"Risparmi energetici nel comparto biologico negli impianti di depurazione" - MARCO LEONCAVALLO
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Maggio 2020 “Risparmi energetici nel comparto biologico negli impianti di depurazione” MARCO LEONCAVALLO
Agenda 1. Efficientamento energetico del comparto aerazione Il S.A.E. come metro di valutazione Efficentamento sistemi a bolle fini Soffianti e Turbosoffianti 2. Efficientamento e risparmio energetico nella miscelazione Diametro (velocità) eliche e efficienza Vantaggi generali con Mixer regolabili Miscelazione adattiva, vantaggi 2
Importanza dell’aerazione • Fondamentale per garantire il processo depurativo, la vasca di aerazione e la successiva fase di ultrafiltrazione sono il “cuore” dell’impianto. • Energetica: da sola consuma la maggior parte dell’energia elettrica dell’impianto di depurazione (valido per CAS, maggiormente per BNR, MBR, MBBR) • Solitamente garantisce da sola anche la Miscelazione e l’assenza di depositi in vasca. • Uno dei fattori chiave per evitare problemi sulla Sedimentabilità dei fanghi.
È possibile efficientare e ridurre i consumi?
Parametro per giudicare l’efficienza di un sistema di aerazione:
kgO2 / kWh
I kgO2 forniti dal sistema possono essere riferiti a:
- Condizioni reali (A.O.R.)
- Condizioni standard (S.O.R.)
-I kWh sono quelli assorbiti ai morsetti dal sistema di aerazione (ad es.
da aeratori meccanici, soffianti, ecc)
S.O.R. = Standard Oxygen Requirement
cioè ossigeno fornito in acqua pulita (=1,00; =1,00), al livello del mare
con p=1 atm; T=20 o 10°C; O.D.= 0 mg/l.
I COSTRUTTORI DI AERATORI GARANTISCONO QUESTO VALORE
RIFERITO A UNA METODOLOGIA DI TEST STD
Standard ASTM-ASCE 2-91,
riferito ad acqua pulita a 20 °C, posizionamento sonde a livelli prefissati, prova fino al raggiungimento della max solubilità.
Standard EN 12255-15 (1999)
riferito ad acqua pulita a 10 °C, posizionamento a livelli più vantaggiosi delle sonde, permette la prova fino a una certa % della
max solubilità stimata (più rapido, meno preciso) e ammette tolleranze sui risultati.
Esiste una differenza nei risultati o nei risultati considerati accettabili tra i due standard, tra il 0 % e il 15 %.
Le garanzie secondo ASCE sono mediamente più cautelative (per chi acquista).
S.A.E.= Standard Aeration Efficiency
kgO2 (S.O.R.) / kWh
Kg O2 Standard forniti dal sistema / assorbiti dalla rete
S.A.E. tipici = kgO2 (S.O.R.) / kWh
Fine Bubble (full floor coverage) 4.0 - 6.6 kgO2/kW-h
Fine Bubble (spiral roll) 2.0 - 4.0 kgO2/kW-h
Mechanical Aerators 1.1 - 2.2 kgO2/kW-h
Coarse Bubble 1.3 - 1.9 kgO2/kW-h
Aspirating Aerators 0.5 – 1.2 kgO2/kW-h
Data from ASCE WEF Manual of Practice 8: Design of Municipal Wastewater Treatment Plants .
Ottimizzazioni dei sistemi bolle fini + soffianti
Cosa influenza il S.A.E. Diversi fattori concorrono al risultato di ottenere e di mantenere un elevato S.A.E. : 1. S.O.T.E.% (da cui discende la Quantità di aria Q necessaria per un S.O.R. richiesto) 2. D.W.P. e mantenimento nel tempo delle caratteristiche elastiche delle membrane; H 3. Altre perdite di carico nel sistema (piping, valvole); 4. Tipo di soffianti e loro efficienza nel campo di impiego.
1. SOTE % influenzato da… A. Sommergenza B. Dimensione delle bolle e distribuzione dei fori sulle membrane C. Flussi d’aria specifici sui diffusori D. Alta densità di diffusori in vasca (> AD) E. Disposizione omogenea di AD in vasca F. Membrane di ultima generazione G. Flussi orizzontali organizzati (Vasche a canale) = interazione con mixer.
A. Sommergenza e SOTE %
One Particular Grid Arrangement & Air Flow
70
S.O.T.E. cresce con
60
sommergenza, > Tr
SOTE (%) // Top of Drop Leg Pressure (kPag)
50 SOTE/m non lineare (ma
quasi), in realtà decresce
40
gradualmente al risalire
30 delle bolle:
- parziale consumo del
20
contenuto di ossigeno
10
- diminuzione della pressione
statica.
0
2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5
Water Depth (m) Al contrario dP è lineare.
SOTE Top of Drop Leg Pressure
10B. L’ossigeno trasferito aumenta con l’area
specifica di contatto...
Bolle grosse (6 – 10 mm)
Bolle fini (< 5 mm)
f = 10 mm
Diametro medio f = 1 mm
600 m2/m3 Superficie 6000 m2/m3
Inv. Prop. f2
1.910.828 bolle/m3 Numero di bolle/m3 1.910.828.025 bolle/m3
Inv. Prop. f3
SOTE/m = 2 - 3 % SOTE/m = 4 - 7 %
… ma NON QUANTO L’AREA DI CONTATTO SUGGERISCE, inoltre bolle grosse
producono una maggiore turbolenza in risalita e come risultato il coefficiente di
trasferimento di massa è maggiore per le bolle grosse.C. Dimensioni bolle e flussi specifici SOTE% varia per una stessa tipologia di diffusori in funzione delle portate d’aria alimentate. Se aumenta Qair, aumenta la dimensione delle bolle e con alti flussi aumenta la possibilità di collisione e coalescenza tra le bolle (densità aria in vasca).
D./E. Densità di diffusori sul pavimento vasca, AT/AD Effetto della copertura controbilancia l’effetto di accelerazione delle bolle Riduce la V di risalita Migliora la Oxygen Transfer Efficiency Non conta solo AT/AD o la superficie di diffusione, conta anche uniformità meglio sistemi su più punti (diffusori piccoli) e distanze tra tubi max 1,2 m circa.
2. Efficienza e D.W.P.
(Pressione dinamica di attraversamento membrana)
Il sistema di aerazione lavora insuflando aria ad una
pressione determinata da
A. Sommergenza (FISSA)
B. Perdite di carico nelle
tubazioni/rete/valvole
C. Dynamic Wet Pressure di
attraverso delle membrane
P lavoro: A+B+C [kPA] o [mbar] o [mH2O]
La D.W.P. può essere alta a causa di fori di minori dimensioni e/o per
membrana con minore elasticità o maggiore spessore.Fouling, D.W.P. (e SOTE) nel tempo
Ogni diffusore è soggetto a aumento della D.W.P. nel tempo per:
Perdita di elasticità (allungamento o restringimento permanente)
Fouling interno (filtrazione aria classe G3, G4)
Fouling esterno :
di tipo chimico precipitazioni di sostanze inorganiche o di tipo «A»
di tipo biologico «B» da biomassa umida o secca
misto «C»
A = aumenta DWP e può aumentare anche il SOTE diminuendo l’effettiva dimensione dei pori di uscita;
B = aumenta DWP e diminuisce il SOTE, la biomassa forma porosità secondarie con dimensioni maggiori.
In generale sono più soggetti i diffusori con membrane rigide o semi-rigide
(dischi porosi, piastre), con D.W.P. maggiori già da nuovi, mentre le
membrane elastiche, variando Qd, tendono a pulirsi.Fouling (B) Le bolle prodotte nelle zone ripulite del diffusore sono più fini (Stenstrom 2007)
Per un buon SOTE (%) e una buon DWP
Elevata Area di Diffusione e Basse Qd < DWP
Fori piccoli e membrane poco elastiche
> DWP
La S.A.E. di diffusori con S.O.T.E. % leggermente migliore (std ?)
ma con D.W.P. più elevata può essere peggiore.Il ciclo dell’efficienza Maggiore Superficie diffusione = Minore flusso superficiale Bolle più fini Meno coalescenza Minore accelerazione bolle Maggiore S.O.T.E.% Minore Qair richiesta Minore D.W.P. (e dP…) Maggiore S.A.E. = Minore consumo
Quindi… 19
3. La scelta va continuata con... • piping adeguato (ridurre le perdite di carico) • sistemi di controllo aria
Controllo aerazione - storia
• PASSATO: varie tipologie di controllo, spesso solo rimozione carbonio
Tempo Nessun riferimento alla reale richiesta
Ossigeno Riflesso indiretto e parziale delle condizioni dell’ambiente biologico
Redox Spesso portano a sovra o sotto aerazione con consumi / rischi
• OGGI: controllo diretto delle forme azotate
Ammoniaca Chiaro riferimento alla reale richiesta
Nitrati Riflesso diretto delle condizioni dell’ambiente biologico
Minimizza la fornitura d’aria
• Nuovi sensori ed analizzatori on-line (elettrochimici, chimici, ottici)
Più economici
Manutenzione semplificata
Autodiagnostica
Robusti
Precisione abbastanza accurata e
affidabile per controllo di processo
(calibrazione periodica necessaria
per problemi di lenta deriva)
21Controllo, con aerazione “debole”
AOR (Csat20)
SOR =
Pfield
CsatT) O.D. T-20
Pmsl
Minori conc. di DO: maggior quantitativo Conc. di NH4 più alte: minor quantitativo
Di O2 trasferito per alto gradiente Di O2 necessario alla biomassa
(legge di Fick)
Diminuzione
SOR / AOR
SOR
DO tank (mg/L) N-NH4out (mg/L)
224. La scelta va terminata con... Soffianti adeguate ed efficienti nel campo di portata/pressione richiesto
Soffianti e portate d’aria
Attenzione al dato di portata dichiarato!
L’aria che a noi serve è l’aria fornita (FAD = portata resa alla flangia di
mandata del compressore riespansa alle condizioni di aspirazione).
Generalmente solo i costruttori di soffianti centrifughe ad alta efficienza o
a vite vi daranno questo valore.
I costruttori di soffianti a lobi forniscono spesso i dati come aria aspirata,
I dati di portata d’aria si basano su calcoli teorici essendo l’aria aspirata difficile
da misurare.
Con pressioni basse (3 m circa) e soffianti a lobi nuove la differenza è tra i due
dati non è marcata, ma già con pressioni di 5 m diventa evidente ed è necessario
declassare il dato di aria aspirata vs. fornita.
?
=
24Soffianti e portate d’aria
?
=
25Soffianti e kW
Attenzione al dato di portata dichiarato!
Alcuni costruttori di soffianti spesso forniscono il dato di potenza
all’asse della soffiante, questo non tiene in conto:
le perdite nelle trasmissioni-pulegge-cinghie, riduttori (ca 2 - 5 %)
le ventole di raffreddamento ed estrazione, pompe-olio, ventole
raffreddamento olio, pompe circuiti di raffreddamento, etc.
(generalmente da qualche decimo di kW a un kW)
le perdite nel VFD ( = 95 - 97 %)
le perdite nel motore (motore a induzione, 90 kW: = 95 %, ma
varia molto secondo il carico applicato)
Pretendete la “PACKAGE POWER”:
Potenza dell’unità completa misurata ai morsetti, inclusi ev. inverter,
pompe, ventilatori, …
?
=
26Motori soffianti e Turbosoffianti
Differenze tra motori tradizionali asincroni a induzione std e ad alta efficienza e PMSM
(Permanent Magnet Synchronous Motor) ad altissima efficienza, di tecnologia superiore, compatti,
leggeri e adatti a inverter e modulazione dei carichi.
PMSM sono generalmente direttamente connessi a giranti ad alta velocità in
Turbosoffianti: zero attriti, zero riduttore, zero manutenzione.
La capacità di raffreddare il motore
influenza l’output e la durata dello stesso.
Sistema ad aria patentato su soffianti
Sanitaire - Turbomax Efficienza PMSM a pieno carico è la migliore,
ma ancora più a carico parziale.
27Soffianti e kW
Q
ASPIRATA
kW ASSE
€ bolletta!
PACKAGE
POWER
FAD
?
=
28Efficienza, paragonando mele con mele • Le Turbosoffianti sono decisamente più efficienti di soffianti a lobi (fino a un 30%, o più se usate). • Le Turbosoffianti sono spesso paragonabili, le differenze sono minime molto dipende dal punto di lavoro della singola macchina scelta. • Le Turbosoffianti con riduttori, non lievitanti hanno generalmente ottima efficienza fisica di compressione, ma accusano minore efficienza meccanica, di trasmissione ed elettrica sul motore (di solito IE3 ma non PMSM per cui < effcienza con VFD). Inoltre sono più sensibili a cambiamenti di pressione. Più adatte a portate enormi (> 10000 Nm3/h). Sanitaire - TurboMAX con cuscinetti ad aria e motore sincrono PMSM
Sanitaire - TurboMAX caratteristiche & benefici • Molto efficiente – motore sincrono PMSM, ad alta velocità, con controllo accurato dellla stessa: VFD Vacon + PLC Siemens, HMI touch screen a colori. • Zero perdite di Potenza per trasmissione o sui cuscinetti girante direttamente accoppiata sull’albero motore, zero attriti, zero consumi • Manutenzione ridotta all’osso grazie ai cuscinetti ad aria di ultima generazione, senza attriti. • Silenziosa, pulita e ecologica – Rumorosità ridotta, nessuna pulsazione e nessuna vibrazione, oil free. • Service veloce e conveniente – design modulare e ingombro ridotto, facili punti di accesso, sicuro isolamento durante l’ispezione – sezionatore di sicurezza bloccabile. • Semplice Installazione plug & play – Misure compatte e pesi ridotti, niente gru, basamenti, tiranti di ancoraggio o procedure di allineamento; soffianti testate e pronte all’uso • Una vera misura di portata in tempo reale venturi-type flow-meter alla bocca di aspirazione con precisione +/- 3%; riduce necessità di aggiungere costosi misuratori. 30
Agenda 1. Efficientamento energetico del comparto aerazione Il S.A.E. come metro di valutazione Efficentamento sistemi a bolle fini Soffianti e Turbosoffianti 1. Efficientamento e risparmio energetico nella miscelazione Efficienza in miscelazione, cosa la influenza Mixer Adattivi, vantaggi e valori Miscelazione adattiva, esempi 31
Energia per la miscelazione
«La miscelazione consuma tra il 5% e il 20%
del fabbisogno totale di un depuratore»
(Fureder et al. 2017)
32(Fureder et al. 2017) 33
Introduzione: efficienza e performance mixer, la Spinta (N)
Titolo ?
F = Spinta (N)
D = resistenza (D)
Equilibrio quando : F = D
Che si realizza con una velocità media
del bulk flow in vasca = U
F = k ArU2
k = fattore di Perdita della vasca U
A = area bulk flow
r = densità del liquid0 (kg/m3)
U = velocità media del bulk flow (m/s)
t
35Introduzione:
efficienza e performance mixer, la Spinta (N)
Isaac Newton
1642 - 1727
Standard Internazionale per la misura di :
Spinta F (N)
Consumo elettrico P (W)
R = F/P (N/W) = efficienza del mixerMixer performance: standard ISO 21630:2007
Shop test della spinta in vasca apposita Test della spinta in ambiente aperto (lago)
(1992), secondo ISO 21630. secondo ISO 21630 per mixer con
grandi pale.
37Cosa influenza l’efficienza di un mixer Efficienza idraulica, a sua volta dovuta a diversi fattori: • Diametro elica • Velocità elica (collegato al precedente) • Idraulica, forma e no. delle pale • Presenza di anelli convogliatori (diametri medio-piccoli) Efficienza elettrica del motore Efficienza meccanica (riduttori se presenti, cuscinetti ecc.) 38
Diametro (velocità) e R = N/W
1,60
Efficienza R = N/W vs Diametro eliche (mm)
1,40
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600Velocità (a Diam. fisso) e R = N/W
R = N/kW vs velocità rpm (diam. 770 mm)
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
0 50 100 150 200 250 300 350N / kW = efficienza 41
Eliche: non solo efficienza
• Il design è sempre un compromesso tra Efficienza e
Inintasabilità (filacci)
• Doppia curvatura “back-swept”
• Profilo preferibilmente curvo, senza
pieghe
42Anello convogliatore (su mixer compatti)
• Limita gli afflussi laterali (…lavandino)
• Dirige e forza il flusso, + longitudinale
• Aumenta effcienza N/kW di circa un 10% o più se J ben
progettato come raggi di curvatura
• Migliore raffreddamento motore (flussi viscosi)
• No con filacci
43Spinta per modelli, inclinazione pale, riduttori
Mixer compatti tradizionali Mixer solitamente più grandi, con
Variando inclinazione pale su ogiva riduttore
si ottengono spinte e consumi Variando i rapporti di riduzione dei
diversi riduttori si varia a gradini la velocità e la
spinta
44Motori 1. Motori asincroni con diverse polarità (velocità) 2. Motori LSPM circa 10% minore consumo 3. Motori PMSM circa 15% minore consumo, necessita inverter, ok per regolazione (curva piatta) 2 e 3 non hanno perdite per calore da corrente indotta ed hanno cos(fi) migliori. Il 3 richiede VFD ma è adatto a variazioni in quanto l’efficienza motore è una curva ”piatta” al variare del carico... 45
Paragone efficienza motori asincroni e PMSM 46
E’ sufficiente scegliere correttamente il mixer ?
E’ importante, ma non sufficiente.
Anche il POSIZIONAMENTO è molto importante per il risultato finale.
Bulk flow
47ISO 21630:2007 – efficienza e tipi di mixer
Tipo ~ Range Spinta nominale ~ Efficienza Mixer
4320 AD
0 - 5,180N 600 - 1,551 N/kW
Series
4400
300 - 4,500N 700 - 1024 N/kW
Series
4200 AD
0 - 2470 N 300 - 760 N/kW
Series
4600
100 - 7,000 N 176 - 330 N/kW
Series
Jet
460 - 5,250N 80 - 150 N/kW
mixersMixers Sommergibili Flygt
Mixers a velocità fissa Mixers Adattivi
4200 AD
4600 Compatti Compatti
4400, 4530 4320 AD
Riduttore RiduttoreAdattarsi alle esigenze
Flygt 4200 AD
Perfetto per vasche di ogni
dimensione, livelli variabili
Flygt 4320
Insuperabile per vasche
di medio-grande dimensione
Mixer “Ready” per industria 4.0Dirigo™ Flygt’s Integrated Drive Platform
Sistema Controllo motore Integrato + Motore ad alta efficienza PMSM (IE4 eq.)
Pompe Pompe
Dewatering Wastewater Mixers Adattivi Idrovore PP Adattivi
(Concertor)I valori di un Mixer Adattivo
4320 AD in breve: Premium Efficiency mixer Mixer a 2 o 3 pale di grandi dimensioni (1400 – 2000 – 2500 mm) Motori 1,1 – 1,5 – 2,2 – 3,0 – 4,0 e 5,5 kW Installazione su tripode o (solo 1400 mm) su tubo guida 100x100) Consumi ridotti da metà a meno di un quarto Spinta regolabile per risparmi addizionali Più affidabile con protezioni intrinseche, FLS standard Cos fi elevati Nessun picco di potenza, Soft start & stop 53
4220 AD e 4230 AD in breve
Slitta intercambiabile Elica ad alta
50x50, 60x60, efficienza,
80x80,100x50 ottimizzata pe
100x100 inclinazione e
diametro
Zona VFD Motore PMSM
Flygt Dirigo™ drive unit
Mixer Compatto 4220 AD Mixer Compatto 4230 AD
Motori 1,1 – 1,5 e 2,2 kW Motori 2,2 – 3,0 – 4,0 – 5,5 e 7,3 kW
Elica ottimizzata 580 mm Elica ottimizzata 770 mm
Facile da installare su retrofit Facile da installare su retrofit
Risparmi +50% sui consumi
Spinta regolabile per risparmi addizionali
Più affidabile con protezioni intrinseche, FLS standard
Cos fi elevati
Nessun picco di potenza, soft start & soft stopFin qui i mixer AD sono più efficienti per…
Sum alarm Eliche (più) grandi
Inclinazione palare migliore possibile (4200)
T1,T2 Motore IE4 eq.
Cos fi elevati
Power
Settaggio Spinta migliore, ”fine tuning”
... ma è possibile risparmiare ancora di più...
Flygt 4320 Flygt 4200
55Componenti del sistema
or
Sum alarm
Panel HMI Touch HMI
T1,T2
T3,T4
Power
Web HMI
Gateway
FPG415
4-20 mA & relè
Modbus RTU/TCP
Flygt 4320 Flygt 4200
56Adaptive Mixing – Regolazioni occasionali Una regolazione occasionale della Spinta può essere usata per: Fine-tuning iniziale (installazione, imprevisti) Fine-tuning su situazione locale (Qin o Qricircolo vantaggiosi o contrastanti) Adattarsi a variazioni di processo (es. by-pass primario, miglioramento pretrattamenti) Adattarsi a variazioni stagionali (es. sabbie e trasporto solido, flussi Qin) Risospensione energica dei sedimenti (boost mixing) Movimentazione schiume stagionali Compensare lo stop di un mixer se ne ho 2 o +
Adaptive Mixing – Regolazioni continue Una regolazione continua della Spinta può essere usata per compensare: Cambiamenti di portata d’aria in vasche a canale Differenti livelli di liquido in vasca, vasche di accumulo / equalizz. Regolazioni continue a fasi in vasche anossiche, anche basate sul cambiamento dei flussi entranti in vasca 58
Regolazione continua, vasche a canale
Air load Bulk Aeration Required Required
(%) velocity loss mixer mixer Cambia
(m/s) factor (-) thrust (N) power in
(kW)
Q Aerazione
0 0.25 0.15 5411 5.36
50 0.27 1.41 9621 11.61
Cambia
75 0.34 1.36 13342 22.45
Spinta richiesta
100 0.36 1.34 16751 26.53
Setpoint speed control Air sensor control
Per aerazione on-off Per aerazione a Q variabile
Propeller
Digital input
speed
0 (open) Speed A
1 (closed) Speed BRegolazione continua - Vasche di ritenzione
Funzione dei mixer:
Evitare sedimenti e perdita di volume;
Omogeneizzare prima del pompaggio;
Operare a livello variabile.
I mixer adattivi si adattano al livello /
volume da miscelare, funzionando più a
lungo durante lo svuotamento, riducendo
velocità per evitare la cavitazione.
6
5
Curva N(o rpm)/Hw
4
3
2
1
0
0 500 1000 1500 2000
60Regolazione continua - Zone anossiche
• Il Bulk-flow (la miscelazione) deve essere predominante su Qin
• Su vasche con HRT adeguata è spesso possibile operare a fasi, variare Vmedia del Bulk-
Flow senza ripercussioni sul processo con risparmi energetici > 30%
La velocità di sedimentaz. Solido32-Sedimentation(15) Solido32-Resuspension(30)
3000 3000
del fango biologico è
Solids (mg/l)
2000 2000
lenta mentre la
Solids mg/l)
risospensione dello 1000 1000
stesso con i mixer è 0 0
0,00 50,00 100,00 150,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00
rapida. -1000 -1000BACKUP SLIDE 63
Per orientarsi : 64
Evitare corto circuiti
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