Il controllo e l impatto delle emissioni climaalteranti. depurazione

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1 Il controllo e l impatto delle emissioni climaalteranti dagli impianti di depurazione Prof. ing. Giorgio Mannina Gli SMART-PLANT del futuro: un approccio sostenibile alla depurazione tra recupero di materia ed energia 12 aprile Catania Università di Palermo Dipartimento di Ingegneria

2 Sommario Introduzione Meccanismi di formazione dei GHG Classificazione delle emissioni I sistemi ICA I sistemi di aerazione e le emissioni Conclusioni

3 Introduzione

4 Introduzione I gas climalteranti Increased by 70% Gt CO 2 eq/yr

5 Introduzione I gas climalteranti

6 Introduzione I gas climalteranti 3% dell emissione totale di origine antropica

7 Introduzione I gas climalteranti Origine dei GHG Diretta(processi biologici) Indiretta interna (consumo di energia elettrica o termica) Indiretta esterna (trasporto dei fanghi depurati)

8 Introduzione Pathwaydi formazione di N 2 O Nitrification NH 4 + NH 2 OH NO 2 - NO 3 - LITERATURE DATA mg L -1 N 2 O Denitrification NO - 2 NO N 2 O N 2 NO N 2 O Kampschreur et al., 2009 LowDO High nitrites High DO High nitrites Low COD/N

9 Introduzione Fattori influenti per N 2 O N 2 O Nitrification Denitrification Low O 2 High nitrite High O 2 High nitrite Low C/N Insufficient aeration Insufficient aeration High organic loading Low SRT combined with Toxic compounds insufficient aeration Low temperature High ammonium concentration Over - aeration COD limitation Nitrite transfer from nitrification stage Influent Characteristics Too efficient presedimentation Kampschreur et al. (2009)

10 Introduzione Variabilità N 2 O Variabilità delle misure di N 2 O Miglioramento della conoscenza sui processi Tecniche di misura standardizzate Modellazione matematica

11 Emissioni dirette 30 Risultati Emission Factor [%] max aver Sale e idrocarburi nel refluo trattato 0 min SB-MBR DN-MBR UCT-MBR UCT-MB-MBR

12 Emissioni dirette Risultati Emission Factor [%] 7 6 UCT-MBR UCT-MB-MBR 5 Valori 4 più elevati del fattore di emissione nei comparti aerati 3 Pellicole biologiche - miglioramento rimozione azoto - riduzionen 2 2 O 1 0 Anaerobic Anoxic Aerobic MBR

13 Emissioni indirette Variazione della portata di aria (aerobico e membrana) Individuare un legame costitutivo tra i costi e le emissioni Operational costs GHG emission Effluent quality Challenge Mannina et al. (2016b)

14 Emissioni indirette EQI [kg PU d -1 ] 2.0 (a) y = 2.035e-1.146x R² = 0.61 Riduzione di EQI all aumentare della portata d aria insufflata Air flow [m 3 h -1 ] Mannina Il controllo et al. e (2016b) l impatto delle emissioni clima-alteranti dagli impianti di depurazione

15 Emissioni indirette Indirect GHG [kg CO 2eq m -3 ] (a) L incremento della portata comporta un aumento delle emissioni Mannina Prof. Giorgio et al. (2016b) Mannina Università NO! di Palermo Analisi multi-parametrica y = e0.6318x R² = Air flow [m 3 h -1 ] Ridurre l aerazione?

16 I sistemi ICA

17 Il controllo e l automazione

18 Control & Automation because Disturbances are everywhere Compensate for them On-line sensors no longer the main limitation for on-line control Data acquisition monitoring Early warning Control Saving energy and resources Producing energy Consistent operation

19 Open loop control Timer Regulator Process No measurements are made to verify the control action

20 Open loop

21 Examples open loop control Control is based on a timer Sludge scrapers Grit removal Pump starts and stops Compressor starts and stops

22 Closed loop - feedback

23 The feedback principle Disturbances Process Actuator Measurement Decision

24 Feedback Concept of feedback used everywhere Society Economy economic data is fed to the Central Bank, which controls the interest rate in order to keep the inflation at a certain level Nature Human body the nerve cells senses the temperature and the brain controls the muscles to restrict the skin capillaries Feedback corrective action based on measurements

25 Added controllability (1) Bioreactors anaerobic, anoxic, aerobic zones More sophisticated air supply Separate control of zones Variable pressure control More intermittent systems (SBR) Aerated tank settling operation

26 Added controllability (2) More recirculations e.g. nitrate recirculation Chemicals added enhanced primary clarification chemical P removal Volatile fatty acids enhance Bio-P External carbon control denitrification

27 Aeration 4 Closed loop DO profile control PLC Communication Variable speed drive Aerator DO sensors Compressor Air flow

28 Dissolved oxygen (DO) Control DO setpoint Desired airflow DO controller Airflow controller Valve opening Air flow system Air flow Air flow Aerator DO DO control system Air flow control system

29 NH 4 based DO controller Ammonia conc. (Setpoint=3) DO setpoint value Variable DO setpoint further 10-15% savings Ingildsen

30 I sistemi di aerazione

31 Il sistema di aerazione Negli impianti a fanghi attivi i costi energetici rappresentano un aliquota importante dei costi totali di esercizio (in aumento) Ripartizione dei consumi energetici di un impianto di depurazione di acque reflue urbane di grande potenzialità ( a.e.) Tra i consumi energetici il principale è quello dell aerazione delle vasche di ossidazione (solitamente il 50-60%) Il sistema di aerazione ha un ruolo chiave nel determinare i consumi energetici degli impianti e le emissioni di gas serra 31

32 Trasferimento dell ossigeno 45,0 0,60 Air Flow Rate (1000 m 3 /h) 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 200,00 300,00 400,00 500,00 Slide courtesy of Diego Rosso CCOD (mg/l) 0,50 0,40 0,30 0,20 Alpha

33 Trasferimento dell ossigeno Slide courtesy of Diego Rosso

34 Trasferimento dell ossigeno SPORCO PULITO Photo courtesy of SYB Leu

35 Il metodo off-gas Il metodo off-gas è una tecnica per il monitoraggio dell efficienza di trasferimento dell ossigeno in condizioni di processo di sistemi di aerazione ad aria diffusa (Redmon et al., 1983). Bilancio di massa dell ossigeno in fase gassosa Ossigeno trasferito in fase liquida = Ossigeno rimosso dalla fase gassosa 1. Cappa 5. Analizzatore 3. Sonda ossigeno 2.Connessione 4. Ossimetro

36 1. Sistema di raccolta off-gas 2. Tubo di collegamento Il metodo off-gas 3. Sonda LDO 4. Ossimetro 5. Analizzatore off-gas

37 Il metodo off-gas

38 Il metodo off-gas 1. La misura viene effettuata su una serie di punti individuati in base alla geometria della vasca e del sistema di aerazione(almeno ii 2% della superficie della vasca) 2. In ogni posizione si misura, alternativamente il contenuto di ossigeno in aria (Reference) e nell off-gas 3. Oltre alla misura del contenuto di ossigeno nell off-gas si rilevano altri parametri (ad esempio la portata di off-gas e la concentrazione di ossigeno disciolto nella fase liquida) necessari alle successive elaborazioni

39 Il metodo Introduction off-gas Grandezze calcolate: Efficienza di trasferimento in condizioni standard in acqua di processo(αsote, %): αfactor: α = αsote/sote Rateo di trasferimento (OTR, KgO 2 /h): Efficienza di aerazione (AE, Kg02/kWh): AE = OTR/P

40 Reattore plug-flow in un impianto a fanghi Estimating airflow distribution attivi convenzionale di media potenzialità Caso studio p.e. ELASTOX-T standard Diametro[mm] 270 Superficie [cm 2 ] ~560 Portata d aria specifica [Nm 3 /h] 6/8 Densitàdei pori[1/cm 2 ] 12 Distribuzione della portata d aria[nm3/h] Distribuzione della concentrazione di DO [mg/l] 40

41 Conclusioni Il contenimento delle emissioni, dirette ed indirette, di gas clima-alteranti è necessario ma richiede delle procedure/protocolli più semplici Il controllo e l automazione sono degli strumenti molto potenti e possono dare delle risposte efficaci alle emissioni I sistemi di aerazione sono un segmento rilevante dell impianto: il loro efficientamento porta ad una riduzione delle emissioni

42 Giorgio Mannina Università di Palermo