L automazione di processo negli impianti di depurazione in Publiacqua spa

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1 La depurazione idrica in Italia: da criticità ad opportunità Firenze, Venerdì 20 ottobre 2017 L automazione di processo negli impianti di depurazione in Publiacqua spa S. CAFFAZ, L.PARRONCHI, A.PORCINAI Publiacqua S.p.A.

2 LA DEPURAZIONE IN PUBLIACQUA Comuni=46 Area = 3380 kmq Abitanti residenti= Fognatura= 3837 km Copertura servizio fognatura pari a 87,9%, corrispondenti a circa abitanti residenti serviti Impianti di depurazione acque reflue urbane = 127 Copertura servizio depurazione = 79,75%, corrispondenti a circa abitanti residenti serviti

3 LA DEPURAZIONE IN PUBLIACQUA 127 Impianti di trattamento delle acque reflue urbane = AE: 1 (S.Colombano, Area Fiorentina); CAS AE: 4 (Aschieto, S.Giovanni VA, Pistoia, Borgo S.Lorenzo); CAS AE: 5 (Figline VA, P.Niccheri, S.Giusto, Quarrata, Seano); 4 CAS, 1 MBR AE: 22, 18 CAS, 2 SBR, 1 MBR, 1 fitodepuratore con biodischi <2000 AE (Trattamenti appropriati): 95; CAS, SBR, fitodepuratori, fosse Imhoff, ecc.

4 DIRETTIVA 91/271/EEC: AREE SENSIBILI Mean value P.E. > P.E. concentration Minimum % of reduction concentration Minimum % of reduction Total Phosphorus (mg/l P) 2 mg/l 80 1 mg/l 80 Total Nitrogen(mg/l N) 15 mg/l mg/l

5 LA NORMATIVA IN TOSCANA Tab.3 Tab.2 Decreto Legislativo 152/2006 Art.4 I piani stralcio sono aggiornati tenendo conto della necessità di garantire il raggiungimento, entro sette anni dall identificazione delle aree sensibili, degli obiettivi di riduzione del carico di azoto totale e fosforo totale di cui all articolo 106, comma 2, del d.lgs. 152/2006. Toscana Legge Regionale 28/2010

6 LEGGE REGIONALE 50/2011 6

7 DELIBERA REGIONE TOSCANA 1210/12

8 Innovazione tecnologica nella Depurazione delle acque reflue in Publiacqua Strategie di potenziamento, rimozione nutrienti e risparmio energetico Grandi Impianti >50000 AE Sistema CANESTRO Cicli alternati con automazione avanzata di processo Impianti medi AE Cicli alternati con automazione avanzata di processo MBR Piccoli Impianti <10000 AE Cicli alternati a tempo Cicli alternati con automazione semplice di processo MBR, MBBR,SBR

9 L IDL San Colombano Anaerobic digestion Pre-tretments: fine bar screen, grit removal, primary sedimentation Conventional Activated sludge process: Predenitrification, oxidation-nitrification,secondary sedimentation

10 Carichi trattati Main operation data Year Q Gm3/y COD Mton/y N Mton/y P Mton/y ,2 8,73 1,73 0, ,9 8,94 1,65 0,19 Dal Maggio 2015: avviamento della terza linea di San Colombano AE progetto = AE sul volume fatturato = 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

11 Main operation data Linea fanghi Year Biogas knm 3 /y TS removal Digestate ton/y Biosolids tonss/y Total Solids % ,0% ,8% ,8% ,0% Costi operativi Energia elettrica: GWh/y = /anno (25-40% per l aerazione) Smaltimento del fango prodotto: ton/y al 24% di SS = k /anno

12 La vasca biologica AEROBIC ZONE ANOXIC ZONE

13 Il sistema di aerazione

14 Portata aria [Nm3/h] IL RISPARMIO ENERGETICO Aeration Efficiency del sistema AE O 2 OTR Q P P AIR O 2 y = x R² = Q SOTE C AIR P S,20 OTE C S, pwt 20 T W DO DO AE Potenza attiva [kw]

15 Il controllo dell ammonio Dall eq. generale di un CSTR con biomassa nitrificante si ottiene: A A NH A_ max 4, O ( T ) 2, T K S _ NH b A NH 4 4 NH 4 1 ( T ) SRT K O O2 O 2 Se SRT&T = cost O 2 NH 4+

16 Il processo evolutivo di S.Colombano 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

17 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 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.

18 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

19 GLI STRUMENTI ON-LINE NH4 O2 QAIR Regolazione della portata d aria Nitrificazione NO3 Regolazione del ricircolo interno Denitrificazione PO4 Regolazione della portata di PAC10 Defosfatazione

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

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

22 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

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

27 DSVI (ml/gss) La sedimentabilità del fango DSVI= Il netto 40 miglioramento delle caratteristiche di sedimentabilità è dovuto nov-10 all utilizzo feb-11 del mag-11 PAC10 (Policloruro set-11 dic-11di mar-12 Alluminio) giu-12 utilizzato ott-12 gen-13 per la defostazione chimica.

28 Weir La co-precipitazione del P a San Colombano Dal dicembre 2011 la defosfatazione chimica è stata implementata in piena scala a San Colombano Il punto di dosaggio del PAC è posto immediatamente a monte dello stramazzo finale della vasca di ossidazione per sfruttare la miscelazione rapida dovuta allo stramazzo stesso. OXIDATION TANK PAC dosage On-line P-PO 4 3- analyzer To the secondary settlers Data elaboration PAC tank

29 La co-precipitazione del P a San Colombano

30 La rimozione dei nutrienti 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, % Rispettati i nuovi limiti sulla rimozione dei nutrienti imposti dalla Regione Toscana nella area sensibile dell Arno

31 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%

32 Main operation data Consumi energetici Year E.E. GWh/y I Q kwh/m 3 I COD kwh/ kgcodrim IE (*) kwh/kg ,77 0,19 1,93 0, ,33 0,21 2,05 1,09 IE kwh kg E.E. kwh COD N-NH rimosso kg rimosso 4

33 Removal efficiency PARAMETER Year 2016 Influent mg/l Effluent mg/l Removal % BOD 5 33,9±16,4 2,2±1,3 93,5% COD 124,4±42,9 24,6±9,9 80,2% SST 61,6±17,0 2,5± 0,8 96,0% N-NH ,2±2,3 2,3±0,7 94,8% Total N 23,0±7,2 8,2±2,2 64,3% Total P 2,7±1,2 0,9±0,4 67,2% La bassa efficienza di rimozione dell N è dovuta al rapporto COD/N nel refluo in ingresso, in media sempre < 6

34 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 E.E. Costi manutenzione strumenti+reagenti Valore (k /anno) Pay-Back = 3-4 mesi

35 Il bilancio economico Rendicontazione anni TEE (Certificati Bianchi) Valore economico totale Valore netto per Publiacqua k 140 k

36 L IMPIANTO DI SAN GIUSTO Impianto gestito da Publiacqua SpA Potenzialità a.e. Portata media annua 2 Mm 3 /anno I cicli alternati sono stati applicati modificando le 2 vasche carousel Passavant presenti LAYOUT 36

37 LE MODIFICHE AL COMPARTO BIOLOGICO MISCLELATORI XYLEM LOW-SPEED MIXERS SONDA AMTAX sc. HACH SONDA NITRATAX Plus sc. HACH 37 37/14

38 NUOVA STRATEGIA DI CONTROLLO (WEST) 38

39 SIMULAZIONI CON IL NUOVO SISTEMA DI CONTROLLO Differente Riduzione numero di cicli: fasi di aerazione concentrazione più brevi azoto e fasi di miscelazione totale effluente più lunghe Controllo a tempo Nuova Strategia Sonde (NH 4 -NO 3 ) Migliore gestione della concentrazione di DO: incremento dell efficienza di trasferimento dell ossigeno (OTE) 39

40 DA OTTOBRE 2013 IMPIEGO DEL NUOVO SISTEMA DI CONTROLLO 40

41 DA OTTOBRE 2013 IMPIEGO DEL NUOVO SISTEMA DI CONTROLLO MODELLO CONTROLLO REALE Dal pannello di controllo dell impianto è possibile visualizzare ed impostare il nuovo sistema di controllo E possibile seguire il funzionamento del sistema di controllo 41

42 RISULTATI OTTENUTI: RISPARMIO ENERGETICO Nuova partizione media dei cicli: dal 45% al 30% aerazione dal 55% al 70% miscelazione Risparmio energetico kw kwh/d MWh/anno k /anno

43 RISULTATI OTTENUTI: LA RIMOZIONE DELL AZOTO 8 COD/TN % Azoto Totale rimosso Vecchia Controllo Timer gestione automatico cicli Anno TN_in (mg/l) TN_out (mg/l) Rimozione (%)

44 Trattamenti preliminari e predenitro Sedimentazione secondaria Linea fanghi Vasche di ossidazione

45 L IDL Ponte a Niccheri I step: sostituzione di 4 turbine superficiali con diffusori a bolle fini e 3 nuove soffianti con inverter

46 L IDL Ponte a Niccheri

47 L IDL Ponte a Niccheri II step: implementazione delle nuove sonde di processo, NH 4 + e NO 3 -

48 L IDL Ponte a Niccheri III step: implementazione nuovo controllo ad aerazione intermittente con l utilizzo della sola centralina HACH SC1000: - ON-OFF soffiante su intervallo max-min di NH Controllo PID dell ossigeno mediante regolazione della velocità della soffiante (Inverter) - Tempi massimi e minimi per Nitrificazione e Denitrificazione - Opzione switch su controllo in continuo dell O 2 in caso di guasto Amtax.

49 L IDL Ponte a Niccheri

50 L IDL Ponte a Niccheri

51 L IDL Ponte a Niccheri Anno N tot,in mg/l N tot,out mg/l N tot removal % P tot,in mg/l P tot,out mg/l P tot removal % % % % % Rispettati i nuovi limiti sulla rimozione dei nutrienti imposti dalla Regione Toscana nella area sensibile dell Arno

52 L IDL Ponte a Niccheri Year E.E. kwh/y I Q kwh/m 3 IE kwh/kg ,42 1, ,34 1, MWh/y -27k /y - 19%

53 Conclusioni I nuovi limiti allo scarico sui nutrienti nell area sensibile del bacino dell Arno hanno imposto nuove strategie sul controllo di processo L upgrade dei processi di rimozione dell azoto si coniuga con il risparmio energetico (sfruttamento dell energia chimica del nitrato) L implementazione di nuovi strumenti on-line e l automazione avanzata dei processi hanno consentito di raggiungere gli obiettivi senza significative modifiche impiantistiche L analisi costi-benefici determina l opportunità e il grado di complessità dell automazione installata in ciascun impianto

54 Conclusioni Anno N tot,in kg/anno N tot,out kg/year N tot removal % P tot,in kg/year P tot,out kg/year P tot removal % ,323, , , , ,600, , ,462 95, % di kgn rimossi + 61% di kg P rimossi

55 GRAZIE PER L ATTENZIONE