Soluzioni Innovative per il Telecontrollo degli Impianti di Depurazione delle acque reflue Ing....

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.


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.


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.


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


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


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

Flessibilitàil 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

Modularitàil 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)


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.


Unità Centrale


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 .


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.


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


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.


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.).

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 esterne

MBR con membrane immerse

Esempio di MBR a membrane sommerse

Influente

Permeato

Fango

Bioreattore

Permeato

Membrana

P1 Miscela AerataMiscela Aerata

P2>P1

Retentato (fango)

Layout dei sensori e degli attuatori principali per impianto MBR a membrane immerse

Vasca equalizzazione

Arrivo liquame

Livello in vascaPompa carico

Soffianti

Pompa di estrazione del permeato

TMP

DO

Esempi delle interazioni possibili tra segnali acquisiti e attuatori

Automazione di impianto MBR

Automazione di “basso livello” 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”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:

1. Ottimizzazione cicli di controlavaggio o relaxation

2. Minimizzazione consumi energetici

Strategie in uso (Judd, 2005)

1. riduzione dell’estrazione di permeatoriduzione velocità di intasamento della membrana, ma richiesta di superfici filtranti maggiori

2. pulizia fisica e/o chimicapulizia efficace, ma membrana non in uso durante manutenzione, consumo di reagenti e produzione di rifiuti liquidi

3. incremento dell’aerazioneriduzione 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)

Automazione specifica per impianto MBR: controllo del fouling in sistemi MBR sommersi

Monitoraggio della Pressione Trans-Membrana (TMP)Tempo critico di filtrazione (Ognier et al., 2002, Brooks et al., 2003)

Il tempo critico di filtrazione può essere associato al volume filtrato critico

Andamenti di TMP per diversi flussi di permeato

Tempo critico di filtrazione vs. flusso di permeato

La geometra del profilo dell’evoluzione della TMP varia con il variare del flusso di permeato

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.


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)

0

5

10

15

20

25

30

350.

1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

tempo

TM

P

Andamenti ideali e critici TMP

Caso ideale: QIN costante, impianto dimensionato correttamente

0

5

10

15

20

25

30

35

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

tempo

TM

P

Caso critico: QIN costante, impianto non dimensionato

correttamente

Andamenti reali TMP

Caso reale: QIN variabile, problema di superamento della TMPMAX

Caso reale: QIN variabile, impianto sovra-dimensionato

0

5

10

15

20

25

30

350.

1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

tempo

TM

P

0

10

20

30

40

50

60

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

tempo

TM

P

QIN

QIN

Controllo adattativo sistemi MBR

• QIN variabile

• Al superamento di valori soglia di QIN, TMP, si agisce su QF e

QARIA

0

5

10

15

20

25

30

35

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

0.1

0.5

0.9

0.3

0.7

tempo

TMP

QIN

Air max Air min

Risultato• integrità membrana è preservata• contenimento consumi energetici

Si ringrazia per l’attenzione

Ing. Paolo [email protected]

SPES scpaVia L. Corsi Fabriano (AN)www.spesonline.com

Ing. Nicola [email protected] AQUAVISc/o ENEA (PROT-IDR)Via M.M. Sole, 4 - 40129 Bologna www.aquavis.it

mailto:[email protected]

http://www.spesonline.com/

mailto:[email protected]

Soluzioni Innovative per il Telecontrollo degli Impianti di Depurazione delle acque reflue Ing....

Documents

Transcript of Soluzioni Innovative per il Telecontrollo degli Impianti di Depurazione delle acque reflue Ing....