Italian DHI Conference 2013

Torino, 9-10 Ottobre 2013

Modello Integrato di un impianto di trattamento di reflui civili per minimizzare i costi operativi

S. Caffaz1, L.Parronchi1, E. Ficara2

1: Publiacqua S.p.A., Gestione Operativa Depurazione, Firenze. E-mail: s.caffaz@publiacqua.it 2: Politecnico di Milano, DIIAR, Environmental Section. E-mail: e.ficara@polimi.it

Sommario

L’impianto di trattamento delle acque reflue urbane dell’Area Fiorentina (San Colombano)

Prestazioni e consumi attuali

Modellistica di processo e analisi di scenario

Modifiche impiantistiche

Risultati preliminari e sviluppi futuri

San Colombano WWTP

Pre-tretments: fine bar screen, grit removal, primary sedimentation

Conventional Activated sludge process: Predenitrification, oxidation-nitrification,secondary sedimentation

Anaerobic digestion

Main operation data

Year Q Gm3/y

COD Mton/y

N Mton/y

P ton/y

2010 66,4 7,32 1,33 161

2011 60,6 7,58 1,46 165

AE progetto = 400.000 (2 lotti in funzione su 3) AE sul carico idraulico (200 l/ab/d) = 843.731 AE sul carico organico (130 g/ab/d) =183.831 Q = 2/3 del volume totale trattato da impianti di

Publiacqua

Carichi trattati

Main operation data

Year E.E. GWh/y

IQ kWh/m3

ICOD kWh/

kgCODrim

IE (*) kWh/kg

2010 14,4 0,22 2,37 1,36

2011 14,5 0,24 2,45 1,31

kgN-NH.COD

kWhE.E.

kg

kWhIE

rimossorimosso

4574

Consumi energetici

Main operation data

Year Biogas kNm3/y

TS removal

Digestate ton/y

Biosolids tonSS/y

Total Solids

%

2010 335 19% 8.842 2.205 24,9%

2011 312 13% 10.104 2.475 24,5%

Linea fanghi

Costi operativi Energia elettrica: 14÷15 GWh/y = 2.100.000÷2.250.000 €/anno (25 - 40% per le

soffianti) Smaltimento del fango prodotto: 8.000÷10.000 ton/y al 24% di SS = 600.000÷700.000 € /anno

Removal efficiency PARAMETER Year 2010

Influent mg/l

Effluent mg/l

Removal %

BOD5 48.3±36.7 3.6±3.1 92,5% COD 110.4±66.6 18.8±7.9 83,0% SST 61.4±21.4 5.1± 1.83 91,7% N-NH4

+ 14.8±6.2 0.3±0.55 98,0% Total N 20.0±8.0 Total P 2.4±1.4 1.7±0.6 29,2%

La bassa efficienza di rimozione dell’N è dovuta al rapporto COD/N nel refluo in ingresso, in media sempre < 7

La vasca biologica

AEROBIC ZONE

ANOXIC ZONE

Software di Processo

Aquasim Eawag di Zurigo (CH);

• Sviluppo di nuovi modelli • Modellazione esperimenti di laboratorio (respirometria, titrimetria, manometria…)

West Mike by DHI (Denmark);

• Modellazione impianti reali • Analisi di scenario

I modelli /AQUASIM

AP1 FANGHI ATTIVI

modello ASM3; Schema idraulico: 1 CSTR anossico + 1 CSTR aerobico Sedimentatore secondario: sed. puntuale con efficienza

variabile + CSTR reattivo su ricircolo (sludge blanket) + CSTR non reattivo (equalizzazione)

AP2 DIGESTIONE ANAEROBICA

Modello ADM1 Schema idraulico: tre CSTR

AP3 MODELLO INTEGRATO

AP1 + pre_ispessimento, digestione anaerobica, disidratazione + ricircolo dei surnatanti

Modello digestione = XS Biogas, cinetica di ordine 1 (K_dis)

Il modello integrato in Aquasim

AP3

I modelli/WEST

WP1 FANGHI ATTIVI Equivalente al modello AP1 in Aquasim

WP2 MODELLO INTEGRATO Linea acque: ASM1 Linea fanghi: ADM1 Trasformatori ASM/ADM (BSM2, Nopens et al. 2009)

I modelli/WEST

WP3 MODELLO INTEGRATO Linea acque: ASM1 o ASM3 Linea fanghi: ADM1 o modello semplificato digestore

Il modello finale in WEST

Ingresso liquami

Vasche anossiche Vasche aerobiche

Sedimentazione secondaria

Fango di ricircolo

Fango di supero

ASM3 - linea acque confronto dati/simulazioni

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 100 200 300 400 500 600 700

Co

nce

ntr

azi

on

e (

g/m

3)

Tempo (d)

COD solido

COD solido in vasca reale

COD solido in vasca Aquasim

COD solido in vasca West

ASM3 - linea acque confronto dati/simulazioni

CODtot = SS + SI + XS + XI + XH + XA+XSTO

SS = 33%

SI = 9%

XS = 34%

XI = 24%

XH = 0%

XA = 0% XSTO = 0%

Composizione fango supero

SS = 0.02%

SI = 0.3%

XS +XSTO = 1% XI = 82.3%

XH = 14.4%

XA = 1.9%

Influente Fango supero

XS + XH + XA

ASM

XC (16-18%)

ADM

SRT= 30-40 d

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 100 200 300 400 500 600 700

CO

D (g

/m3)

Tempo (d)

X_S X_H X_A X_I X_STO X_BIO

Composizione del fango di supero (ASM3)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

CO

D re

mov

al

Time (Months)

Real data AP2

Summer

AP2 simulation: ASM3+ADM1

Sottostima rimozione

COD

Come interpretare la differenza: una frazione di XI è molto lentamente biodegradabile, non è degradata

completamente nella linea acque degradabile nel digestore anaerobico.

Fenomeno osservato in impianti aerobici ad età del fango molto elevata (es. MBR) modifica ASM (A modified activated sludge model to estimate solids production at low and high solids retention time, Lubello et al., 2009).

fVS= 0.45 kVS (d-1)= 0.02 kDIS (d

-1) = 0.3

Il modello ASM3 modificato

Si introduce: Nuova componente XVS, frazione (fVS) di XI Nuovo processo di idrolisi (XVSSS) con una cinetica del primo ordine

con costante kVS

La calibrazione (fVS e kVS ) su dati di rendimenti di abbattimento VS nel digestore.

Composizione del fango di supero (ASM3_modificato)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

0 100 200 300 400 500 600 700 800

X_BIO X_STO X_H X_A X_I X_S X_VS

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

CO

D re

mov

al

Time (months)

Real data AP2 without Xvs AP2 with Xvs

AP2 simulation: modified ASM3+ADM1

WP3 Simulation: Il modello integrato

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

CO

D R

emov

al

Time (Month)

Real data AP3 AP2

Rimozione media del COD nella

Digestione Anaerobica 2008 2009

Reale 30% 32%

AP2 (ASM3_mod+ADM) 30% 33%

AP3-WP3 (ASM3_mod+AD_semp) 33% 35%

WP2 (BSM2) 8% 9%

WP3

Analisi di Scenario

Con i modelli implementati e calibrati sono state studiate due strategie per la riduzione dei costi operativi. 1) Modello WP1-WP3. Modifica del sistema di controllo

automatico dei compressori centrifughi: set-point dell’O2 set-point dell’ammonio residuo (“cascade” NH4-O2)

2) Modelli AP3-WP3. Calcolo dei costi operativi al variare della

SRT della linea acque: Valutazione economica della possibile introduzione di un

cogeneratore per il riutilizzo del biogas.

Dall’eq. generale di un CSTR con biomassa nitrificante si ottiene:

SRT

bONH

OK

O

NHK

NH

AA

ONHS

AA

1, 24

2

2

4_

4max_

4

Strategia 1: il controllo dell’ammonio

Se SRT = cost O2↓ NH4

+↑

Analisi di scenario: i risultati

Dati

Reali

Dati

simulati

controllo

O2

Dati simulati controllo NH4 (mg/l)

1 1.5 2 3

Ossigeno (g/m3) 1.15 1.15 0.448 0.232 0.172 0.126

Nitrati (g/m3) 7.04 6.9 4.388 3.388 2.772 2.019

Azoto tot (g/m3) 7.87 7.8 5.678 5.183 5.075 5.333

Consumo energetico (MWh)

aerazione

4188 4188 3668 3473 3350 3168

set-point dell’ammonio residuo consente:

• Riduzione N scaricato (+ 8%÷10% sul rendimento)

• Risparmiare energia (-20% su E.E. per l’aerazione ≈ -0.84 GWh/y).

• La condizione ottimale: set-point = 2 mgN-NH4+/l.

IL RISPARMIO ENERGETICO

I consumi energetici si riducono a causa di:

• Ammonio non convertito a nitrato

OC=4.33 kgO2/kgN-NH4+→E.E.=1.5-2.5 kWh/kgN-NH4

+

• Aumento del nitrato rimosso (recupero dell’energia chimica)

1 kgN-NO3= 2.86 kgO2 →E.E.=0.3-0.45 kWh/kgN-NO3

• Aumento della Aeration Efficiency del sistema

↑ rateo di trasferimento O2 (OTE)

Per San Colombano:

1 mg/l N-NH4+ residuo in più = risparmio di 130 MWh/y

1 mg/l N-NO3- rimosso in più = risparmio di 110 MWh/y

+10 % di aumento nell’OTE = risparmio di 500 MWh/y

DO AE

IL RISPARMIO ENERGETICO Aeration Efficiency del sistema

WT

S

pwTSAIR

AIR

C

DOCSOTE

P

Q

P

OTEQ

P

OTRAE

2020,

,

2

2

O

O

DO AE

IL RISPARMIO ENERGETICO y = 50.369x - 6949.7

R² = 0.9919

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Port

ata

aria

[Nm

3/h]

Potenza attiva [kW]

Criticità dell’ossigeno limitante 1) Peggioramento delle caratteristiche di sedimentabilità del fango

biologico. Possibili problemi di bulking e foaming filamentosi. L’utilizzo di un coagulante a base alluminio (PAC) per la rimozione del fosforo consente di ridurre questo rischio.

2) Aumento della concentrazione del nitrito (NO2-) in uscita.

• Il limite sul nitrito non esiste nel resto d’Europa. • Il limite di concentrazione della tabella 3 all.5 parte III del T.U.152/06 è

pari a 0.6 mg/l, ovvero più di un ordine di grandezza rispetto ad ammonio e nitrato.

• Il motivo risiede nella tossicità intrinseca del nitrito per la fauna ittica. Il nitrito ossida il ferro dell’emoglobina trasformandola in metaemoglobina. La tossicità del nitrito è tuttavia inversamente proporzionale rispetto alla concentrazione di cloruri che in Arno risultano > 20 mg/l. La LR 50/2011 elimina il limite del nitrito allo scarico degli impianti in area sensibile. In questo caso il wash-out completo della biomassa nitrito-ossidante diventa un’opportunità di risparmio energetico e motivo di miglioramento della rimozione dell’azoto totale.

Dal Novembre 2011: nuova gestione dell’aerazione e controllo off-

line di NH4.

Marzo 2012: Installazione di due sonde di ammoniaca, 8 misuratori

di portata dell’aria e realizzazione nuovo software di gestione

automatizzata dei compressori denominato “CANESTRO”

Giugno 2012: Installazione di 48 inverter per il controllo della

velocità dei mixer sommergibili nelle vasche di denitrificazione.

Febbraio 2013: Installazione di due sonde di nitrato per il controllo

automatico dei ricircoli interni in denitrificazione

IL RISPARMIO ENERGETICO

Control Aeration and Nitrogen for Energy Savings and

TReatment Optimization

I sistemi di controllo dell’aerazione

La soluzione di base per il controllo delle valvole dell’aria tramite la sola misura dell’ossigeno disciolto che si mantiene ad un valore di concentrazione costante.

Il misuratore di portata può essere aggiunto nell’anello di controllo base per definire i valori massimo e minimo della portata d’aria da fornire in vasca.

I sistemi di controllo dell’aerazione

Il controllo base dell’ossigeno è migliorato aggiungendo un controllore sull’ammonio residuo che definisce il set-point di ossigeno da mantenere in vasca (Cascade NH4-O2).

Il sistema ideale e più stabile per il controllo dell’ammonio e dell’ossigeno. Aggiungendo il controllore sulla portata dell’aria si possono definire i valori massimo e minimo della portata d’aria da fornire in vasca.

DEN SED OX1

O2

T

SST

QFS

QRF QRML

QIN QOUT

SST

NOx

OX2

O2

NH4

SST

AIR QAIR

Misuratore esistente

Misuratore nuovo PO4

GLI STRUMENTI ON-LINE

NO3

NO3

AEROBIC ZONE

ANOXIC ZONE

NH4 probe

PO4 probe

GLI STRUMENTI ON-LINE

NO3 probe

P-PO4 Analyser

PHOSPHAXsc (Hach-Lange)

N-NH4 Analyser AMTAXsc

(Hach-Lange)

GLI STRUMENTI ON-LINE

LA MISURA DELLA PORTATA DELL’ARIA

Tipo di strumento ad inserzione con elettronica separata Misura della portata massica a dispersione termica (FCI) Misura indipendente dalla pressione del gas Nessuna perdita di carico introdotta Tecnologia di misura ad energia costante con differenziale di temperatura. Elevata accuratezza

Posizione valvole Misura di portata dell’aria Misura DO in vasca per ogni linea Bottone per accedere ai parametri della regolazione

CONTROLLO “CANESTRO” PARAMETRI OPERATIVI SUL SISTEMA SIMATIC IT

Limite minimo e massimo DO Limite minimo e massivo valore ammonio Calcolo valore set-point DO per regolazione valvole Impostazione minima portata di aria ammessa per ogni linea

CONTROLLO “CANESTRO” PARAMETRI OPERATIVI SUL SISTEMA SIMATIC IT

CONTROLLO “CANESTRO” PARAMETRI OPERATIVI SUL SISTEMA SIMATIC IT

La variazione del carico influente

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Car

ico

CO

D (k

g/h)

Car

ico

N-N

H4

(kg/

h)

Ora

Carico_NH4 Carico_COD_sol

La regolazione dell’ossigeno (setpoint_O2)

-

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

01345689

1011

O2

(mg/

l)

NH

4(m

g/l)

NH4_lotto2 O2

La regolazione dell’ossigeno (setpoint_NH4)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0:00 4:48 9:36 14:24 19:12 0:00

NH

4 (m

g/l)

O2

(mg/

l)

O2 NH4

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0:00 4:48 9:36 14:24 19:12 0:00

Pote

nza

attiv

a (k

W)

NH

4 (m

g/l)

NH4 Potenza attiva

La regolazione dell’ossigeno (setpoint_NH4)

La regolazione dell’ossigeno (confronto)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 2 4 6 8

Port

ata

aria

(Nm

c/h)

t (giorni)

20 Per. Media Mobile (Q_aria_mag2012)20 Per. Media Mobile (Q_aria_mag2011)

La regolazione dell’ossigeno (confronto)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Pote

nza

attiv

a (k

W)

t (giorni)

20 Per. Media Mobile (Potenza att mag2012)20 Per. Media Mobile (Potenza att.2011)

L’ossigeno disciolto

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9

O2

(mg/

l)

Mesi

2011-2012 2010-2011

Media Ossidazione Lotto 2

40

60

80

100

120

140

160

180

200

nov-10 feb-11 mag-11 set-11 dic-11 mar-12 giu-12 ott-12 gen-13

DSV

I (m

l/gSS

)La sedimentabilità del fango

DSVI= 80-100

Il netto miglioramento delle caratteristiche di sedimentabilità è dovuto all’utilizzo del PAC10 (Policloruro di Alluminio) utilizzato per la

defostazione chimica.

La rimozione dell’azoto

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

NOV DIC GEN FEB MAR APR

Nitr

ogen

Rem

oval

2010_2011 2011-2012

TN removal: from 56% to 64%

La rimozione dell’azoto

Year Ntot,in kg/year

Ntot,out kg/year

Ntot removal

%

Ptot,in kg/year

Ptot,out kg/year

Ptot removal

%

2010 1.960.675 814.825 58,4% 251.392 154.113 38,7%

2011 1.455.195 570.570 61,7% 165.339 120.530 37,7%

2012 1,515,754 526,440 65.3% 173,439 65,481 62.2%

+ 6 %, rispettati i nuovi limiti sulla rimozione dei nutrienti imposti dalla Regione Toscana nella area sensibile dell’Arno

I consumi energetici

0100.000200.000300.000400.000500.000600.000700.000800.000900.000

1.000.0001.100.0001.200.0001.300.0001.400.0001.500.000

NOV DIC GEN FEB MAR APR MAG GIU LUG AGO

kWh/

mes

e

2010-2011 2011-2012

E.E.= - 9% E.E.= - 20%

CANESTRO CANESTRO + INVERTER

Main operation data

Year E.E. GWh/y

IQ kWh/m3

ICOD kWh/kgCOD

IE kWh/kg

2010 14,4 0,22 2,37 1,36

2011 14,5 0,24 2,45 1,31

2012 12,4 0,21 1.86 1,07

Consumi energetici

- 2 GWh/y ! - 19%

Il bilancio economico

Investimenti Valore (k€) 2 Sonde AMTAX + 2 Filtrax+2 SC1000+ + Accessori montaggio

19.5

8 Misuratori di portata + + 4 Raddrizzatori di flusso 37.68

Totale 57.18 Risparmi/Costi Valore (k€/anno) E.E. -200 Costi manutenzione strumenti+reagenti +3

Pay-Back = 3-4 mesi

Main operation data

Year Biogas KNm3/y

TS removal

Wet sludge ton/y

Biosolids tonSS/y

Total Solids

%

2010 335 19% 8.842 2.205 24,9%

2011 312 13% 10.104 2.475 24,5%

2012 434 24% 11.073 2.503 22,6%

Linea fanghi

Costi operativi

Energia elettrica:

- 2 GWh/y = 300.000 € /y

Smaltimento del fango prodotto:

+ 1000 ton/y = 68000 € /y

Incremento dovuto a

- fanghi chimici della defosfatazione (compensati dalla migliore digestione)

- malfunzionamento della disidratazione finale

+39% di biogas

Strategia 2: scelta della SRT ottimale

SRT Q in dig. COD in

dig.

COD out

dig.

Rend.

digestione

Fango

Dry

Fango

Wet

Metano

prodotto

d m3/d kg/m3 kg/m3 % tonSS/

anno

ton/

anno Nm3CH4/d

40 138 48.56 31.76 0.35 1939 8081 808

35 144 49.03 30.97 0.37 1984 8265 909

30 151 49.54 30.14 0.39 2028 8449 1023

25 159 50.17 29.14 0.42 2071 8630 1167

20 168 50.93 27.92 0.45 2111 8794 1353

15 180 51.88 26.4 0.49 2146 8940 1601

10 195 53.14 24.39 0.54 2171 9045 1960

100

300

500

700

900

1,100

1,300

1,500

5 10 15 20 25 30 35 40 45

Cos

ti op

erat

ivi (

k€)

SRT(d)

C.O. senza CHP Costo_O2 Costo_fango

Costi Operativi attuali

C.O. Minimo

SRT_OTT.

Costi: smaltimento, aerazione, addensamento, disidratazione

600

700

800

900

1,000

1,100

1,200

1,300

1,400

5 10 15 20 25 30 35 40 45

Cos

ti op

erat

ivi (

k€)

SRT(d)

Senza CHP Con CHP

-330 k€

C.O. Attuale

I Costi Operativi con CHP

C.O. Minimo

Ricavi: autoconsumo E.E.

Conclusioni

Il modello ASM3 consente una rappresentazione affidabile della linea acque dell’impianto di depurazione dell’area fiorentina di San Colombano. Il modello ADM1 accoppiato tende a sottostimare la rimozione della sostanza organica nella digestione anaerobica e la relativa produzione di biogas.

E’ stato implementato un modello accoppiato ASM/ADM utilizzando un modello ASM3 modificato con una frazione di COD molto lentamente biodegradabile con cinetica del primo ordine.

E’ stato implementato un modello integrato linea acque-linea fanghi utilizzando il modello ASM3 modificato e un modello di digestione anaerobica semplificato con una sola cinetica del primo ordine.

Entrambi i due modelli integrati consentono di rappresentare correttamente il funzionamento dei processi biologici nella linea acque e nella linea fanghi.

Conclusioni

Una riduzione del 9% dei consumi di E.E. è stata prima simulata con i modelli ASM implementati e poi verificata sul campo con l’introduzione di un sistema innovativo di controllo dei compressori dell’aerazione. Il modello integrato consente di valutare l’età del fango ottimale al fine di minimizzare i costi operativi totali dell’impianto.

Senza una unità CHP l’età del fango ottimale è pari a 30 giorni.

Con una unità CHP e l’autoconsumo dell’energia elettrica prodotta l’età del fango media ottimale scende a 10 giorni, con un potenziale risparmio di 330 k€ rispetto alla stato attuale.

Publiacqua ha investito sul risparmio energetico all’IDL San Colombano ottimizzando il sistema di aerazione, (CANESTRO), e il sistema di denitrificazione (miscelazione e i ricircoli interni).

Sul comparto aerazione è stata misurata una potenza attiva media di 357 kW, che determina un consumo totale di 3133 MWh/anno, -20% rispetto ai consumi storici, -9% rispetto al consumo totale (1.33 GWh/y)

La riduzione complessiva del consumo di E.E. tra il 2011 e il 2012 è stata di

circa 2 GWh/y (circa 300 k€). La rimozione dell’azoto è cresciuta in modo significativo raggiungendo

rendimenti massimi del 70%. La concentrazione media dell’ammoniaca è passata da un valore medio di 0.5 mg/l ad un valore medio di 1.5 mg/l. La concentrazione media di nitrito è cresciuta da 0.07 a 0.12 mg/l.

Conclusioni

Completamento nel Febbraio 2013 del sistema di controllo nutrienti con l’installazione di sonde di nitrato nella vasca di denitrificazione per la gestione automatizzata delle portate di ricircolo interno. Potenziale da 0.5-0.6 GWh/anno.

Riduzione dell’età del fango in ossidazione e aumento della produzione di

biogas. Nel 2013 la produzione si è attestata a circa 1500 Nmc/d contro 850 Nmc/d del 2011.

Cogenerazione con microturbine a biogas. Potenziale da 0.9-1 GWh/anno

di E.E. per l’autoconsumo.

Altri interventi presenti e futuri