примесей в природных водах. Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, (1), 114–119 (2023). https://doi.org/10.31857/S2686739722602502 ; https://elibrary.ru/tjawpk Цыганкова Л. Е., Вигдорович В. И., Урядников А. А. Оценка токсичности растворов экотоксикантов. Вестник Тамбовского Университета. Серия: Естественные и Технические Науки, (2), 797–800 (2014). https://elibrary.ru/sauinf Серенков П. С., Савкова Е. Н., Павлов К. А. Концепция развития доказательной базы современной метрологии. Техническая составляющая процесса измерения. Метрология и информационно-измерительные устройства. Электротехнические и информационные комплексы и системы, (2), 97–105 (2014). https://elibrary.ru/snohah Ординарцева Н. П. Градуировочные эксперименты при помощи метода гибридного регрессионного анализа. Измерительная техника, (4), 14–16 (2013). https://elibrary.ru/qinwkz Кузин А. Ю., Крошкин А. Н., Исаев Л. К., Булыгин Ф. В., Войтко В. Д. Практические аспекты применения искусственного интеллекта в метрологии. Измерительная техника, (9), 66–72 (2023). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2023-9-66-72 ; https://elibrary.ru/qyxvew Розенталь О. М., Федотов В. Х. Решение метрологических водно-экологических задач методами нечёткой логики. Измерительная техника, 74(2), 55–63 (2025). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2025-2-55-63 ; https://elibrary.ru/mzjonu Апрелев А. В., Беляев В. С., Шорин В. Н. Метрология цифровых потоков информации в пакетных сетях передачи данных. Альманах современной метрологии, (2), 180–191 (2019). https://elibrary.ru/xlrmhn Антонова Е. Н. Последовательный алгоритм обнаружения разладки многомерных временных рядов с высокой динамикой. Информационные системы. Автоматизация и системы управления. Известия СПбГТИ(ТУ), (63), 93–99 (2022). https://doi.org/10.36807/1998-9849-2022-63-89-93-99 ; https://elibrary.ru/bhigyx Кузин А. Ю., Крошкин А. Н., Оболенский И. А. Нейроконсультант в области законодательной метрологии на базе искусственного интеллекта. Измерительная техника, 73(10), 65–72 (2024). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2024-10-65-72 ; https://elibrary.ru/harrfl Schölkopf B., Janzing D., Peters J., Sgouritsa E., Zhang K., Mooij J. Semi-supervised learning in causal and anticausal settings, in Empirical Inference, eds B. Schölkopf, Z. Luo, and V. Vovk. Springer, Berlin, Heidelberg, 129–141 (2013). https://doi.org/10.1007/978-3-642-41136-6_13 Mooij J. M., Peters J., Janzing D., Zscheischler J., Schölkopf B. Distinguishing cause from effect using observational data: methods and benchmarks. Journal of Machine Learning Research, (17), 1103–1204 (2016). http://jmlr.org/papers/volume17/14-518/14-518.pdf Lopez-Paz D., Muandet K., Recht B. The randomized causation coeffi cient. Journal of Machine Learning Research, (16), 2901–2907 (2015). https://doi.org/10.15496/publikation-11750 Friston K. J. Functional and effective connectivity: a review. Brain Connect, 11(1), 13–36 (2011). https://doi.org/10.1089/brain.2011.0008 Chicharro D. Parametric and non-parametric criteria for causal inference from time-series. In: Wibral M., Vicente R., Lizier J. (eds). Directed Information Measures in Neuroscience. Understanding Complex Systems. Springer, Berlin, Heidelberg (2014). https://doi.org/10.1007/978-3-642-54474-3_8 Подкорытова О. А., Соколов М. В. Анализ временных рядов. Юрайт, Москва. (2025). Мхитарян В. С. Анализ данных в MS Excel. КУРС, Москва (2025). Боровиков В. П. Нейронные сети Statistica Neural Networks: Методология и технология современного анализа данных. StatSoft, Москва (2015). Carrera J., Vicent T., Lafuente J. Effect of the COD/N ratio of the infl uent on the biological nitrogen removal (BNR) from industrial wastewater with high ammonium content. Biochemical Process, 39(12), 2035–2041 (2004). https://doi.org/10.1016/j.procbio.2003.10.005 Baum Ch. F., Hurn Stan, Otero Jesús. Testing for time-varying Granger causality. Promoting Communications on Statistics and Stata, (2), 355–378 (2022). https://doi.org/10.1177/1536867X221106403.
Supplementary files
