Soluzioni Innovative per il Telecontrollo degli Impianti di Depurazione delle acque reflue Ing. Paolo Ratini Ing. Nicola Fiocchi

Monitoraggio e Controllo di impianti di depurazione La riduzione dell’inquinamento generato dalla rete diffusa di scarichi civili ed industriali rappresenta uno degli obiettivi principali delle politiche di salvaguardia dell’ambiente e conservazione del territorio. Le acque reflue hanno un importante impatto ambientale in Italia ed in generale in Europa. La maggior parte di questi scarichi vengono trattati da impianti di dimensioni medio piccole e rappresentano una fonte più che potenziale di inquinamento.

Monitoraggio e Controllo di impianti di depurazione Gli obiettivi principali sono: fornire un insieme di strumenti per rendere possibile il monitoraggio e il controllo locale e remoto di un impianto di depurazione, anche attraverso l’utilizzo della rete Internet realizzare un sistema dedicato alle piccole e medie imprese e quindi caratterizzato da bassi costi, facile installazione (plug and play) e gestione d’uso ridurre i costi di depurazione attraverso la riduzione degli investimenti iniziali, dei costi di manutenzione e di esercizio.

Monitoraggio e Controllo di impianti di depurazione Si propone un insieme di strumenti dedicati al monitoraggio e al controllo di impianti per la depurazione delle acque reflue integrati in un sistema modulare e scalabile customizzabile sulle esigenze degli impianti di dimensioni medie e piccole capace di migliorare la qualità dei processi di depurazione e ridurne i costi di trattamento Finalità Migliorare l’affidabilità del processo di depurazione e del suo impatto sul sistema territorio e sul bacino idrico di riferimento.

Monitoraggio e Controllo di impianti di depurazione Aumentare la qualità nella gestione dell’impianto di depurazione Il sistema di telecontrollo garantisce il funzionamento ottimale del processo di depurazione, Il sistema di supervisione genera avvisi ed allarmi in caso di guasti o malfunzionamenti. Il sistema perciò, nel suo complesso, supporta procedure integrate che accrescono l’affidabilità dei processi. Ottimizzazione rapporto costi/prestazioni Monitoraggio e telecontrollo in tempo reale di un impianto di depurazione consentono di gestire in maniera più efficiente ed economica sia la manutenzione ordinaria che gli interventi di emergenza in caso di guasti e malfunzionamenti e di intervenire in maniera tempestiva per avere sempre la migliore resa in termini di qualità della depurazione

Monitoraggio e Controllo di impianti di depurazione Garantire uno strumento di gestione del sistema di depurazione adatto alle esigenze degli impianti di dimensioni medie e piccole, caratterizzato da: bassi costi installazione plug and play Il sistema è progettato per limitare al minimo indispensabile l’intervento di operatori esperti sia nella fase di installazione che durante il normale funzionamento e consentire un facile utilizzo anche da parte di personale non esperto

Monitoraggio e Controllo di impianti di depurazione Garantire uno strumento di gestione del sistema di depurazione adatto alle esigenze degli impianti di dimensioni medie e piccole, caratterizzato da: scalarità e modularità per l’applicazione ad una vasta tipologia di impianti e per update progressivi Flessibilità il sistema è pensato per un utilizzo sia su impianti nuovi, che per l’ottimizzazione di impianti già esistenti dove e possibile realizzare l’update dell’impiantistica già disponibile attraverso l’applicazione dei dispositivi elettronici appositamente sviluppati Modularità il sistema può essere configurato sulla base delle specifiche esigenze dell’utilizzatore (numero e tipo di sonde e attuatori presenti sull’impianto) e può svilupparsi per successive implementazioni (si può accrescere il numero e il tipo di sonde e attuatori presenti sull’impianto, così come possono essere modificati gli algoritmi implementati)

Monitoraggio e Controllo di impianti di depurazione Garantire uno strumento di gestione del sistema di depurazione adatto alle esigenze degli impianti di dimensioni medie e piccole, caratterizzato da: piena implementazione delle potenzialità di telecontrollo mediante l’utilizzo della rete Internet Introdurre, attraverso l’utilizzo del telecontrollo, basato sull’uso della rete Internet, gli strumenti atti a prefigurare la realizzazione di una infrastruttura a rete per il monitoraggio degli impianti di depurazione.

La Piattaforma Elettronica Digitale PLT_line Il sistema è costituito da Unità di Monitoraggio e Controllo Locale da dislocarsi a bordo dell’impianto e dedicata all’acquisizione di segnali in punti di misura dislocati in zone diverse dell’impianto stesso e all’applicazione dei comandi e dei controlli alle macchine elettriche presenti sull’impianto Unità Centrale (o Centro di Controllo Remoto), identificabile con una macchina server. La modularità del sistema consente in qualsiasi momento l’espansione del numero e del tipo di segnali acquisiti e di macchine elettriche controllate.

La Piattaforma Elettronica Digitale PLT_line Unità Centrale

La Piattaforma Elettronica Digitale PLT_line L’Unità di Monitoraggio e Controllo Locale è realizzata utilizzando tre dispositivi: Il Modulo Analogico Il Modulo I/O Il Modulo Display I moduli vengono montati su guide barra DIN e possono essere alloggiati insieme ai componenti del quadro elettrico all’interno di una cassetta o di un armadio con grado di protezione adeguato all’applicazione .

La Piattaforma Elettronica Digitale PLT_line

La Piattaforma Elettronica Digitale PLT_line Modulo Analogico (acquisizione segnali) Interfaccia analogica multicanale disponibile sul modulo: dotata di isolamento galvanico stadio separatore ad alta impedenza per ogni canale risoluzione di 24bit +/- 1LSB con velocità di acquisizione fino ad 1Ksample. Modulo I/O attuazione dei comandi gestione delle macchine elettriche (più in generale) ogni singolo modulo rende disponibili 8 ingressi e 8 uscite digitali più 4 ingressi e 4 uscite analogiche. Modulo Display interfaccia a tastiera e display per eseguire operazioni di configurazione e calibrazione dei canali analogici per l’acquisizione dei segnali visualizzazione dei valori misurati e di fault e allarmi. Tale modulo può essere applicato alla portella del quadro elettrico.

La Piattaforma Elettronica Digitale PLT_line Modulo Master: ospita a bordo le applicazioni software per la gestione locale dell’Unità di Monitoraggio e Controllo Locale, l’acquisizione dei dati e la loro archiviazione su database relazionale implementato in tecnologia MySQL. Dotazione modulo: 128Mb di memoria RAM Hard Disk da 40Gb sistema operativo Linux Embedded e Web Server, Il modulo Master può essere collocato all’interno dello stesso quadro elettrico con il resto dei moduli in altra ubicazione

La Piattaforma Elettronica Digitale PLT_line Collegando il Modulo Master mediante il link Ethernet ad una rete LAN o utilizzando una linea telefonica cablata o mobile sarà possibile connettersi al modulo stesso – anche da una postazione delocalizzata rispetto all’impianto - mediante uno qualsiasi dei più comuni browser Internet (Internet Explorer, Mozzilla, etc.) per accedere ad un’interfaccia operatore, realizzata mediante interfacce grafiche. In questo modo sarà possibile interagire in modo diretto e in tempo reale con il sistema per effettuare le operazioni normalmente implementate mediante l’utilizzo di un PC e di un software SCADA: riconfigurazione del sistema e/o dei parametri di acquisizione; rappresentazione del quadro sinottico dell’impianto; rappresentazione grafica o in forma tabellare di uno storico dei dati acquisiti; export in formato testo o excel dello storico dei dati acquisiti mediante filtri sugli intervalli di tempo e/o segnale.

La Piattaforma Elettronica Digitale PLT_line

La Piattaforma Elettronica Digitale PLT_line L’Unità Centrale è una postazione di telecontrollo e supervisione costituita da una macchina Server, capace di gestire una rete di installazioni del sistema su diversi impianti. L’Unità di Monitoraggio e Controllo Locale invia, a intervalli regolari programmabili dall’utente, i dati contenuti nel database locale al database remoto residente sulla macchina server dell’Unità Centrale. Il trasferimento verrà effettuato utilizzando una rete LAN o un modem GSM/GPRS o una linea telefonica commutata – ove disponibile – collegata al modulo MASTER. Mediante l’utilizzo del Web Server Apache, di software appositamente sviluppato con tecnologia php e residente sulla macchina server dell’Unità Centrale, l’informazione contenuta nel database remoto è resa accessibile attraverso la rete Internet utilizzando un qualunque browser commerciale, sia in ambiente Windows che Open Source (Internet Explorer, Mozzilla ecc.).

La Piattaforma Elettronica Digitale PLT_line

Monitoraggio di reattori MBR Segnali da acquisire tipici dei processi biologici a fanghi attivi: DO, pH, redox, QIN ecc.. SST in vasca di ossidazione Segnali da acquisire tipici dei processi MBR (oltre i precedenti): TMP (pressione trans-membrana) DO (per limitare fouling membrane) sensore di livello in vasca per attivare/disattivare pompe estrazione permeato

Alcune delle più comuni configurazioni impiantistiche MBR con membrane immerse MBR con membrane esterne

Esempio di MBR a membrane sommerse

Layout dei sensori e degli attuatori principali per impianto MBR a membrane immerse Esempi delle interazioni possibili tra segnali acquisiti e attuatori Pompa di estrazione del permeato Livello in vasca Pompa carico DO TMP Arrivo liquame Vasca equalizzazione Soffianti

Automazione di impianto MBR Automazione di “basso livello” DO in vasca a set-point Valore soglia parametro TMP (valore fornito dal costruttore modulo a membrana) per azionamento controlavaggio o relaxation Flusso di aspirazione membrana Controllo età del fango con utilizzo sensori per SST in vasca (necessario sensore SST) Automazione di “alto livello” Interpretazione andamento TMP (previo filtraggio segnale) per gestione adattativa delle fasi di controlavaggio/relaxation correlazione TMP con parametri quali DO, QIN, SST per: Ottimizzazione cicli di controlavaggio o relaxation Minimizzazione consumi energetici

Automazione specifica per impianto MBR: controllo del fouling in sistemi MBR sommersi Strategie in uso (Judd, 2005) riduzione dell’estrazione di permeato riduzione velocità di intasamento della membrana, ma richiesta di superfici filtranti maggiori pulizia fisica e/o chimica pulizia efficace, ma membrana non in uso durante manutenzione, consumo di reagenti e produzione di rifiuti liquidi incremento dell’aerazione riduzione velocità di intasamento della membrana, ma aumento fabbisogno energetico Possibile controllo dell’aerazione a bolle grosse per ridurre consumo energetico Incidenza controllo fouling su fabbisogno energetico MBR: 2/3 del totale (Cornel & Krause 2003) 50% del totale (Cui et al, 2003)

Monitoraggio della Pressione Trans-Membrana (TMP) Tempo critico di filtrazione (Ognier et al., 2002, Brooks et al., 2003) La geometra del profilo dell’evoluzione della TMP varia con il variare del flusso di permeato Andamenti di TMP per diversi flussi di permeato Tempo critico di filtrazione vs. flusso di permeato Il tempo critico di filtrazione può essere associato al volume filtrato critico

Monitoraggio della Pressione Trans-Membrana (TMP) per sistemi sommersi Flusso sostenibile: flusso che si può mantenere per lunghi periodi operativi senza lavaggio chimico; tale flusso dipende principalmente da tipologia della membrana miscela da filtrare temperatura Possibilità di auto-pulizia della membrana in condizioni di flusso sostenibile, per periodi limitati (osservato da Ahn et al., 2000 su membrane MF)

Controllo filtrazione Le fasi operative di filtrazione e di controlavaggio /relaxation sono usualmente condotte con tempi prestabiliti Monitorando la TMP è possibile operare le fasi in modo da ottimizzare la filtrazione in relazione alle reali necessità dell’impianto (flusso o caratteristiche del miscela da filtrare) Nota: Portata di filtrazione (QF) e gestione dei cicli di lavoro e controlavaggio (o relaxation) hanno scarsa influenza sulla qualità del permeato (Ahn et al., 2000)

Controllo filtrazione

Controllo filtrazione/aerazione L’aerazione è condotta in modo da limitare e ridurre lo sporcamento (fouling) della membrana. il flusso di aria è solitamente mantenuto costante generalmente l’aerazione è molto superiore alle richieste biologiche di ossidazione Quindi: Monitorando TMP si potrebbe regolare l’aerazione in funzione del suo andamento l’aerazione può essere modificata (diminuita) in relazione alle reali necessità della membrana mantenendo un valore soglia minimo necessario ai processi biologici. Nota: elevate concentrazioni di ossigeno in vasca di ossidazione potrebbero inoltre compromettere anche la fase di denitrificazione, se prevista, e se il flusso idraulico non è progettato in modo adeguato.

Controllo filtrazione/aerazione Strategia proposta da Chua et al., 2002 1) Elevate portate in ingresso: necessità di elevati flussi di filtrazione Controllo fouling con alta portata d’aria – elevato consumo energetico ma solo per necessità di trattare elevate portate 2) Ridotte portate in ingresso Funzionamento membrana in condizioni di flusso sostenibile – minimizzazione consumi energetici – condizione di “no fouling” Necessità di strumenti di monitoraggio per eseguire controllo su QF e QARIA: Flussimetro per misura QIN e/o sensore per misura livello liquido in vasca (ad es. per eseguire controllo tipo PID su QF e QARIA)

Controllo filtrazione/aerazione

Andamenti ideali e critici TMP Caso ideale: QIN costante, impianto dimensionato correttamente Caso critico: QIN costante, impianto non dimensionato correttamente

Andamenti reali TMP QIN QIN Caso reale: QIN variabile, problema di superamento della TMPMAX QIN Caso reale: QIN variabile, impianto sovra-dimensionato QIN

Controllo adattativo sistemi MBR QIN variabile Al superamento di valori soglia di QIN, TMP, si agisce su QF e QARIA QIN Air max Air min Risultato integrità membrana è preservata contenimento consumi energetici

Si ringrazia per l’attenzione Ing. Paolo Ratini paolo.ratini@spesonline.com SPES scpa Via L. Corsi Fabriano (AN) www.spesonline.com Ing. Nicola Fiocchi fiocchi@aquavis.it AQUAVIS c/o ENEA (PROT-IDR) Via M.M. Sole, 4 - 40129 Bologna www.aquavis.it