DEVELOPMENT AND MODERNITY

Using predictive analytics to prevent unauthorized wastewater discharges and optimize the operation of treatment facilities at oil and gas sites

Authors

  • Evgeny O. Terentyev Moscow Institute of Modern Academic Education, 7 bldg. 1 Ozerkovsky lane, Moscow, 115184, Russia

How to cite

GOST Terentyev E. O. Using predictive analytics to prevent unauthorized wastewater discharges and optimize the operation of treatment facilities at oil and gas sites // Academic Research Journal. 2025. Vol. 3. No. 11. P. 62-71. DOI: 10.25726/a0847-3617-4442-e
APA Terentyev, E. O. (2025). Using predictive analytics to prevent unauthorized wastewater discharges and optimize the operation of treatment facilities at oil and gas sites. Academic Research Journal, 3(11), 62-71. https://doi.org/10.25726/a0847-3617-4442-e

Abstract

The aim of the study is to demonstrate how predictive analytics based on machine learning methods can prevent unauthorized wastewater discharges and optimize the operation of treatment facilities at oil and gas sites by shifting management from a reactive to a proactive paradigm. The relevance is due to the high variability of wastewater composition and the growing risks of shock pollutant inflows. The empirical base includes more than 85,000 records (2019–2023) with 28 technological parameters: flow rate, temperature, pH, suspended solids, petroleum products, COD, BOD₅, sulfides, phenols, ammonium nitrogen, as well as indirect indicators of main process unit modes and data on reagent dosing and aeration. Preprocessing covered outlier removal (Isolation Forest), missing value imputation (k-NN Imputer), and normalization (Min–Max); EDA, lag and moving average generation, and Pearson/Spearman correlation analysis were performed for feature selection and multicollinearity reduction. Random Forest, gradient boosting (LightGBM), and LSTM were compared; validation used time-series cross-validation with RMSE, MAE, and R² metrics for regression and Accuracy, Precision, Recall, and F1 for classification. The LightGBM model led in forecasting COD with a 3-hour horizon (R²=0.941; RMSE=41.53 mgO₂/L), showing comparable accuracy to LSTM but lower computational cost; feature importance analysis revealed contributions from indirect production parameters. Simulation of forecast integration into the coagulant dosing loop demonstrated a reduction in average dose from 85.00 to 68.43 mg/L and direct reagent savings of 19.50%, along with quality improvement: residual suspended solids decreased from 22.54 to 18.91 mg/L, and standard deviation fell from 14.88 to 8.12 mg/L, improving stability and reducing the risk of breakthrough. The anomaly classifier provides early warning 3–6 hours in advance with Accuracy 0.988, Precision 0.932, Recall 0.965, and F1 0.948, minimizing missed critical events and false alarms. The conclusions confirm that a two-level predictive loop (continuous regression forecast + anomaly detector) reduces resource consumption, the probability of exceeding permissible concentrations, and lays the foundation for integration with process control systems and digital twins, with a future perspective of expanding the factor field through meteorological data.

Keywords

predictive analytics machine learning unauthorized discharges treatment facilities gradient boosting

References

Абдрахимов Ю.Р., Вадулина Н.В., Басирова А.Х. Повышение техногенной безопасности: очистка сточных вод нефтегазовой отрасли // В сборнике: Малоотходные, ресурсосберегающие химические технологии и экологическая безопасность. Сборник материалов Всероссийской научно практической конференции с международным участием. Стерлитамак, 2013. С. 9-10.

Алексеев В.А., Ардашев С.А., Козаченко Е.М., Юран С.И. Система регулирования установкой мониторинга загрязнения сточных вод // В сборнике: Приборостроение – 2010. Материалы 3-ей Международной научно-технической конференции. Минск, 2010. С. 14-15.

Бабкин В.Ф., Гвоздев С.Н. Анализ технологических процессов глубокой очистки сточных вод от нерастворенных нефтепродуктов // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. 2009. № 1. С. 183-189.

Волков М.А., Саркисян И.А., Шелгунова Т.В. Разведывательный анализ данных при моделировании метода очистки сточных вод производственного предприятия // Социально экономическое управление: теория и практика. 2016. № 1 (28). С. 156-158.

Воробьев С.А., Филиппов В.Н., Валиев М.А., Зиновьев А.П. Программное обеспечение прогнозирования работы установки комплексной очистки локальных сточных вод нефтехимических производств // В сборнике: Актуальные проблемы науки и техники. Уфимский государственный нефтяной технический университет. Уфа, 2009. С. 51-52.

Галкин А.В. Мониторинг нефтегенных загрязнений вод: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук. Москва, 1992.

Губайдуллина И.Н., Ахмедьянов Д.И. Сравнительный анализ методов очистки нефтесодержащих сточных вод // В сборнике: Наукоемкие технологии в решении проблем нефтегазового комплекса. Материалы VIII Международной молодежной научной конференции. Ответственный редактор К.Ш. Ямалетдинова. 2018. С. 150-155.

Дегтярева С.С., Дунаева А.С., Радченко А.Н. Анализ эффективности технических решений по очистке сточных вод для объектов трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов // В книге: Нефть и газ - 2017. Тезисы докладов 71-ой Международной молодежной научной конференции. Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина. Москва, 2017. С. 336.

Ермоленко Д.Н. Компьютерная поддержка принятия решений по управлению очисткой сточных вод на основе нечеткого моделирования: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Белгород, 2005.

Измайлова С.В., Васильев А.В. Классификация методов очистки сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий // В сборнике: YOUNG ELPIT 2019. Международный инновационный форум молодых ученых в рамках VII международного экологического конгресса (IX международной научно-технической конференции) Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов . Сборник научных докладов. Научный редактор А.В. Васильев. 2019. С. 65-69.

Иким М.И., Потапова Г.Ф., Смолянский А.С. Имитационное моделирование технологии озонной очистки сточных вод для оптимизации водно-химических режимов эксплуатации объектов атомной энергетики // В книге: Научная сессия НИЯУ МИФИ-2014. Аннотации докладов: в 3-х томах. Ответственный редактор О.Н. Голотюк. Москва, 2014. С. 116.

Крийс Т.Р. Анализ частотно-временных параметров систем оперативного контроля сточных вод: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Харьков, 1991.

Левкевич В.Е., Лосицкий В.А. Методические основы создания системы мониторинга состояния конструкций очистных сооружений // В сборнике: Наука – образованию, производству, экономике. Материалы 16-й Международной научно-технической конференции. Минск, 2018. С. 175.

Налобина Е.В. Разработка безотходной системы очистки нефтесодержащих вод объектов нефтегазового комплекса: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Тюмень, 2001.

Остах С.В., Мишина О.А. Многоуровневый экспертно-аналитический алгоритм оперативного обнаружения залпового загрязнения углеводородами водных объектов и прилегающих территорий // В сборнике: Региональные стратегии и проектное управление эколого-экономическим и социальным развитием территорий. Материалы международной научно-практической конференции. Главный редактор А.В. Антонов. Москва, 2023. С. 137-142.

Issue

Section

DEVELOPMENT AND MODERNITY

Metrics

74 views
0 downloads
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata

Similar Articles

1 2 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.