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

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1 Modello Integrato di un impianto di trattamento di reflui civili per minimizzare i costi operativi S. Caffaz 1, L.Parronchi 1, E. Ficara 2 1: Publiacqua S.p.A., Gestione Operativa Depurazione, Firenze. s.caffaz@publiacqua.it 2: Politecnico di Milano, DIIAR, Environmental Section. e.ficara@polimi.it Torino, 9-10 Ottobre 2013 Italian DHI Conference 2013

2 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

3 San Colombano WWTP Anaerobic digestion Pre-tretments: fine bar screen, grit removal, primary sedimentation Conventional Activated sludge process: Predenitrification, oxidationnitrification,secondary sedimentation

4 Carichi trattati Main operation data Year Q Gm3/y COD Mton/y N Mton/y P ton/y ,4 7,32 1, ,6 7,58 1, AE progetto = (2 lotti in funzione su 3) AE sul carico idraulico (200 l/ab/d) = AE sul carico organico (130 g/ab/d) = Q = 2/3 del volume totale trattato da impianti di Publiacqua

5 Main operation data Consumi energetici Year E.E. GWh/y I Q kwh/m 3 I COD kwh/ kgcodrim IE (*) kwh/kg ,4 0,22 2,37 1, ,5 0,24 2,45 1,31 IE kwh kg E.E. kwh COD N-NH rimosso kg rimosso 4

6 Main operation data Linea fanghi Year Biogas knm 3 /y TS removal Digestate ton/y Biosolids tonss/y Total Solids % % ,9% % ,5% Costi operativi Energia elettrica: GWh/y = /anno (25-40% per le soffianti) Smaltimento del fango prodotto: ton/y al 24% di SS = /anno

7 Removal efficiency PARAMETER Year 2010 Influent mg/l Effluent mg/l Removal % BOD ± ±3.1 92,5% COD 110.4± ±7.9 83,0% SST 61.4± ± ,7% N-NH ± ± ,0% Total N 20.0±8.0 Total P 2.4± ±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

8 La vasca biologica AEROBIC ZONE ANOXIC ZONE

9 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

10 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)

11 AP3 Il modello integrato in Aquasim

12 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)

13 I modelli/west WP3 MODELLO INTEGRATO Linea acque: ASM1 o ASM3 Linea fanghi: ADM1 o modello semplificato digestore

14 Il modello finale in WEST Vasche anossiche Vasche aerobiche Sedimentazione secondaria Ingresso liquami Fango di supero Fango di ricircolo

15 ASM3 - linea acque confronto dati/simulazioni

16 ASM3 - linea acque confronto dati/simulazioni COD solido Concentrazione (g/m 3 ) COD solido in vasca reale COD solido in vasca Aquasim COD solido in vasca West Tempo (d)

17 Composizione fango supero COD tot = S S + S I + X S + X I + X H + X A +X STO Influente S S = 33% S I = 9% X S = 34% X I = 24% X H = 0% X A = 0% X STO = 0% SRT= d Fango supero S S = 0.02% S I = 0.3% X S +X STO = 1% X I = 82.3% X H = 14.4% X A = 1.9% X C (16-18%) ADM X S + X H + X A ASM

18 Composizione del fango di supero (ASM3) 100% X_S X_H X_A X_I X_STO X_BIO 90% 80% 70% COD (g/m3) 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Tempo (d)

19 AP2 simulation: ASM3+ADM1 Sottostima rimozione COD 60% 50% Real data AP2 Summer COD removal 40% 30% 20% 10% 0% Time (Months)

20 Il modello ASM3 modificato Come interpretare la differenza: una frazione di X I 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). Si introduce: Nuova componente X VS, frazione (f VS ) di X I Nuovo processo di idrolisi (X VS S S ) con una cinetica del primo ordine con costante k VS La calibrazione (f VS e k VS ) su dati di rendimenti di abbattimento VS nel digestore. f VS = 0.45 k VS (d -1 )= 0.02 k DIS (d -1 ) = 0.3

21 Composizione del fango di supero (ASM3_modificato) 90% X_BIO X_STO X_H X_A X_I X_S X_VS 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

22 AP2 simulation: modified ASM3+ADM1 60% Real data AP2 without Xvs AP2 with Xvs 50% COD removal 40% 30% 20% 10% 0% Time (months)

23 WP3 Simulation: Il modello integrato 70% Real data WP3 AP3 AP2 60% 50% COD Removal 40% 30% 20% 10% 0% Time (Month) Rimozione media del COD nella Digestione Anaerobica Reale 30% 32% AP2 (ASM3_mod+ADM) 30% 33% AP3-WP3 (ASM3_mod+AD_semp) 33% 35% WP2 (BSM2) 8% 9%

24 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 O 2 set-point dell ammonio residuo ( cascade NH 4 -O 2 ) 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.

25 Strategia 1: il controllo dell ammonio Dall eq. generale di un CSTR con biomassa nitrificante si ottiene: A A NH A_ max 4, O2 K S _ NH b NH A 4 4 NH 1 SRT 4 K O O2 O 2 Se SRT = cost O 2 NH 4+

26 Analisi di scenario: i risultati Dati Reali Dati simulati controllo O2 Dati simulati controllo NH 4 (mg/l) Ossigeno (g/m 3 ) Nitrati (g/m 3 ) Azoto tot (g/m 3 ) Consumo energetico (MWh) aerazione set-point dell ammonio residuo consente: Riduzione N scaricato (+ 8% 10% sul rendimento) Risparmiare energia (-20% su E.E. per l aerazione GWh/y). La condizione ottimale: set-point = 2 mgn-nh 4+ /l.

27 IL RISPARMIO ENERGETICO I consumi energetici si riducono a causa di: Ammonio non convertito a nitrato OC=4.33 kgo 2 /kgn-nh 4+ E.E.= kwh/kgn-nh 4 + Aumento del nitrato rimosso (recupero dell energia chimica) 1 kgn-no 3 = 2.86 kgo 2 E.E.= kwh/kgn-no 3 Aumento della Aeration Efficiency del sistema rateo di trasferimento O2 (OTE) Per San Colombano: 1 mg/l N-NH 4 + residuo in più = risparmio di 130 MWh/y 1 mg/l N-NO 3 - rimosso in più = risparmio di 110 MWh/y +10 % di aumento nell OTE = risparmio di 500 MWh/y

28 IL RISPARMIO ENERGETICO Aeration Efficiency del sistema AE OTR P O 2 Q AIR P OTE O 2 Q P AIR SOTE C S,20 C S, pwt 20 T W DO DO AE

29 IL RISPARMIO ENERGETICO y = x R² = Portata aria [Nm3/h] DO AE Potenza attiva [kw]

30 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 (NO 2- ) 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.

31 IL RISPARMIO ENERGETICO Dal Novembre 2011: nuova gestione dell aerazione e controllo offline di NH4. Control Aeration and Nitrogen Marzo 2012: Installazione di due sonde di ammoniaca, 8 misuratori di portata dell aria e realizzazione nuovo software di gestione for Energy Savings and automatizzata dei compressori denominato CANESTRO TReatment Optimization 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

32 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.

33 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.

34 GLI STRUMENTI ON-LINE QIN Misuratore esistente Misuratore nuovo NO3 PO4 O2 NH4 T O2 SST NOx NO3 SST QOUT DEN OX1 OX2 SED QFS QRML QRF SST AIR QAIR

35 GLI STRUMENTI ON-LINE AEROBIC ZONE ANOXIC ZONE NH4 probe PO4 probe NO3 probe

36 GLI STRUMENTI ON-LINE N-NH4 Analyser AMTAXsc (Hach-Lange) P-PO4 Analyser PHOSPHAXsc (Hach-Lange)

37 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

38 CONTROLLO CANESTRO PARAMETRI OPERATIVI SUL SISTEMA SIMATIC IT Posizione valvole Misura di portata dell aria Misura DO in vasca per ogni linea Bottone per accedere ai parametri della regolazione

39 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

40 CONTROLLO CANESTRO PARAMETRI OPERATIVI SUL SISTEMA SIMATIC IT

41 La variazione del carico influente Carico_NH4 Carico_COD_sol Carico N-NH4 (kg/h) Carico COD (kg/h) Ora

42 La regolazione dell ossigeno (setpoint_o2) NH4_lotto2 O2 NH4(mg/l) ,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 - O2 (mg/l)

43 La regolazione dell ossigeno (setpoint_nh4) 3,0 O2 NH4 4,0 2,5 3,5 3,0 O2 (mg/l) 2,0 1,5 1,0 2,5 2,0 1,5 NH4 (mg/l) 1,0 0,5 0,5 0,0 0,0 0:00 4:48 9:36 14:24 19:12 0:00

44 La regolazione dell ossigeno (setpoint_nh4) 4,0 NH4 Potenza attiva 900 3,5 800 NH4 (mg/l) 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0, Potenza attiva (kw) 0,0 0 0:00 4:48 9:36 14:24 19:12 0:00

45 La regolazione dell ossigeno (confronto) Per. Media Mobile (Q_aria_mag2012) 20 Per. Media Mobile (Q_aria_mag2011) 5000 Portata aria (Nmc/h) t (giorni)

46 La regolazione dell ossigeno (confronto) Per. Media Mobile (Potenza att mag2012) 20 Per. Media Mobile (Potenza att.2011) Potenza attiva (kw) t (giorni)

47 L ossigeno disciolto ,0 3,5 3,0 Media Ossidazione Lotto 2 O2 (mg/l) 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Mesi

48 La sedimentabilità del fango DSVI= DSVI (ml/gss) nov-10 feb-11 mag-11 set-11 dic-11 mar-12 giu-12 ott-12 gen-13 Il netto miglioramento delle caratteristiche di sedimentabilità è dovuto all utilizzo del PAC10 (Policloruro di Alluminio) utilizzato per la defostazione chimica.

49 La rimozione dell azoto 80% 70% 2010_ TN removal: from 56% to 64% Nitrogen Removal 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% NOV DIC GEN FEB MAR APR

50 La rimozione dell azoto Year N tot,in kg/year N tot,out kg/year N tot removal % P tot,in kg/year P tot,out kg/year P tot removal % ,4% ,7% ,7% ,7% ,515, , % 173,439 65, % + 6 %, rispettati i nuovi limiti sulla rimozione dei nutrienti imposti dalla Regione Toscana nella area sensibile dell Arno

51 I consumi energetici kwh/mese E.E.= - 9% E.E.= - 20% CANESTRO CANESTRO + INVERTER NOV DIC GEN FEB MAR APR MAG GIU LUG AGO

52 Main operation data Consumi energetici Year E.E. GWh/y I Q kwh/m 3 I COD kwh/kgcod IE kwh/kg ,4 0,22 2,37 1, ,5 0,24 2,45 1, ,4 0, ,07-2 GWh/y! - 19%

53 Investimenti 2 Sonde AMTAX + 2 Filtrax+2 SC Accessori montaggio 8 Misuratori di portata Raddrizzatori di flusso Il bilancio economico Valore (k ) Totale Risparmi/Costi Valore (k /anno) E.E Costi manutenzione strumenti+reagenti +3 Pay-Back = 3-4 mesi

54 Main operation data Linea fanghi Year Biogas KNm 3 /y TS removal Wet sludge ton/y Biosolids tonss/y Total Solids % % ,9% % ,5% % ,6% Costi operativi Energia elettrica: - 2 GWh/y = /y Smaltimento del fango prodotto: ton/y = /y +39% di biogas Incremento dovuto a - fanghi chimici della defosfatazione (compensati dalla migliore digestione) - malfunzionamento della disidratazione finale

55 Strategia 2: scelta della SRT ottimale SRT Q in dig. COD in dig. COD out dig. Rend. digestione d m 3 /d kg/m 3 kg/m 3 % Fango Dry tonss/ anno Fango Wet ton/ anno Metano prodotto Nm 3 CH 4 /d

56 Costi Operativi attuali Costi: smaltimento, aerazione, addensamento, disidratazione 1,500 C.O. senza CHP Costo_O2 Costo_fango Costi operativi (k ) 1,300 1, C.O. Minimo SRT_OTT SRT(d)

57 I Costi Operativi con CHP Ricavi: autoconsumo E.E. Costi operativi (k ) 1,400 1,300 1,200 1,100 1, k Senza CHP C.O. Minimo Con CHP C.O. Attuale SRT(d)

58 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.

59 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.

60 Conclusioni 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.

61 Altri interventi presenti e futuri 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 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 Cogenerazione con microturbine a biogas. Potenziale da GWh/anno di E.E. per l autoconsumo.