Il progetto AERE“Incremento

dell’efficienza energetica negli impianti di

trattamento delle acque reflue”P H Y S I S - I n g e g n e r i a p e r

l ’ A m b i e n t e s r lV i a B . L u p i 1 , F i r e n z e

Te l : 0 5 5 . 4 8 4 2 0 6

Workshop “INNOVAZIONE TECNOLOGICA NELLA DEPURAZIONE DELLE ACQUE: BEST PRACTICES EUROPEE”Festival dell’Acqua, L’ Aquila 10 Ottobre 2013

Ing. Alice BalducciPHYSIS srl

Ing. Riccardo GoriUniversità di Firenze

Ing. Cecilia CarettiUniversità di Firenze

Il progetto AERE

Partner del progetto:

BANDO PER IL FINANZIAMENTO DI PROGETTI DI RICERCA FINALIZZATI AD INTERVENTI DI EFFICIENZA ENERGETICA E ALL’UTILIZZO DI FONTI

DI ENERGIA RINNOVABILE IN AREE URBANE

Responsabile del progetto: Finanziatore del progetto:

Il progetto AERE-Una città di 100.000 abitanti consuma per la depurazione dei suoi reflui circa 5000 MWh/annoTali impianti costituiscono un elemento strutturalmente collegato alle aree urbanizzate- Le acque reflue sono solitamente trattate in impianti di depurazione di tipo biologico aerobico.

- Il consumo energetico principale è quello per il trasferimento dell’ossigeno (45-75%) per i processi aerobici di ossidazione

(Stenstrom et al., 2008)

La ricerca ha avuto come obiettivo:realizzare un sistema per il controllo dell’efficienza del trasferimento dell’ossigeno in condizioni operative al fine di garantire il massimo stato di efficienza del sistema.

Il metodo off-gasIl metodo off-gas è una tecnica per monitorare l’efficienza 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. Analizzatore off-gas

1. Sistema di raccolta off-gas 2. Tubo di collegamento

3. Sonda LDO

4. Ossimetro

STRUMENTAZIONE

Il metodo off-gas

- 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:Il metodo off-gas

PARAMETRI CALCOLATI: efficienza di trasferimento in condizioni di processo (OTE, %):

Cs,20: concentrazione di saturazione in vasca a 20°Cs,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 dell’ossigeno (OTR, Kg02/h):

Il metodo off-gas

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 dall’ASCE in “Standard Guidelines for In-Process Oxygen Transfer” (1996)

- durata della prove 2/3 ore per vasca di ossidazioneII. 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

Il metodo off-gas

Applicazioni1. Migliorare la conoscenza del sistema di distribuzione dell’aria

nel suo complesso

- misurare la portata d’aria fornita alle vasche- valutare l’omogeneità di distribuzione della portata d’aria all’interno della vasca

- valutare l’effetto delle valvole di parzializzazione disposte sulle tubazioni di distribuzione dell’aria.

2. Stimare l’efficienza di trasferimento dell’ossigeno- 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 N2O, CH4 , CO2

- Valutare le emissioni indirette di gas serra (kgCO2/KWh)

Applicazioni4. Valido supporto in fase di progettazione di un nuovo sistema di

aerazione- effettuare una serie di test per verificare l’efficienza di

trasferimento dell’ossigeno di più diffusori nell’effettive condizioni di processo.

- monitorare l’andamento della perdita di efficienza degli stessi nelle condizioni di processo.

Applicazioni5. 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 l’andamento dell’efficienza di trasferimento dell’ossigeno nel tempo

quantificare l’aumento dei costi legati alla perdita di efficienzapianificare gli interventi di pulizia sui diffusori

6. Valutare l’efficacia degli interventi di pulizia dei diffusori

- quantificare il recupero di efficienza a seguito di un lavaggio dei diffusoriguadagno economico dovuto al recupero di efficienza

-confrontare diversi metodi di pulizia dei diffusori per trovare quello più vantaggioso in termini economici

7. Quantificare il risparmio legato ad un’efficiente gestione della portata d’aria

quantificare il risparmio energetico legato ad una migliore gestione della portata d’aria immessa in funzione della concentrazione di DO nelle vasche di processo e/o NH4 nell’effluente

Esempi applicativi1. 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 l’installazione del nuovo sistema di aerazione

-Maggio 2012: dopo due anni dall’istallazione 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 dall’ultima pulizia dei diffusori

Esempi applicativi1. VALUTARE LO SPORCAMENTO DEL SISTEMA DI AERAZIONE:

Test Condizioni dei diffusori

Qaria[Nm3/

h]

DO[mg/l]

OTE[%]

αSOTE[%] α

Giugno 2010 Nuovi 583 4.62 9.7 18.0 0.5

Maggio 2012

2 anni di funzionamento 290 0.01 9.4 9.5 0.3

Luglio 2012 Puliti 370 3.70 9.1 15.7 0.4Gennaio

20136 mesi di

funzionamento 400 0.07 14.7 14.5 0.4Dopo due anni di funzionamento si è verificato un dimezzamento dell’efficienza di trasferimento dell’ossigeno.

la riduzione è stata attribuita ad un progressivo sporcamento dei diffusori

E’ stata effettuata una pulizia dei diffusori mediante l’iniezione di acido peracetico nelle condotte di mandata dell’aria.

i diffusori NON sono stati estratti dalla vasca e la vasca non è stata svuotata

CAMBIO DI GESTIONE OPERATIVA

UTILIZZO SOFFIANTE DI POTENZIALITA’ MINORE

Esempi applicativi1. VALUTARE LO SPORCAMENTO DEL SISTEMA DI AERAZIONE:

Test Condizioni dei diffusori

Qaria[Nm3/

h]

DO[mg/l]

OTE[%]

αSOTE[%] α

Giugno 2010 Nuovi 583 4.62 9.7 18.0 0.5

Maggio 2012

2 anni di funzionamento 290 0.01 9.4 9.5 0.3

Luglio 2012 Puliti 370 3.70 9.1 15.7 0.4Gennaio

20136 mesi di

funzionamento 400 0.07 14.7 14.5 0.4Dopo la pulizia dei diffusori è stato riscontrato un netto miglioramento dell’ efficienza di trasferimento normalizzata.

- La perdita di efficienza del sistema era effettivamente dovuta allo sporcamento dei diffusori

- la pulizia ha prodotto un incremento dell’efficienza di trasferimento del 60%. 

Esempi applicativi1. VALUTARE LO SPORCAMENTO DEL SISTEMA DI AERAZIONE:

Test αSOTE (%)

Qaria necessaria*(Nm3/h)

Consumo energetico(kWh/year)

kWhCODrem

Costo aerazione(€/years)

€CODrem

Giugno 2010 18.0 290 42048 0.65 6307 0.10

Maggio 2012 9.5 545 71832 1.11 10774 0.17

Luglio 2012 15.8 330 43800 0.68 6570 0.10

Gennaio 2013 14.5 360 45000 0.70 6830 0.11

* Portata d’aria necessaria a garantire un SOTR=26kgO2/h assumendo 0.55 come α-value

- 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.

- L’intervento di pulizia sui diffusori permette di riportare i consumi energetici ai valori iniziali, approssimativamente di 10kWh/a.e. anno

- Assumendo un valore di emissione specifico (IEA,2012) di 0.406kgCO2/kWh, al risparmio energetico dovuto alla pulizia corrisponde una riduzione di emissioni di 11.4 tCO2/anno e 3.25 KgCO2/a.e. anno

Esempi applicativi2. 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

USATIPer ciascuna vasca sono stati effettuati:- 2 test secondo la Modalità I;- 1 test secondo la Modalità II, arco

temporale di riferimento 16h

Esempi applicativi2. CONFRONTO FRA DIFFUSORI NUOVI E USATI:

Dai risultati delle prove svolte sulla vasca con i diffusori usati, è emerso:

αSOTE[%]

Portata d’aria media

giornaliera[Nm3/h]

Assorbimento[kWh/year]

Costo aerazione[€/year]

Diffusori usati 7.0-10.3 900 163377 24506Diffusori nuovi 19.4 370 75194 11279

Conoscendo l’αSOTE dei diffusori nuovi è stato possibile ricalcolare, a parità di OTR, gli stessi parametri.

La sostituzione dei diffusori permette, per ciascuna vasca, di:- Risparmiare circa il 60% dell’aria fornita- Ridurre di oltre il 50% i consumi energetici legati all’aerazione- Diminuire di circa 13.000,00 € i costi annui dovuti al sistema di aerazione

Esempi applicativi3. GESTIONE OTTIMALE DELLA PORTATA D’ARIA:

E’stato testato più volte uno stesso impianto:

PRIMO TEST: gestione della portata d’aria in modo proporzionale alla concentrazione di ossigeno disciolto in vasca

SECONDO TEST: gestione della portata d’aria in funzione della concentrazione di N-NH4 in uscita dalla vasca di ossidazione

Esempi applicativi3. GESTIONE OTTIMALE DELLA PORTATA D’ARIA:

CONTROLLO PORTATA ARIA SU DO

OTE ≈22-30%

CONTROLLO PORTATA ARIA SU NH4

OTE ≈24-35%

- Il controllore sull’NH4 permette di limitare le fluttuazioni della portata d’aria e di mantenere per la maggior parte del tempo un valore prossimo a quello minimomiglioramento in termini di efficienza di trasferimento

- E’ stato inoltre osservato che il controllore sull’ NH4 permette di mantenere in vasca, a parità di efficienza depurativa, livelli di ossigeno disciolto molto più bassi

Esempi applicativi3. GESTIONE OTTIMALE DELLA PORTATA D’ARIA:

DO AE

WT

S

pwTSAIR

AIR

C

DOCSOTE

P

QP

OTEQ

P

OTRAE

2020,

,

2

2

O

O

Il cambio di gestione della portata d’aria ha provocato una netto aumento dell’aeration efficiency:

Per l’impianto considerato, un aumento del 10% nell’OTE in media all’anno corrisponde ad un risparmio di circa 500MWh/anno

ConclusioniLa 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 dell’aria 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 d’aria ed efficienza di trasferimento dell’ossigeno, utile nei casi di controllo avanzato del sistema di aerazione.

L’esecuzione delle misure non preclude il normale funzionamento dell’impianto, possono quindi essere previste prove periodiche senza mettere a rischio l’efficienza dell’impianto.

P H Y S I S - I n g e g n e r i a p e r l ’ A m b i e n t e s r l

V i a B . L u p i 1 , F i r e n z eTe l : 0 5 5 . 4 8 4 2 0 6

Grazie per l’attenzione!Ing. Alice Balducci

PHYSIS srla.balducci@physis.net

Workshop “INNOVAZIONE TECNOLOGICA NELLA DEPURAZIONE DELLE ACQUE: BEST PRACTICES EUROPEE”Festival dell’Acqua, L’ Aquila 10 Ottobre 2013

Ing. Riccardo GoriUniversità di Firenze

riccardo.gori@dicea.unifi.it

Ing. Cecilia CarettiUniversità di Firenzececilia@dicea.unifi.it