Metrological support for the control of wastewater composition: application of neural networks in measurement result processing methods

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

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

  1. Зыков В. Н., Чернышов В. И. Экологическая метрология. РУДН, Москва (2008).
  2. Фрейдкина Е. М., Трейман М. Г. Экономическая оценка влияния промышленных предприятий на окружающую среду. ВШТЭ СПбГУПТД, Санкт-Петербург (2016).
  3. 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
  4. 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
  5. 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
  6. Ординарцева Н. П. Градуировочные эксперименты при помощи метода гибридного регрессионного анализа. Измерительная техника, (4), 14–16 (2013). https://elibrary.ru/qinwkz
  7. 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
  8. 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
  9. 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
  10. 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
  11. 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
  12. 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
  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
  14. 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
  15. Friston K. J. Functional and effective connectivity: a review. Brain Connect, 11(1), 13–36 (2011). https://doi.org/10.1089/brain.2011.0008
  16. 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
  17. Подкорытова О. А., Соколов М. В. Анализ временных рядов. Юрайт, Москва. (2025).
  18. Мхитарян В. С. Анализ данных в MS Excel. КУРС, Москва (2025).
  19. Боровиков В. П. Нейронные сети Statistica Neural Networks: Методология и технология современного анализа данных. StatSoft, Москва (2015).
  20. 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
  21. 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

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).