Dimensionamento e progettazione dei sistemi di. miscelazione e aerazione asserviti agli impianti MBR

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1 La progettazione e la gestione degli impianti di depurazione MBR Dimensionamento e progettazione dei sistemi di miscelazione e aerazione asserviti agli impianti MBR Ing. Marco Leoncavallo Ecomondo, 4 Novembre 2015

2 Sistemi di aerazione biologica asserviti agli impianti MBR

3 Importanza dell aerazione Fondamentale per garantire il processo depurativo, la vasca di aerazione e la successiva fase di ultrafiltrazione sono il cuore dell impianto. Energetica: da sola consuma la maggior parte dell energia elettrica dell impianto di depurazione (valido sia per CAS/BNR e MBR) Solitamente garantisce da sola anche la Miscelazione e l assenza di depositi in vasca. Uno dei fattori chiave per evitare problemi sulla Sedimentabilità dei fanghi (bulking valido solo per CAS).

4 Importanza nei consumi elettrici Esempio impianto CAS e MBR 60% % Energy Cons. In WWTP 50% 40% 30% 20% 10% 0% WWTP tradizionale CAS Metcalf&Eddy MBR con fibre cave - Verrecht et al. 2008

5 Importanza nei consumi elettrici Ottimizzare l aerazione vuol dire ridurre drasticamente i consumi totali MBR con membrane piane Krzeminsky et al MBR con fibre cave datati Krzeminsky et al Esistono impianti MBR con fibre cave «super premium» dove si raggiungono valori fino a 0,4-0,5 kwh/m3 Mixers 7% Feed pumps 13% Permeate pumps 18% 0.70 kwh/m3 Rest MBR 20% Membrane aeration 19% Biology aeration 23% Membrane aeration Biology aeration Rest MBR Permeate pumps Feed pumps Mixers MBR con fibre cave evoluzione «premium product» - fonte GE

6 Target possibile per MBR AE con BioLoop e membrane HF premium MBR con fibre cave evoluzione «super premium product di GE» - Componenti e progettazione di processo Xylem Water Solution con BioLoop ed ottimizzazione di pompaggi, mixer e aerazione. 6

7 Come si valuta l efficienza di aerazione Parametro per giudicare l efficienza di un sistema di aerazione: kgo 2 / kwh I kwh sono quelli assorbiti ai morsetti dal sistema di aerazione. I kgo 2 forniti dal sistema possono essere riferiti a: - Condizioni reali (A.O.R.) - Condizioni standard (S.O.R.) S.A.E.

8 S.A.E.= Standard Aeration Efficiency S.O.R. = Standard Oxygen Requirement Ossigeno fornito in acqua pulita ( =1,00; =1,00), al livello del mare con p=1 atm; T=20 o 10 C; O.D.= 0 mg/l. I COSTRUTTORI DI AERATORI GARANTISCONO QUESTO VALORE RIFERITO A UNA METODOLOGIA DI TEST STD kgo 2 (S.O.R.) / kwh Standard forniti dal sistema / assorbiti dalla rete

9 S.A.E. per diversi sistemi di aerazione kgo 2 (S.O.R.) / kwh Low Speed surface aerators 1,5-2,1 High Speed surface aerators 1-1,5 Submersed Jet aerators 0,9-1,5 Coarse bubble diffusers 1,2 3 Fine bubble diffusers 2,5 6 HDLF fine bubble diffusers 3-8 HDLF = High Density Low Flux (ottenibile con diffusori a piastre o con dischi densamente disposti sul pavimento). -

10 Per risparmiare energia elettrica Sistemi a bolle fini a membrana: i più utilizzati al mondo, con referenze su depuratori di tutte le taglie, sono anche i più diffusi negli impianti MBR.

11 A.O.R S.O.R. in particolare per MBR

12 Come stimare l Ossigeno necessario? Usuali formule per la stima A.O.R. Carico A.O.R. S.O.R. ( Aria) kg/d kg/d kg/d Nm 3 /h Passaggio critico per MBR e bolle fini Gestore impianto Consulente Costruttore

13 Come si valuta il rapporto tra A.O.R. e S.O.R. A.O.R. / S.O.R. = K K < 1 Come vedremo per MBR di solito K << 1 dipende dalle condizioni al sito (T, altitudine) dipende dalle caratteristiche del liquame dipende dal sistema di aerazione presente in vasca dipende da condizioni di processo e di sicurezza (SRT, F/M, O.D.) 13

14 Come si valuta il rapporto tra A.O.R. e S.O.R. Saturazione ossigeno alle cond. Standard = 9.09 ppm SOR = AOR (C sat20 ) Q P field O.D. T-20 C satt ) Pmsl ALPHA predominante BETA (con ioni solubili in WW) Pressione (altitudine) O.D. in vasca THETA Saturazione di ossigeno a temperatura T del liquame e zero salinità

15 Alfa? Rapporto del Coefficiente di trasferimento di massa dell Ossigeno tra acqua sporca e pulita (std) = Kla w / Kla È funzione di: Caratteristiche liquame conc. MLSS, viscosità, tensioattivi, salinità, ecc. Età del fango e F/M Tipo di aeratori o bolle turbolenza ricambio film acqua/gas Varia nello spazio e nel tempo: Posizione nel bacino, tipo di impianto (a pistone, SBR, step-feed, etc), Fluttuazioni orarie dei Carichi.

16 Valori tipici di Alfa * Aeratori meccanici in genere 0,50-1,00 * Sistemi di diffusione a bolle grosse 0,30-0,95 * Sistemi di diffusione a bolle fini 0,15-0,90 I diffusori a bolle fini hanno un campo di variazione >, funzione di diversi parametri e fattori che andiamo ad esaminare.

17 Alfa e MLSS Fattore alfa come funzione di MLSS (altre condizioni indefinite). La notevole differenza tra le curve indica che alfa non è l unico importante fattore di influenza su alfa.

18 Le 2 curve solitamente usate nella progettazione 1.0 MLSS Concentration Affect on Alpha Reference: Gunder (2001), Membrane Coupled Activated Sludge Process in Municipal Wastewater Treatment,. ALPHA ( Kla(wastewater) / Kla(clearwater) ) Alpha = EXP ( E-5 * MLSS) Alpha = EXP ( -7.71E-5 * MLSS) Gunder Data Krampe & Krauth Data ,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 MLSS (mg/l) Con 3,5 gr/l, alfa 0,65 Passando a 10 gr/l, alfa diventa 0,4 Una variazione del 40%! Dimensionando a 8 gr/l si limita la riduzione al 25%.

19 Alfa correlato alla viscosità La diffusività è inversamente proporzionale alla viscosità del liquame (eq. Einstein-Stockes). Se aumenta la viscosità viene ostacolata la diffusione dell ossigeno dalle bolle in risalita ed alfa cala. (Wagner 2002).

20 Alfa ed Età del fango SRT influenza notevolmente alfa. Passando da 2 a 20 gg alfa triplica (Rosso, 2005). Quindi alfa è migliore in impianti BNR e teoricamente MBR (con i limiti detti prima).

21 Alfa e F/M ratio (comunque correlato a SRT) Alti carichi F/M bassi alfa. In parte attribuibile a substrati contenuti nel liquame fresco alimentato che agiscono come simil-tensioattivi, agendo sull interfaccia gas/liquido delle bolle. Con alti F/M si hanno alti valori di biopolimeri (polisaccaridi, proteine) nel Mixed Liquor: data la natura simil-tensioattiva dei biopolimeri il loro maggiore livello può comportare minori alfa.

22 Variazione di alfa nel tempo (carichi alimentati) Alfa inversamente correlato con il COD alimentato (Rosso 2007). Notare anche lo sfasamento di più di 2 h nella risposta di alfa probabilmente dovuto al ritardo di accumulo nel bacino di specie che agiscono come similtensioattivi. Similmente si osservano variazioni di alfa nei reattori specie se a pistone.

23 In realtà spesso si considera un fattore F su alfa per computare effetti del fouling SOR = AOR (C sat20 ) Q P field O.D. T-20 F C satt ) Pmsl

24 Fouling, D.W.P. e SOTE nel tempo Ogni diffusore è soggetto a aumento della D.W.P. nel tempo per: Perdita di elasticità (allungamento o restringimento permanente) Fouling interno (filtrazione aria classe G3, G4) Fouling esterno : - di tipo chimico precipitazioni di sostanze inorganiche o di tipo «A» - di tipo biologico «B» da biomassa umida o secca - misto «C» A = aumenta DWP e può aumentare anche il SOTE diminuendo l effettiva dimensione dei pori di uscita; B = aumenta DWP e diminuisce il SOTE, la biomassa forma porosità secondarie con dimensioni maggiori. In generale sono più soggetti i diffusori con membrane rigide o semirigide (dischi porosi, piastre), che già da nuovi hanno D.W.P. maggiori mentre le membrane elastiche tendono a pulirsi variando le condizioni di alimentazione (Qd).

25 Fouling Le bolle prodotte nelle zone ripulite del diffusore sono più fini (Stenstrom 2007)

26 Il fattore F su alfa è in realtà improprio ma spesso utilizzato SOR = AOR (C sat20 ) Q P field O.D. T-20 F C satt ) Pmsl F = 1.0 a diffusori nuovi, può essere assunto pari a per sistemi usati, ma anche 0.7 per sistemi molto invecchiati e con scarsa manutenzione. Sono peggiorativi: - i diffusori o membrane rigide (ceramici, plastici rigidi, membrane poco elastiche) - i casi con bassi SRT (CAS a medio-alto carico sono peggio di BNR o MBR). Sarebbe in realtà più corretto considerare questi fattori come decadimento sugli aspetti coinvolti (DWP, SOTE% ).

27 Alfa tipici per bolle fini - basati sul carico Quanto fin qui visto mostra come la determinazione del fattore alfa sia complessa, specialmente per sistemi a bolle fini. Il che rende la progettazione un arte basata su precedenti esperienze, capacità di soppesare diversi fattori, dalla domanda di ossigeno, alla tendenza al fouling, alle variazioni di carico, ecc. Carico BOD Tipico Tipo di processo kg/d/m 3 Range Alpha Aerazione prolungata Aerazione convenzionale - Basso Carico: Medio carico: Alto carico: > Stabilizzazione MBR

28 Cosa influenza il S.A.E. Diversi fattori concorrono al risultato di ottenere e di mantenere un elevato S.A.E.: 1. S.O.T.E.% (da cui discende la Quantità di aria necessaria per un S.O.R. richiesto) 2. D.W.P. e mantenimento nel tempo delle caratteristiche elastiche delle membrane; 3. Altre perdite di carico nel sistema; 4. Tipo di soffianti e loro efficienza nel campo di impiego.

29 SOTE % influenzato da Sommergenza Dimensione delle bolle, dei fori sulle membrane diffusori Flussi d aria specifici sui diffusori Alta densità di diffusori in vasca (> AD) Disposizione omogenea di AD in vasca Membrane di ultima generazione Flussi orizzontali organizzati (Vasche a canale)

30 Sommergenza e SOTE % S.O.T.E. cresce con sommergenza, > T r è quasi lineare, in realtà decresce gradualmente al risalire delle bolle: - parziale consumo del contenuto di ossigeno - diminuzione della pressione statica. SOTE/m non lineare Al contrario dp è lineare. One Particular Grid Arrangement & Air Flow 70 SOTE (%) // Top of Drop Leg Pressure (kpag) ,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 Water Depth (m) SOTE Top of Drop Leg Pressure

31 L ossigeno trasferito aumenta con l area specifica di contatto... Bolle grosse (6 10 mm) Bolle fini (< 5 mm) 10 mm Diametro medio 1 mm 600 m 2 /m 3 Superficie 6000 m 2 /m 3 Inv. Prop. ^2 di Numero di bolle/m bolle/m 3 Inv. Prop. ^3 di bolle/m 3 SOTE/m = 2-3 % SOTE/m = 4-7 % MA NON QUANTO L AREA di contatto SUGGERISCE, inoltre bolle grosse producono una maggiore turbolenza in risalita e come risultato il coefficiente di trasferimento di massa è maggiore per le bolle grosse.

32 Bolle piccole SOTE% varia considerevolmente per una stessa tipologia di diffusori in funzione delle portate d aria alimentate. Se aumenta Qair, aumenta la dimensione delle bolle e con alti flussi aumenta la possibilità di collisione e coalescenza tra le bolle (densità aria in vasca). Bolle piccole sono ottenibili mediante: - > Area di Diffusione e <Qd (comporta < DWP) ; - Fori più piccoli (comporta anche > DWP) ; - Membrane meno elastiche (comporta > DWP).

33 Esempio portata specifica per diff. Qd e SOTE % 40 SANITAIRE 9 inch Ceramic Disc Diffusers, Experimental Data vs. Factory Performance Characteristic: A t /A d =7, Data Normalized To 14 ft. Submergence TEST 17 TEST 71 TEST 90 TEST 142 TEST 166 SANITAIRE Prediction Air Rate per Disc (SCFM)

34 AD: Tempo di Ritenzione e velocità di risalita v ~0,23 m/s => 17 s v ~0,4-1,0m/s => 5 s 4 m Bolla singola Bolle multiple (aumento V risalita)

35 Densità di diffusori sul pavimento vasca, AT/AD Effetto della copertura a tutto fondo controbilancia l effetto di accelerazione delle bolle Riduce la V di risalita Migliora la Oxygen Transfer Efficiency

36 Distribuzione e dimensioni dei diffusori Con pari AT/AD e condizioni si possono avere differenze di S.O.T.E. % se i diffusori sono distribuiti poco omogeneamente sul fondo vasca: inadeguate distanze > 1,2 m per diffusori o piastre. Distribuzione impropria dei flussi d aria, causa corti circuiti, aumento coalescenza locale e accelerazione delle bolle in risalita con moti a spirale ben organizzati.. Diffusori con diametri maggiori o piastre a grande sezione possono comportare una distribuzione meno omogenea in alcuni casi. 1 m 1 m 2 m

37 Una buona distribuzione dei diffusori

38 Il ciclo dell efficienza Maggiore Superficie diffusione = Minore flusso superficiale Bolle più fini Meno coalescenza Minore accelerazione bolle Maggiore SOTE% Minore Qair richiesta Minore D.W.P. (e dp ) Minore consumo e maggiore SAE

39 Evoluzione delle membrane Le mescole EPDM recenti hanno una maggiore stabilità durata eccezionale fisica e chimica. Alcune membrane recenti sono più efficienti grazie a uno spessore non omogeneo sui diametri e a una ottimizzazione della distribuzione dei fori sulla membrana che limita la coalescenza delle bolle Valvola di controllo centrale Fustellature a taglio O ring integrato antiscalzamento

40 Risultati ottenibili

41 La scelta va continuata con... piping adeguato (ridurre le perdite di carico) sistemi di controllo produzione aria compressa con soffianti efficienti nel campo di impiego (portata/pressione)

42 Attenzione al S.O.R.! Std Test diversi S.O.R. diversi Standard ASTM-ASCE 2-91, riferito ad acqua pulita a 20 C, posizionamento sonde a livelli prefissati, prova fino al raggiungimento della max solubilità. Standard EN (1999) riferito ad acqua pulita a 10 C, posizionamento a livelli più vantaggiosi delle sonde, permette la prova fino a una certa % della max solubilità stimata (più rapido, meno preciso) e ammette tolleranze sui risultati. =? Esiste una differenza nei risultati e nei risultati considerati accettabili tra i due standard, tra il 0 % e il 15 %. Le garanzie secondo ASCE sono mediamente più cautelative, ovvero avremo un SOR maggiore e quindi anche un AOR fornito superiore.

43 EXTRA Ulteriori ottimizzazioni possibili: Il flusso orizzontale in vasche a canale (anche MBR)

44 Flusso orizzontale E il flusso di traslazione ottenibile posizionando opportunamente Mixer lenti (Flow-Maker) con Eventuale ottimizzazione della velocità + Sistemi a bolle fini in vasche a canale o anulari.

45 BioLoop Studi sistematici di Xylem sul flusso orizzontale: risulta un miglioramento di S.O.T.E. (fino +40%) e di SAE (fino +30%) in funzione di diversi fattori: Portata d aria per diffusore e per m 2 di vasca; Profondità vasche; % di copertura vasca con le reti di diffusione; V med del moto di massa in vasca: Vbf = f(n); Posizione dei mixer rispetto a reti, curve, ostacoli.

46 Soglia di spinta e di velocità per generare il flusso 0 N macro+ micro moti a spirale 3000 N Niente HF situazione = spostamento 6000 N HF creato niente moti a spirale

47 Perché il flusso orizzontale incrementa il SOTE % singola particella V s = 0.24 m/s V > v s

48 Esempi miglioramento SOTE vs. velocità

49 Particolarità aerazione in impianti MBR

50 La scelta MBR implica Maggiore concentrazione dei fanghi in vasca Minore volume e superficie delle vasche biologiche Maggiori richieste di ossigeno (AOR) specifiche (x m 3 ) Ancora maggiori richieste di ossigeno in condizioni standard (SOR) per il peggioramento di alfa

51 Aerazione biologica in MBR Spesso si deve disporre molti diffusori (HD, SOTE% migliora) e/o accettare dei flussi superficiali specifici anche elevati per poter soddisfare le esigenze di cui sopra (a scapito sia del SOTE che della DWP). Utilizzi di diffusori nati per essere ultra efficienti grazie a HDLF possono perdere senso (costi) se non è possibile un LF.

52 NITRIFICAZIONE diff. 9 Silver LP (vs. Silver2) Stessa mescola (Silver); Meno tagli sulla membrana ma più grandi, bolle fini; Portata minima 1.5 Nm3/h, massima 12 Nm3/h; Perdite di carico sulla membrana D.W.P. < a Silver 2; Efficienza S.O.T.E.% solo leggermente < a Silver 2; Efficienza reale S.A.E. molto simile a Silver 2. Dove è logico usarla? Impianti con soffianti esistenti e dp disponibile scarsa; Alte forniture di aria / sup. vasca (MBR); Concentrazione SST elevata miscelare con molta aria, stabilizzazione fanghi, trattamenti percolato, ecc. (alfa) Scelta basata solo sul prezzo (meno diffusori). 52

53 Metà del consumo elettrico di un mixer compatto...

54 Sistemi di miscelazione asserviti agli impianti MBR

55 Miscelazione Denitrificazione MBR Maggiore concentrazione dei fanghi in vasca comporta minime variazioni per la scelta mixer rispetto a un CAS/BNR Tempi di ritenzione idraulica minori, rischi di cortocircuiti posizionamento importante Buon livello di grigliatura dei liquami possibile utilizzo di anello convogliatore senza problemi Minor volume e superficie delle vasche biologiche vs un CAS: Se la vasche sono piccole la scelta consigliabile è con mixer compatti dotati di anello convogliatiore In impianti medio-grandi possibili scelte ad alta efficienza con mixer lenti ev. regolabili.

56 Efficienza N/kW vs Diametro (velocità) N/kW Diametro mm

57 Efficienza N/kW vs Velocità (diametro)

58 Categorie di Mixer possibili /30/ w/ jetring COMPATTI / VELOCI MIDSIZE LENTI / GRANDI

59 DENITRIFICAZIONE 1,400 N /30/ w/ jetring COMPATTI / VELOCI MIDSIZE LENTI / GRANDI

60 DENITRIFICAZIONE Costo energetico annuo, 0,15 /kwh) _F 4600_J 4600LSPM_F 4600LSPM_J 4530_1,2 4320_1,4 4400_2,5 4320_2,5 Con un mixer Midsize 4530 o 4320 si dimezzano i consumi. Per impianti più grandi è considerabile la scelta di un 4400 o di 4320 Fullsize Con CAPEX superiori, ma con un ulteriore dimezzamento dei consumi.

61 Mixer Regolabile ad alta efficienza 4320 Motori sincroni ad alta effcienza (IE4 eq.) sincroni a magneti permanenti (circa -15% consumo) Built-in VFD (integrato), vantaggi Potenze installate: 2, 4, 8 kw Coprono dalla serie 4530 alla 4460 Elica a 2 o 3 pale, 1400 / 2000 / 2500 mm Aggiustamento della spinta fornita in campo con tastierino o via Modbus, ottimizzazione energetica (altro risparmio possibile) Prodotto super premium efficiency, CAPEX maggiore

62 DENITRIFICAZIONE - Miscelatore sommerso 4320 Ulteriori risparmi possibili con la regolazione in campo, correlabile anche ad algoritmi (es. racetrack).

63 Xylem Water Solutions Italia S.r.l. Distributore Membrane UF - GE per il mercato municipale in Italia CT Treatment Xylem Italia marco.leoncavallo@xyleminc.com clara.rondinini@xyleminc.com GC Membrane & Filtration EMEA matteo.vanossi@xyleminc.com michele.principato@xyleminc.com alessio.galletti@xyleminc.com alessandro.lago@xyleminc.com