Il controllo del processo biologico mediante tecniche di monitoraggio in situ: le esperienze LESSWATT e i-SWAT
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AUTOMAZIONE DI PROCESSO PER IMPIANTI DI TRATTAMENTO DELLE ACQUE DI RIFIUTO
Il controllo del processo biologico
mediante tecniche di monitoraggio in
situ: le esperienze LESSWATT e i-SWAT
Francesco Spennati,
francesco.spennati@cuoiodepur.it
Webinar gratuito
3 dicembre 2020
L’impianto e il distretto conciario
Aquarno
Fucecchio
S. Croce
Depuratore di C. sull’Arno S. Donato
di Sotto
Castelfranco CuoiodepurFerrovia
Canale di Sotto
Usciana
Ponte a
S. Romano
Egola
Arno S.G.C. FI-PI-LI
Prima visita di monitoraggio 2 Km
Firenze, 19 Aprile 2018
Portate e
carichi
Aree Urbane di Area Industriale di Ponte a Egola
San Miniato San Romano San Donato
1.400.000 m3/anno
Parametro Media Impianto
pH 7,5 Cuoiodepur
CODtq (mg L-1) 143
SST (mg L-1) 52 1.400.000 m3/anno
N-NH4+ (mg L-1) 24
N-totale (mg L-1) 33 Parametro Media
P-totale (mg L-1) 3,1 pH 7,8
Solfati (mg L-1) 68 CODtq (mg L-1) 12.668
Cloruri ((mg L-1) 287 SST (mg L-1) 4.889
N-NH4+ (mg L-1) 350
Parametro Media N-totale (mg L-1) 793
pH 7,1 P-totale (mg L-1) 25,4
COD (mg L-1) 145 Solfuri (mg L-1) 280
Effluente scarico SST (mg L-1) 1,1 Solfati (mg L-1) 2.581
N-NH4 (mg
+ L-1) 2,3 Cloruri (mg L-1) 6.145
N-NO3- (mg L-1) 9,1
N totale (mg L-1) 21,7
Lo
Prima visita di monitoraggio Scarico rispetta tutti i limiti
P totale (mg L-1) 0,2
Cloruri (mg L-1) Firenze, 19 Aprile 2018 Autorizzativi
3.184
previsti ai sensi
3.100.000 m3/anno dell’Allegato V del DLgs. 152/2006 e smi
Solfati (mg L-1) 1.502
TRATTAMENTI PRIMARI
REFLUI
INDUSTRIALI
Grigliatura Dissabbiatore Equalizzazione Sedimentazione
fine Ossidazione Solfuri Primaria
TRATTAMENTI BIOLOGICI
Sedimentazione Ossidazione Biologica Denitrificazione
Biologica Nitrificazione
REFLUI
TRATTAMENTI TERZIARI
CIVILI
Coagulazione Sedimentazione Neutralizzazione
Flocculazione Terziaria
CORPO IDRICO
RECETTORE
Il comparto biologico
Denitrificazione Sedimentazione secondaria
11.000 m3
Reflui Civili
Reflui
industriali
(post
trattamenti
primari)
Post denitro
Ossidazione nitrificazione
26.250 m3
Prima visita di monitoraggio
Firenze, 19 Aprile 2018
Sistema di aereazione Nelle vasche di ossidazione- nitrificazione dell’impianto Cuoiodepur le condizioni aerobiche necessarie per il corretto sviluppo dei processi biologici sono mantenute tramite insufflazione di aria, immessa e distribuita uniformemente all’interno del liquame attraverso un sistema di aerazione a diffusione sommerso, che crea un “tappeto di aerazione” sul fondo delle vasche costituito da diffusori a membrana a disco Italprogetti DM con superficie di 0,07 m2 e diametro della membrana 300 mm.
Sistema di aereazione Nonostante l’elevata capacità autopulente presentata da tale tipologia di diffusori, è necessaria una periodica sostituzione delle membrane per evitare un eccessivo intasamento dei micropori che ridurrebbe la capacità di trasferimento. Le membrane vengono sostituite in ciascuna vasca al massimo ogni 4 anni. La portata d’aria necessaria è fornita da cinque compressori HV Turbo con potenza nominale massima da 350 KW. Nelle normali condizioni di esercizio solo 1 o 2 compressori risultano in funzione (75% potenza);
Il metodo off-gas - cenni
• L’analizzatore è in grado di misurare il contenuto di ossigeno del flusso di gas, in termini di frazione molare
rispetto agli inerti, attraverso una reazione di tipo catalitico che avviene all’interno di una cella a combustibile in
funzione della pressione parziale dell’ossigeno.
• Per stimare l’efficienza di trasferimento dell’ossigeno in
condizioni operative (OTE) è utilizzato il metodo off-gas, che si
basa su un bilancio di massa in fase gassosa.
• Si misura la differenza tra la concentrazione di ossigeno
nell’aria ambiente e quella nell’off-gas in modo da poter
ricavare l’efficienza del processo; maggiore è il valore di tale
differenza maggiore è la quantità di ossigeno che è trasferita
dall’aria all’acqua nella vasca.
• Il bilancio dell’ossigeno nel volume liquido può essere espresso
come:
ossigeno privato al gas = ossigeno trasferito al refluo
• La grandezza di riferimento per il confronto delle prestazioni
dei diffusori è αSOTE, ovvero l’efficienza di trasferimento
dell’ossigeno in condizioni standard (T=20 °C, DO=0 mg/l, P
barometrica=1 atm, U relativa aria=100%) in acqua di
processo.
Il LESSDRONE
Inquadramento e obiettivi
• Il progetto prevedeva l’esecuzione 6 di test di misura degli off-gas e delle emissioni di gas- serra presso l’impianto
Cuoiodepur per la messa a punto e validazione del drone.
• Gli impianti di depurazione possono rappresentare una significativa fonte di gas serra. Le emissioni di questi gas
avvengono attraverso due principali sorgenti: emissioni dirette ed indirette.
• Le emissioni dirette derivano dai processi biologici che hanno luogo nei reattori biologici; in particolare, la CO2
viene prodotta come catabolita della respirazione, il protossido di azoto (N2O) nel corso dei processi di
nitrificazione e/o denitrificazione e il metano (CH4) durante la digestione anaerobica. Le emissioni indirette sono
legate al consumo di energia elettrica o termica all’interno dell’impianto, alla movimentazione di mezzi di
trasporto e alla produzione di agenti chimici utilizzati.
• L'obiettivo è identificare una connessione tra le emissioni di gas serra, gli influenti trattati dall’impianto e la
fornitura d’aria alle vasche aerobiche, che determinano il consumo di energia e influenzano l’efficienza di
trasferimento dell’ossigeno.Grandezze misurate direttamente dal LESSDRONE
- Portata d’aria nelle vasche aerate
- Ossigeno disciolto (DO) nel liquame
- Efficienza di trasferimento dell’ossigeno nelle vasche aerate (αSOTE, OTE, OTR)
- Emissioni di gas ad effetto serra (CO2, N2O, CH4)
Ulteriori parametri indagati sul campo
- Concentrazioni dei principali parametri inquinanti (COD e frazioni di N) in ingresso e uscita dalle vasche
aerate (tramite campionamenti manuali e automatici)
- Portate di refluo (civile e industriale) trattate dalle vasche biologiche (tramite misuratori dell’impianto)
- Portate d’aria insufflate alle singole linee (tramite misuratori dell’impianto)
- Concentrazioni di DO nelle singole vasche (tramite sensori dell’impianto)
- Concentrazioni dei solidi sospesi totali e volatili (SST e SSV) nelle vasche biologiche
- Concentrazioni dei composti organici volatili (VOC)Tipologie di prove Per ogni campagna di misura, dovranno essere svolte le seguenti tipologie di prove: • Misure su più punti della vasca (minimo 2% della superficie complessiva della vasca) dell’efficienza di trasferimento dell’ossigeno e la concentrazione dei gas serra (CO2, N2O e CH4) e 2 determinazioni di VOCs. • Misura dell’efficienza di trasferimento dell’ossigeno e dei gas serra su un punto fisso della vasca per almeno 48 ore consecutive. • Campionamento e analisi del refluo in ingresso e in uscita dalle vasche, durante le campagne di misura. Analisi di laboratorio Le misure in laboratorio sono state e saranno effettuate seguendo le procedure ufficialmente riconosciute (e impiegate anche dagli enti di controllo). Per gli off-gas Cuoiodepur si è rivolta ad un consulente esterno.
Prove effettuate:
• Prove in più punti (a portata d’aria in regime manuale) e prove stazionarie in un punto fisso (a portata d’aria in
regime ordinario) nelle vasche biologiche n.5 e n.6
• Note:
• Nelle vasche di ossidazione dell’impianto sono
• presenti diffusori in maniera non uniforme:
zona 1: 3.4 ND/m2;
zona 2: 2.7 ND/m2;
zona 3: 1.0 ND/m2.
• Le due vasche si differenziano per età dei
diffusori e, pertanto, per capacità di
trasferimento dell’ossigeno, a causa del grado
di intasamento dei pori. La vasca 5 è
caratterizzata da diffusori 2 anni (agosto
2018), mentre la vasca 6 da diffusori meno
recenti, 3 anni (settembre 2017).Prove effettuate:
Prove in più punti (a portata d’aria in regime manuale) in 9 differenti posizioni della vasca 5 e 6
Misure di off-gas ed
efficienza di
trasferimento
dell’ossigeno con
differenti condizioni
operative quali:
-Portata d’aria;
-Età dei diffusori;
-Età del fango.
-Concentrazione
dell’ossigenoRisultati prove a punti
Concentrazione di DO nelle vasche
La concentrazione di ossigeno disciolto (DO) è piuttosto variabile da punto a punto, in vasca 5 si
osservano valori superiori nei punti 5-6-7, mentre in vasca 6 nei punti 6-7-8-9. In entrambe le vasche
i valori inferiori di DO (< 1 mg/l) si registrano nei punti iniziali (punti 1-2-3) a causa della maggiore
disponibilità di substrato prontamente biodegradabile e, pertanto, della maggiore richiesta di
ossigeno in questa zona.Risultati prove a punti
Efficienza di trasferimento dell’ossigeno
L’efficienza di trasferimento dell’ossigeno in condizioni standard e in acqua di processo (αSOTE) è
risultata rispettivamente pari a 30.3% e 28.7% in vasca 5 e in vasca 6. Questo risultato conferma lo
stato attuale dei diffusori, più recenti in vasca 5 rispetto alla vasca 6. Entrambi i valori risultano
comunque piuttosto elevati se confrontati con altre realtà impiantistiche (Rosso et al., 2005).Risultati prove a punti
Efficienza di trasferimento dell’ossigeno
L’αSOTE/m si attesta tra 5-6 %/m, valore confermato
MD (Cuoiodepur)
dalla letteratura noto il regime di portata d’aria cui
lavora l’impianto e le caratteristiche geometriche
delle vasche.
αSOTE (%/m)
CDi: dischi ceramici
CDo: domi ceramici
MD: dischi a membrana
Tu: diffusori a candela
MP: pannelli a membrana
Qair (m3/m2 diff /s)
(Rosso et al., 2005, Water Environment Research, 77(3))Risultati prove a punti
Rateo di trasferimento dell’ossigeno
Il rateo di trasferimento dell’ossigeno, OTR, ossia la quantità di ossigeno trasferita nell’unità di
tempo, è pari a 0.26 kgO2/h/m2 in entrambe le vasche. Il suo andamento segue prevalentemente
quello della portata d’aria. Considerando tutte la superficie delle sette vasche di ossidazione presenti
sull’impianto si ricava una quantità di ossigeno trasferito pari a 25700 kgO2/d. Il rateo di
trasferimento dell’ossigeno, OTR, è stato confrontato con la Richiesta di ossigeno, RO2, del comparto
di ossidazioneRisultati prove a punti
Emissioni dirette di gas-serra
Le emissioni dirette di CO2, molto simili in entrambe le vasche, sono pari rispettivamente a 175 e
173 gCO2/h/m2 per la vasca 5 e 6. L’andamento segue quello della portata d’aria dal momento che le
concentrazioni risultano pressoché uniformi.Risultati prove a punti
Emissioni dirette di gas-serra
Le emissioni dirette di N2O, sono pari rispettivamente a 0.03 e 0.006 gN2O/h/m2 per la vasca 5 e 6.
In entrambe le vasche le emissioni sono molto basse e, a partire dalla terza campagna di misura, le
emissioni si sono notevolmente ridotte rispetto alle prime due.Risultati prove a punti
Emissioni dirette di gas-serra
Le emissioni dirette di CH4, sono pari rispettivamente a 0.07 e 0.09 gCH4/h/m2 per la vasca 5 e 6. In
entrambe le vasche si osserva un andamento decrescente lungo il profilo longitudinale (soprattutto
in vasca 5). Da ciò emerge che il CH4 disciolto in arrivo con l’influente e quello prodotto in denitro, è
rilasciato in atmosfera prevalentemente nella zona iniziale.Risultati prove a punti
Emissioni dirette di gas-serra
• Considerando il Global Warming Potential (GWP) di N2O (298
gCO2,eq/gN2O) e CH4 (25 gCO2,eq/gCH4) su un orizzonte di 100 anni,
le emissioni di CO2 equivalente dalle vasche di ossidazione
risultano pari a ≈ 20000 kgCO2,eq/d di cui il 96% deriva dalla CO2 e
solo il 4% da N2O e CH4.
• Considerando il COD ossidato nelle vasche di ossidazione, M(COD)ox ≈ 19600 kg/d, ricavato a partire dal bilancio
di massa attorno al comparto biologico dell’impianto, si ricava un fattore di emissione per unità di COD ossidato,
EFCOD, pari a 1.0 kgCO2/kgCODox.
• Il Fattore di Emissione di N2O, EFNH4, ossia quantità di protossido di azoto prodotta per unità di azoto
ammoniacale rimosso in nitrificazione, risulta pari a 0.0014 kgN2O/kgN-NH4. Tale valore è piuttosto basso se
confrontato con i valori di letteratura secondo cui fino al 7% dell’azoto ammoniacale influente può essere emesso
sotto forma di N2O nelle vasche di ossidazione (Foley et al., 2010; Kampschreur et al., 2008).Risultati prove a punti
Emissioni indirette di gas-serra
Le emissioni indirette di gas serra del comparto di ossidazione derivano dai consumi energetici delle soffianti per la
insufflazione di aria nelle vasche aerate.
Nel 2019, il consumo energetico giornaliero delle soffianti risulta 9430 kWh. Considerando un fattore di emissione di
CO2 per kWh consumati di 0.446 kgCO2/kWh, le emissioni indirette di CO2 risultano pari a 4206 kgCO2/d, ossia circa
1/5 delle emissioni dirette (20000 kgCO2,eq/d).
DIRECT EMISSION INDIRECT
aerobic EMISSION
respiration aeration
Value t CO2,eq/d 20.0 4.2In sintesi • L’impianto Cuoiodepur lavora a basse portate d’aria per unità di superficie il che consente di raggiungere elevate efficienze di trasferimento dell’ossigeno (αSOTE 28-30%) • Le emissioni dirette prevalgono su quelle indirette (rapporto 5:1) • La CO2 è il gas serra predominante (96% delle emissioni di CO2 equivalente) nell’off-gas delle vasche di ossidazione • Differenze sia nelle emissioni che dell’efficienza di trasferimento dell’ossigeno sono state riscontrate nelle prove stazionarie in giorni feriali e festivi
POR FESR 2014-2020 (Regione Toscana) Sviluppo gli strumenti tecnologici necessari a superare il gap che separa oggi gli impianti di depurazione dai moderni approcci di controllo di processo, introducendo in tal modo le fondamenta per sviluppare i paradigmi dell’Industria 4.0 nel settore del trattamento dei reflui, in particolare l’automazione.
Problematica: La nitrificazione (ossidazione dell’ammoniaca a nitrati) è il processo biologico critico del comparto biologico, è soggetta ad inibizioni che possono pregiudicare la qualità del processo, inoltre la richiesta di ossigeno della sezione è dosata principalmente per far funzionare correttamente a questo processo (limitante). Il progetto: Il progetto i-SWAT ha avuto l’obiettivo di installare un titrimetro differenziale ovvero un innovativo sensore in grado di misurare in modo automatico il rateo di ossidazione dell’ammonio, fornendo una nuova tipologia di informazione che indics l’effettivo stato di avanzamento del processo depurativo. Tale sonda è integrata all’attuale sistema di supervisione dell’impianto. Obiettivi: • Misura dell’inibizione dei nitrificanti in tempo reale (e quindi poter intervenire in caso di problemi); • Controllo del setpoint di ossigeno in vasca (e quindi importante risparmio energetico);
SISTEMA DI POMPAGGIO
Grazie per
l’attenzione
https://www.lesswattproject.eu/it/
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