Il controllo dei consumi energetici nei sistemi MBR

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1 Unverstà degl Stud d Napol Federco II Unverstà degl Stud d Palermo Unverstà degl Stud d Salerno Corso d Aggornamento BoMAc 2013 Boreattor a Membrane (MBR) per la depurazone delle Acque Il controllo de consum energetc ne sstem MBR Gorgo Mannna, Unverstà d Palermo Palermo, 4-5 Luglo, 2013

2 Introduzone

3 Introduzone Tecnologa compatta Elevata qualtà dell effluente Concentrazone elevata d bomassa Basse concentrazon d TSS nell effluente Rtenzone d patogen Degradazone d nqunant resstent Foulng Elevat consum energetc Lavagg chmc Sosttuzone della membrana Rchesta d automatsm

4 Introduzone Foulng Deposto rreversble: deposto nterno alla membrana d molecole e partcelle con dametr mnor o confrontabl con quello de por d p d m, dovuto prevalentemente al fenomeno d pore blockng Deposto reversble: deposto superfcale sulla membrana d macromolecole e partcelle con dametro maggore d quello de por d p d m, dovuto prevalentemente al fenomeno d cake deposton Varabl operatve J TMP = µ R x

5 Introduzone Mtgazone del foulng Rmozone del foulng Lavagg chmc Lavagg fsc Ottmzzazone delle condzon operatve (aerazone, SRT etc ) Lmtazone del foulng Modfche delle caratterstche della bomassa (agent coagulant o flocculant, agent adsorbent etc )

6 Introduzone IL RUOLO DELL AERAZIONE L aerazone rveste un ruolo chave nella mtgazone del fenomeno del foulng e nel computo della rchesta energetca globale per la gestone d un mpanto MBR Aumento della rchesta energetca l aerazone per > Portata d ara Aumento dello sforzo d taglo sulla superfce della membrana dovuto alla maggore turbolenza del fludo Rduzone della dmensone de focch e conseguente rlasco d sostanze polmerche extracellulare (EPS) (Meng et al., 2008)

7 Introduzone Problematche Gl stud present n letteratura mostrano ancora una mancanza d conoscenza sul fenomeno del foulng e sulle nterazon esstent tra var fattor che lo nfluenzano (Drews, 2010) Notevol dffcoltà nell ndvduare le condzon operatve ottmal al fne d rdurre l foulng e conseguentemente cost energetc ad esso anness modell matematc???

8 Introduzone I modell matematc MBR Modell MBR Fsc Bologc Integrat Ibrd Vantagg de modell ntegrat Strumento d prevsone del foulng Supporto decsonale per la scelta delle condzon operatve ottmale per la rduzone de cost Upgradng della conoscenza del fenomeno del foulng

9 Obettv Indvduazone delle mglor stratege gestonal n termn d portata d ara (qa), d temp d controlavaggo (Tb) e d fltrazone (Tf) che garantscano la sostenbltà de cost gestonal e l alta qualtà del refluo trattato Impanto plota UCT-MBR + Modello matematco d smulazone

10 Materal e metod Il modello - Mannna et al., 2011 Modello bologco Modello ntegrato ASM2d-SMP-P Modello fsco

11 Materal e metod Il modello matematco La bomassa sospesa è stata modellata sulla base d equazon dfferenzal rappresentant blanc d massa de sngol component e le cnetche d Monod: Process Smulat crescta degl eterotrof; decadmento degl eterotrof; crescta aerobca degl autotrof; decadmento degl autotrof; formazone SMP; drols degl SMP; degradazone degl SMP. Modellazone de process d foulng ne sstem MBR

12 Materal e metod Il modello matematco Descrzone del modello Formazone del deposto superfcale Il materale sporcante è dstrbuto n modo non unforme sulla superfce della membrana sludge cake lunghezza [m] Intenstà del sstema d areazone G G [s-1] Dynamc sludge cake Sludge (dopo la fase d controlavaggo) Sstema d areazone G ρs g qa ; ε < εa µ s = (2ε εa) π sn 2ε a ρs g q µ s a ; ε εa t1 t2 t3

13 Materal e metod Il modello matematco n Membrana J tot J tot J = = n Ltot ε E =1 = 24 J 24 J + K G L tot Flusso locale della generca sezone Probabltà d adesone de sold f a dm dt sf dm dt sf a, d, = E = K MLSS J d M sf Adesone Dstacco Spessore del cake layer medo rreversble f δ(t) M ( t) = M ( t 1 sf, sf, ) dm + dt dt dm dt adesone dstacco sf a, sf d, ( t) = N = 1 δ M ρ n c tot, Sstema d aerazone

14 Materal e metod Il modello matematco Effetto della membrana bologca: Teora del deep-bed Secondo la teora del deep-bed l cake s comporta come uno strato fltrante lungo l quale s nstaura un proflo d concentrazone del COD S 1-1 S 22 S 1-1 : concentrazone del COD sol all nterno del reattore n seguto alla degradazone bologca S 2-2 : concentrazone del COD sol all nterfacca cakemembrane λδ Effetto della membrana bologca S2 2 = S1 1e Dove λ è l parametro d screenng, che rappresenta la frazone della componente soluble del COD trattenuta dall untà d cake (Kuberkar and Davs, 2000) z ds dz = λs

15 Descrzone del modello S 3-3 : concentrazone del CODsol nel permeato S 1-1 S 22 S 3-3 S = fs Effetto della membrana Permeate Dove f rappresenta la frazone d COD che attraversa la membrana (Jang et al., 2006) L effetto globale della fltrazone (bologca e fsca) è defnto dal fattore totale d fltrazone f* ( λδ) fe = f * S = f S *

16 Materal e metod Il modello matematco Descrzone del modello Modello d Resstenze n sere: approcco per sezon R, ( t) = Rm + Rp, + Rdc, ( t) Rsc, ( t) tot + R dc, R, ( t) rdc M dc, ( t) dc = Resstenza del dynamc flm r dc = TMP µ 2 p p Ssmp ( t) a + b 1 exp c 0.8MLSS d R po, ε R, ( t) rsc M sc ( t) sc = Resstenza dello stable cake è stato potzzato: r sc = r dc R p, Jtot t = rpo fltr Resstenza del pore foulng R tot ( t) = N L tot 1 1 R = 1 tot, TMP( t) = µ J R ( t) p tot tot R sc, R m

17 Materal e metod Calcolo delle potenze rcheste P w = wrt p ( 0.283) e 1 p1 Potenza rchesta per l aerazone (kw) P eff = t 1 1TMP Qeff ( t) t1 t η t0 dt Potenza rchesta per l estrazone del permeato (kw)

18 Materal e metod Effluent Qualty Index (EQI) kgpud -1 EQI = T t 1 ( βcod CODe ( t) + β NH S NH ( t) + β NO S NO ( t) + β PO S PO ( t) ) Qeff ( t) dt e e e t 0 β COD, β NH, β NO e β PO rappresentano rspettvamente pes relatv alle concentrazon effluent d COD (COD e( t)), ammonaca (S NHe (t)), ntrat (S NOe (t)) and ortofosfato (S POe (t)). In questo studo: β COD = 1, β NH = 20, β NO = 20 and β PO = 50 (Jeppsson et al., 2007; Maere et al., 2011). Potenza totale: somma delle potenze rcheste per l aerazone e per l estrazone del permeato Ptot = Pw + Peff Somma de cost per m 3 trattato kwh m ( Pw) 3 kwh + m ( Peff ) 3 + kwh ( lavagg) 3 m aerazone estrazone Costo lavagg chmc Costo untaro ( kwh -1 )

19 Costruzone del programma L mplementazone degl algortm del modello è stata effettuata mettendo a punto un programma con lnguaggo d programmazone Fortran. Il programma fornsce la possbltà d rsolvere gl algortm del modello e d svolgere la successva fase d calbrazone.

20 Materal e metod Caso studo Il modello ntegrato ASM2d-SMP SMP-P è stato applcato ad un sstema UCT-MBR 0 M 4 Q 0 M RR Portata d almentazone 40lh -1 Membrane Zenon Zeeweed a fbre cave ( porostà 0.04µm) Reattore 1 Anaerobco Reattore Anossco 2 Reattore Aerobco Effluente 5 P4 PT QR1 P1 QR2 M ODR P2 SW P3 MBR P5 6 3 Smulazone dnamca d 165 gorn LEGENDA M Agtatore QR1-QR2 Rcrcolo d bomassa PT Vasca del permeato RR Rcrcolo d retentato P1-P2- P3 Pompa d rcrcolo d bomassa SW Fango d supero P4- P5 Pompa d estrazone del permeato Valvola bdrezonale ODR Reattore d rduzone dell'ossgeno Punto d camponamento Utlzzo de valor calbrat de parametr cnetc, stechometrc e fsc (Cosenza et al., 2011; Mannna et al., 2011)

21 Materal e metod Scenar nvestgat Scenaro benchmark (1): qa, Tf e Tb ugual a valor ndcat dal produttore Scenaro 2: varazone d qa all nterno d un range fssato (smulazon Monte Carlo) Scenaro 3: varazone d Tf e Tb all nterno d un range fssato (smulazon Monte Carlo) Descrzone Smbolo Untà Valore produttore Range* Portata specfca d ara qa L m -2 s Durata fltrazone Tf mn Durata controlavaggo Tb mn * Dstrbuzone unforme

22 Rsultat Scenaro 1 Resstenze e spessore medo del cake Resstenze [10 12 m -1 ] (a) Tempo [d] R rev R rr Spessore medo del cake [10-2 mm] (b) Tempo [d]

23 Rsultat Scenaro 1 Spessore del cake lungo la membrana Altezza della membrana [m] (a) Tempo: gorno (b) Tempo: gorno Spessore del cake [10-1 mm] Spessore del cake [10-1 mm] Gorno 58: prmo cclo subto dopo l lavaggo Gorno 84: ultmo cclo prma del lavaggo

24 Rsultat Scenaro 1 P w [kwh m -3 ] P eff [10-3 kwh m -3 ] EQI [kgpu d -1 ] Cost [ m -3 ] La potenza d estrazone (P w ) n mpant real vara tra 0.23 e 0.45 kwh m -3 In accordo a quanto rscontrato da Maere et al. (2011) maggor valor d Pw ottenut sono dovut alle modaltà d gestone dell aerazone che a dfferenza degl mpant real vene consderata contnua La potenza del sstema d aerazone (P eff ) è funzone del valore d TMP massmo raggunto che nel caso specfco è d 17kPa

25 Rsultat Scenaro 2 Varazone d qa: 2-15 L m - 2 s -1 P -3 eff [10-4 kwh m ] P -3 w [kwh m ] La potenza del sstema d aerazone (Pw) cresce lnearmente con qa La potenza d estrazone del permeato (Peff) decresce al crescere d qa q a [L m -2 s -1 ] < spessore medo < TMP Ruolo degl SMP < Rt Peff

26 Rsultat Scenaro 2 Varazone d qa: 2-15 L m - 2 s -1 < spessore medo Altezza della membrana [m] Tempo: gorno L m -2 s -1 5 L m -2 s -1 2 L m -2 s Spessore del cake [mm 10-1 ] Rduzone d crca l 70% dello spessore del cake lungo la membrana varando da 2 a 15 L m -2 s -1

27 Rsultat Scenaro 2 Varazone d qa: 2-15 L m - 2 s -1 Ruolo degl SMP Concentrazone [mgsmp L -1 ] L m -2 s -1 L m -2 s -1 L m -2 s Tempo [d] All aumentare d qa dmnusce la concentrazone d SMP all nterno del reattore MBR perché una maggore frazone sfugge per va della fltrazone. La rduzone d SMP comporta una sostanzale dmnuzone della Rt

28 Rsultat Scenaro 2 Varazone d qa: 2-15 L m - 2 s -1 COSTI Cost [ m -3 ] q -2-1 a [L m s ] Crescta lneare de cost total con qa fno ad un massmo d 1.26 m -3 90% de cost total attrbuble alla rchesta energetca per l aerazone

29 Rsultat Scenaro 2 Varazone d qa: 2-15 L m - 2 s -1 EQI 315 EQI [KgPU d -1 ] q a [L m -2 s -1 ] LA CONDIZIONE OTTIMALE IN TERMINI DI COSTI, EQI E POTENZE RICHIESTE SI HA PER UN VALORE DI qa=2lm -2 s -1

30 8 Rsultat Scenaro 3 Varazone d Tb e Tf Tcclo = Tb + Tf P eff [10-4 kwh m -3 ] Tb<Tb_max Tb_max Tb=Tb_max Tcclo [mn]

31 Rsultat Scenaro 3 Varazone d Tb e Tf Costo relatvo a P eff [ 10-4 m -3 ] EQI [kgpu d -1 ] Tcclo [mn] Tcclo [mn] Le varazone de cost total rsultano trascurabl perché qa (peso maggore) è costante Rduzone dell EQI all aumentare del tempo d cclo per effetto del rdotto contrbuto depuratvo legato alla presenza del cake Maggore varazone dell EQI rspetto allo scenaro 2 per effetto della maggore nfluenza d Tb e Tf sullo spessore del cake LA CONDIZIONE OTTIMALE IN TERMINI DI COSTI, EQI E POTENZE RICHIESTE SI HA PER UN VALORE DI Tb=5mn e Tf=15mn

32 Concluson L accoppamento d stud spermental e modellstc s è rlevato un ottma pratca per una mglore comprensone de fenomen fsc/chmc/bologc che hanno luogo n un mpanto UCT-MBR. Il modello ntegrato UCT-MBR ha consentto d ndvduare le mglor varabl operatve che consentono nel contempo d mnmzzare cost e le concentrazon allo scarco. Il fenomeno del foulng goca un ruolo chave nella mnmzzazone de cost; Temp d cclo d 15 mnut hanno fornto le condzon mglor per la mnmzzazone della potenza d estrazone. In termn d EQI valor d tempo d cclo d mn fornscono un buon compromesso con rfermento al foulng. In termn d portata d ara valor d qa par a 2 l/m 2 /h consentono d mnmzzare sa cost che l EQI. La rduzone del foulng ncrementando la portata d ara non compensa la rduzone della potenza (potenza aerazone>>>potenza estrazone).

33 Graze per l attenzone Gorgo Mannna Dpartmento d Ingegnera Cvle, Ambentale, Aerospazale, de Materal UNIVERSITÀ DI PALERMO gorgo.mannna@unpa.tt BoMAc 2013

34 Concluson Graze per l attenzone!! gorgo.mannna@unpa.t

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