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PHYSIS- Ingegneria per lAmbiente srl Via B.Lupi 1, Firenze Tel: 055.484206 Workshop INNOVAZIONE TECNOLOGICA NELLA DEPURAZIONE DELLE ACQUE: BEST PRACTICES.

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1 PHYSIS- Ingegneria per lAmbiente srl Via B.Lupi 1, Firenze Tel: Workshop INNOVAZIONE TECNOLOGICA NELLA DEPURAZIONE DELLE ACQUE: BEST PRACTICES EUROPEE Festival dellAcqua, L Aquila 10 Ottobre 2013 Ing. Alice Balducci PHYSIS srl Ing. Riccardo Gori Università di Firenze Ing. Cecilia Caretti Università di Firenze

2 Partner del progetto : BANDO PER IL FINANZIAMENTO DI PROGETTI DI RICERCA FINALIZZATI AD INTERVENTI DI EFFICIENZA ENERGETICA E ALLUTILIZZO DI FONTI DI ENERGIA RINNOVABILE IN AREE URBANE Responsabile del progetto : Finanziatore del progetto :

3 -Una città di abitanti consuma per la depurazione dei suoi reflui circa 5000 MWh/anno Tali impianti costituiscono un elemento strutturalmente collegato alle aree urbanizzate - Le acque reflue sono solitamente trattate in impianti di depurazione di tipo biologico aerobico. trasferimento dellossigeno - Il consumo energetico principale è quello per il trasferimento dellossigeno (45-75%) per i processi aerobici di ossidazione (Stenstrom et al., 2008) La ricerca ha avuto come obiettivo: realizzare un sistema per il controllo dellefficienza del trasferimento dellossigeno in condizioni operative al fine di garantire il massimo stato di efficienza del sistema. La ricerca ha avuto come obiettivo: realizzare un sistema per il controllo dellefficienza del trasferimento dellossigeno in condizioni operative al fine di garantire il massimo stato di efficienza del sistema.

4 metodo off-gas Il metodo off-gas è una tecnica per monitorare lefficienza dei sistemi di aerazione ad aria diffusa in condizioni di processo (Redmon et al., 1983). Bilancio di massa in fase gassosa Ossigeno privato al gas = ossigeno trasferito al liquido

5 5. Analizzatore off-gas 1. Sistema di raccolta off-gas 2. Tubo di collegamento 3. Sonda LDO4. Ossimetro STRUMENTAZIONE

6 -Contenuto di ossigeno nel flussi di gas (off-gas, Reference) -Portata di off-gas ANALIZZATORE OFF-GAS ( frequenza acquisizioni 50 ms ) -Concentrazione di ossigeno disciolto nella miscela aerata -Temperatura liquame -Temperatura aria ambiente -Pressione atmosferica PARAMETRI MISURATI:

7 PARAMETRI CALCOLATI: efficienza di trasferimento in condizioni di processo (OTE, %): C s,20 : concentrazione di saturazione in vasca a 20° C s,pwT : concentrazione di saturazione in condizioni di processo β = 1- (0.01 TDS)/1000 α = αSOTE/SOTE efficienza di trasferimento in condizioni standard (αSOTE, %): fattore α: rateo di trasferimento dellossigeno (OTR, Kg0 2 /h):

8 TIPOLOGIE DI INDAGINE: I.Prova di tipo puntuale su più zone della superficie della vasca di ossidazione. - I valori di efficienza di trasferimento sono riferiti ad una determinata condizione di carico e di esercizio. Prova ripetuta su più punti della vasca. - le prove sono effettuate seguendo le linee guida pubblicate dallASCE inStandard Guidelines for In-Process Oxygen Transfer ( 1996 ) - durata della prove 2/3 ore per vasca di ossidazione II.Prova dinamiche in un punto della vasca di ossidazione. - I valori di efficienza di trasferimento sono riferiti ad un intervallo temporale ampio in cui si registrano condizioni di esercizio variabili. - le prove durano di solito 24 ore

9 Migliorare la conoscenza del sistema di distribuzione dellaria nel suo complesso 1. Migliorare la conoscenza del sistema di distribuzione dellaria nel suo complesso - misurare la portata daria fornita alle vasche - valutare lomogeneità di distribuzione della portata daria allinterno della vasca - valutare leffetto delle valvole di parzializzazione disposte sulle tubazioni di distribuzione dellaria.. Stimare lefficienza di trasferimento dellossigeno 2. Stimare lefficienza di trasferimento dellossigeno - ricavare il valore di αSOTE e stimare il fattore α da confrontare con i dati di progetto. 3. Stimare le emissioni di gas serra - misurare le emissioni di N 2 O, CH 4, CO 2 - Valutare le emissioni indirette di gas serra (kgCO 2 /KWh)

10 Valido supporto in fase di progettazione di un nuovo sistema di aerazione 4. Valido supporto in fase di progettazione di un nuovo sistema di aerazione -effettuare una serie di test per verificare lefficienza di trasferimento dellossigeno di più diffusori nelleffettive condizioni di processo. -monitorare landamento della perdita di efficienza degli stessi nelle condizioni di processo.

11 Quantificare la perdita di efficienza dovuta allo sporcamento dei diffusori 5. Quantificare la perdita di efficienza dovuta allo sporcamento dei diffusori eseguendo una serie di test nel tempo, sotto le stesse condizioni operative (SRT, SSV, soffiante, etc..), è possibile monitorare landamento dellefficienza di trasferimento dellossigeno nel tempo quantificare laumento dei costi legati alla perdita di efficienza pianificare gli interventi di pulizia sui diffusori Valutare lefficacia degli interventi di pulizia dei diffusori 6. Valutare lefficacia degli interventi di pulizia dei diffusori - quantificare il recupero di efficienza a seguito di un lavaggio dei diffusori guadagno economico dovuto al recupero di efficienza -confrontare diversi metodi di pulizia dei diffusori per trovare quello più vantaggioso in termini economici Quantificare il risparmio legato ad unefficiente gestione della portata daria 7. Quantificare il risparmio legato ad unefficiente gestione della portata daria quantificare il risparmio energetico legato ad una migliore gestione della portata daria immessa in funzione della concentrazione di DO nelle vasche di processo e/o NH 4 nelleffluente

12 1. VALUTARE LO SPORCAMENTO DEL SISTEMA DI AERAZIONE: Su uno stesso impianto sono stati effettuati 4 test : Fra il primo e il secondo test è stata sostituita la soffiante con una di potenzialità minore -Giugno 2010: subito dopo linstallazione del nuovo sistema di aerazione -Maggio 2012: dopo due anni dallistallazione del nuovo sistema di diffusori durante i quali non è stata effettuata alcuna operazione di pulizia - Luglio 2012: subito dopo la pulizia dei diffusori con acido peracetico - Gennaio 2013: dopo sei mesi di funzionamento dallultima pulizia dei diffusori

13 1. VALUTARE LO SPORCAMENTO DEL SISTEMA DI AERAZIONE: Dopo due anni di funzionamento si è verificato un dimezzamento dellefficienza di trasferimento dellossigeno. sporcamento dei diffusori la riduzione è stata attribuita ad un progressivo sporcamento dei diffusori pulizia dei diffusori E stata effettuata una pulizia dei diffusori mediante liniezione di acido peracetico nelle condotte di mandata dellaria. i diffusori NON sono stati estratti dalla vasca e la vasca non è stata svuotata CAMBIO DI GESTIONE OPERATIVA UTILIZZO SOFFIANTE DI POTENZIALITA MINORE

14 1. VALUTARE LO SPORCAMENTO DEL SISTEMA DI AERAZIONE: Dopo la pulizia dei diffusori è stato riscontrato un netto miglioramento dell efficienza di trasferimento normalizzata. effettivamente dovuta allo sporcamento - La perdita di efficienza del sistema era effettivamente dovuta allo sporcamento dei diffusori 60%. - la pulizia ha prodotto un incremento dellefficienza di trasferimento del 60%.

15 1. VALUTARE LO SPORCAMENTO DEL SISTEMA DI AERAZIONE: Test αSOTE (%) Q aria necessaria* (Nm 3 /h) Consumo energetico (kWh/year) kWh COD rem Costo aerazione (/years) COD rem Giugno Maggio Luglio Gennaio * Portata daria necessaria a garantire un SOTR=26kgO 2 /h assumendo 0.55 come α-value aumento dei costi - Un dimezzamento del valore di αSOTE si traduce in un aumento dei costi di gestione di circa 4500/anno per un impianto da 3500 a.e. 10kWh/a.e. anno - Lintervento di pulizia sui diffusori permette di riportare i consumi energetici ai valori iniziali, approssimativamente di 10kWh/a.e. anno riduzione di emissioni di 11.4 tCO 2 /anno - Assumendo un valore di emissione specifico (IEA,2012) di 0.406kgCO 2 /kWh, al risparmio energetico dovuto alla pulizia corrisponde una riduzione di emissioni di 11.4 tCO 2 /anno e 3.25 KgCO 2 /a.e. anno

16 2. CONFRONTO FRA DIFFUSORI NUOVI E USATI: Lo stesso impianto è dotato di quattro vasche di ossidazione in parallelo: -due con diffusori usati installati nel 2005; - due con diffusori nuovi installati un mese prima della prova. NUOVI USATI Per ciascuna vasca sono stati effettuati: - 2 test secondo la Modalità I; -1 test secondo la Modalità II, arco temporale di riferimento 16h

17 2. CONFRONTO FRA DIFFUSORI NUOVI E USATI: Dai risultati delle prove svolte sulla vasca con i diffusori usati, è emerso: Conoscendo lαSOTE dei diffusori nuovi è stato possibile ricalcolare, a parità di OTR, gli stessi parametri. La sostituzione dei diffusori permette, per ciascuna vasca, di: 60% dellaria fornita - Risparmiare circa il 60% dellaria fornita 50% i consumi energetici - Ridurre di oltre il 50% i consumi energetici legati allaerazione ,00 - Diminuire di circa ,00 i costi annui dovuti al sistema di aerazione

18 3. GESTIONE OTTIMALE DELLA PORTATA DARIA: Estato testato più volte uno stesso impianto: PRIMO TEST: gestione della portata daria in modo proporzionale alla concentrazione di ossigeno disciolto in vasca SECONDO TEST: gestione della portata daria in funzione della concentrazione di N-NH 4 in uscita dalla vasca di ossidazione

19 3. GESTIONE OTTIMALE DELLA PORTATA DARIA: CONTROLLO PORTATA ARIA SU DO OTE 22-30% CONTROLLO PORTATA ARIA SU NH 4 OTE 24-35% - Il controllore sullNH 4 permette di limitare le fluttuazioni della portata daria e di mantenere per la maggior parte del tempo un valore prossimo a quello minimo miglioramento in termini di efficienza di trasferimento - E stato inoltre osservato che il controllore sull NH 4 permette di mantenere in vasca, a parità di efficienza depurativa, livelli di ossigeno disciolto molto più bassi

20 3. GESTIONE OTTIMALE DELLA PORTATA DARIA: DOAE Il cambio di gestione della portata daria ha provocato una netto aumento dellaeration efficiency: Per limpianto considerato, un aumento del 10% nellOTE in media allanno corrisponde ad un risparmio di circa 500MWh/anno

21 La strumentazione e il protocollo di misura messi a punto durante il progetto AERE si sono dimostrati versatili ed utilizzabili su impianti di tutte le taglie. Il sistema di misura consente: - conoscenza più approfondita del sistema di distribuzione dellaria nel suo complesso; -un significativo risparmio energetico ed economico legato ad una migliore e più consapevole gestione del processo di aerazione; -di acquisire di informazioni utili per effettuare investimenti sul sistema di aerazione (sostituzione dei diffusori o pulizia); - di individuare il legame tra portata daria ed efficienza di trasferimento dellossigeno, utile nei casi di controllo avanzato del sistema di aerazione. Lesecuzione delle misure non preclude il normale funzionamento dellimpianto, possono quindi essere previste prove periodiche senza mettere a rischio lefficienza dellimpianto.

22 PHYSIS- Ingegneria per lAmbiente srl Via B.Lupi 1, Firenze Tel: Ing. Alice Balducci PHYSIS srl Workshop INNOVAZIONE TECNOLOGICA NELLA DEPURAZIONE DELLE ACQUE: BEST PRACTICES EUROPEE Festival dellAcqua, L Aquila 10 Ottobre 2013 Ing. Riccardo Gori Università di Firenze Ing. Cecilia Caretti Università di Firenze


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