Ing. Alice Balducci PHYSIS srl

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1 Workshop INNOVAZIONE TECNOLOGICA NELLA DEPURAZIONE DELLE ACQUE: BEST PRACTICES EUROPEE Festival dell Acqua, L Aquila 10 Ottobre 2013 Ing. Riccardo Gori Università di Firenze Ing. Alice Balducci PHYSIS srl Ing. Cecilia Caretti Università di Firenze P H Y S I S - I n g e g n e r i a p e r l A m b i e n t e s r l V i a B. L u p i 1, F i r e n z e Te l :

2 BANDO PER IL FINANZIAMENTO DIPROGETTI DIRICERCA FINALIZZATI AD INTERVENTI DIEFFICIENZA ENERGETICA E ALL UTILIZZO DIFONTI DIENERGIA RINNOVABILE IN AREE URBANE Responsabile del progetto: Finanziatore del progetto: Partner del progetto: 2

3 -Una città di abitanti consuma per la depurazione dei suoi reflui circa 5000 MWh/anno Tali impianti costituiscono un elemento strutturalmente collegato alle aree urbanizzate - Le acque reflue sono solitamente trattate in impianti di depurazione di tipo biologico aerobico. - Il consumo energetico principale è quello per il trasferimento dell ossigeno (45-75%) per i processi aerobici di ossidazione La ricerca ha avuto come obiettivo: realizzare un sistema per il controllo dell efficienza del trasferimento dell ossigeno in condizioni operative al fine di garantire il massimo stato di efficienza del sistema. (Stenstrom et al., 2008) 3

4 Il metodo off-gas è una tecnica per monitorare l efficienza dei sistemi di aerazione ad aria diffusa in condizioni di processo(redmon et al., 1983). Bilancio di massa in fase gassosa Ossigeno privato al gas = ossigeno trasferito al liquido 4

5 14/10/ Sistema di raccolta off-gas 2. Tubo di collegamento 3. Sonda LDO 4. Ossimetro 5. Analizzatore off-gas STRUMENTAZIONE 5

6 PARAMETRI MISURATI: - Contenutodi ossigeno nel flussi di gas(off-gas, Reference) - Portata di off-gas ANALIZZATORE OFF-GAS (frequenza acquisizioni 50 ms) - Concentrazione di ossigeno disciolto nella miscela aerata - Temperatura liquame - Temperatura aria ambiente - Pressione atmosferica 6

7 PARAMETRI CALCOLATI: efficienza di trasferimento in condizioni di processo (OTE, %): efficienza di trasferimento in condizioni standard (αsote, %): fattore α: α = αsote/sote C s,20 : concentrazione di saturazione in vasca a 20 C s,pwt : concentrazione di saturazione in condizioni di processo β= 1-(0.01 TDS)/1000 rateo di trasferimento dell ossigeno (OTR, Kg0 2 /h): 7

8 TIPOLOGIE DI INDAGINE: I. Prova di tipo puntuale su più zone della superficie della vasca di ossidazione. - I valori di efficienza di trasferimento sono riferiti ad una determinata condizione di carico e di esercizio. Prova ripetuta su più punti della vasca. - le prove sono effettuate seguendo le linee guida pubblicate dall ASCE in Standard Guidelines for In-Process Oxygen Transfer (1996) - duratadellaprove2/3orepervascadiossidazione II. Prova dinamiche in un punto della vasca di ossidazione. - I valori di efficienza di trasferimento sono riferiti ad un intervallo temporale ampio in cui si registrano condizioni di esercizio variabili. -leproveduranodisolito24ore 8

9 1. Migliorare la conoscenza del sistema di distribuzione dell aria nel suo complesso - misurare la portata d aria fornita alle vasche -valutare l omogeneità di distribuzione della portata d aria all interno della vasca -valutare l effetto delle valvole di parzializzazione disposte sulle tubazioni di distribuzione dell aria. 2. Stimare l efficienza di trasferimento dell ossigeno - ricavare il valore di αsote e stimare il fattore α da confrontare con i dati di progetto. 3. Stimare le emissioni di gas serra -misurare le emissioni di N 2 O, CH 4, CO 2 -Valutare le emissioni indirette di gas serra (kgco 2 /KWh) 9

10 14/10/ Valido supporto in fase di progettazione di un nuovo sistema di aerazione - effettuare una serie di test per verificare l efficienza di trasferimento dell ossigeno di più diffusori nell effettive condizioni di processo. - monitorare l andamento della perdita di efficienza degli stessi nelle condizioni di processo. 10

11 5. Quantificare la perdita di efficienza dovuta allo sporcamento dei diffusori eseguendo una serie di test nel tempo, sotto le stesse condizioni operative (SRT, SSV, soffiante, etc..), è possibile monitorare l andamento dell efficienza di trasferimento dell ossigeno nel tempo quantificare l aumento dei costi legati alla perdita di efficienza pianificare gli interventi di pulizia sui diffusori 6. Valutare l efficacia degli interventi di pulizia dei diffusori - quantificare il recupero di efficienza a seguito di un lavaggio dei diffusori guadagno economico dovuto al recupero di efficienza -confrontare diversi metodi di pulizia dei diffusori per trovare quello più vantaggioso in termini economici 7. Quantificare il risparmio legato ad un efficiente gestione della portata d aria quantificare il risparmio energetico legato ad una migliore gestione della portata d aria immessa in funzione della concentrazione di DO nelle vasche diprocesso e/onh 4 nell effluente 11

12 1. VALUTARE LO SPORCAMENTO DEL SISTEMA DI AERAZIONE: Su uno stesso impianto sono stati effettuati 4 test : - Giugno 2010: subito dopo l installazione del nuovo sistema di aerazione -Maggio 2012: dopo due anni dall istallazione del nuovo sistema di diffusori durante i quali non è stata effettuata alcuna operazione di pulizia - Luglio 2012: subito dopo la pulizia dei diffusori con acido peracetico - Gennaio 2013: dopo sei mesi di funzionamento dall ultima pulizia dei diffusori Fra il primo e il secondo test è stata sostituita la soffiante con una di potenzialità minore 12

13 1. VALUTARE LO SPORCAMENTO DEL SISTEMA DI AERAZIONE: Test Condizioni dei diffusori Qaria [Nm 3 /h] DO [mg/l] OTE [%] αsote [%] Giugno 2010 Nuovi Maggio anni di funzionamento Luglio 2012 Puliti Gennaio mesi di funzionamento Dopo due anni di funzionamento si è verificato un dimezzamento dell efficienza di trasferimento dell ossigeno. la riduzione è stata attribuita ad un progressivo sporcamento dei diffusori α CAMBIO DI GESTIONE OPERATIVA UTILIZZO SOFFIANTE DI POTENZIALITA MINORE E stata effettuata una pulizia dei diffusori mediante l iniezione di acido peracetico nelle condotte di mandata dell aria. idiffusorinonsonostatiestrattidallavascaelavascanonèstatasvuotata 13

14 1. VALUTARE LO SPORCAMENTO DEL SISTEMA DI AERAZIONE: Test Condizioni dei diffusori Qaria [Nm 3 /h] DO [mg/l] OTE [%] αsote [%] Giugno 2010 Nuovi Maggio anni di funzionamento Luglio 2012 Puliti Gennaio mesi di funzionamento Dopo la pulizia dei diffusori è stato riscontrato un netto miglioramento dell efficienza di trasferimento normalizzata. α - La perdita di efficienza del sistema era effettivamente dovuta allo sporcamento dei diffusori - la pulizia ha prodotto un incremento dell efficienza di trasferimento del60%. 14

15 1. VALUTARE LO SPORCAMENTO DEL SISTEMA DI AERAZIONE: Test αsote (%) Q aria necessaria* (Nm 3 /h) Consumo energetico (kwh/year) kwh COD rem Costoaerazione ( /years) COD rem Giugno Maggio Luglio Gennaio * Portata d aria necessaria a garantire un SOTR=26kgO 2 /h assumendo 0.55 come α-value - Un dimezzamento del valore di αsote si traduce in un aumento dei costi di gestione di circa 4500 /anno per un impianto da 3500 a.e. - L intervento di pulizia sui diffusori permette di riportare i consumi energetici ai valori iniziali, approssimativamente di 10kWh/a.e. anno - Assumendo un valore di emissione specifico (IEA,2012) di 0.406kgCO 2 /kwh, al risparmio energetico dovuto alla pulizia corrisponde una riduzione di emissioni di 11.4tCO 2 /annoe3.25kgco 2 /a.e.anno 15

16 2. CONFRONTO FRA DIFFUSORI NUOVI E USATI: Lo stesso impianto è dotato di quattro vasche di ossidazione in parallelo: -due con diffusori usati installati nel 2005; - due con diffusori nuovi installati un mese prima della prova. NUOVI USATI Per ciascuna vasca sono stati effettuati: - 2testsecondolaModalità I; - 1 test secondo la Modalità II, arco temporale di riferimento 16h 16

17 2. CONFRONTO FRA DIFFUSORI NUOVI E USATI: Dai risultati delle prove svolte sulla vasca con i diffusori usati, è emerso: αsote [%] Portata d aria media giornaliera [Nm 3 /h] Assorbimento [kwh/year] Costo aerazione [ /year] Diffusori usati Diffusori nuovi Conoscendo l αsote dei diffusori nuovi è stato possibile ricalcolare, a parità di OTR, gli stessi parametri. La sostituzione dei diffusori permette, per ciascuna vasca, di: - Risparmiare circa il 60% dell aria fornita -Ridurredioltreil50% i consumi energetici legati all aerazione -Diminuire dicirca ,00 icostiannuidovutialsistema diaerazione 17

18 3. GESTIONE OTTIMALE DELLA PORTATA D ARIA: E stato testato più volte uno stesso impianto: PRIMO TEST: gestione della portata d aria in modo proporzionale alla concentrazione di ossigeno disciolto in vasca SECONDO TEST: gestione della portata d aria in funzione della concentrazione di N-NH 4 in uscita dalla vasca di ossidazione 18

19 3. GESTIONE OTTIMALE DELLA PORTATA D ARIA: CONTROLLO PORTATA ARIA SU DO OTE 22-30% CONTROLLO PORTATA ARIA SU NH 4 OTE 24-35% -Il controllore sull NH 4 permette di limitare le fluttuazioni della portata d aria e di mantenere per la maggior parte del tempo un valore prossimo a quello minimo miglioramento in termini di efficienza di trasferimento - E stato inoltre osservato che il controllore sull NH 4 permette di mantenere in vasca, a parità di efficienza depurativa, livelli di ossigeno disciolto molto più bassi 19

20 3. GESTIONE OTTIMALE DELLA PORTATA D ARIA: Il cambio di gestione della portata d aria ha provocato una netto aumento dell aeration efficiency: AE = ρ = O 2 OTR P Q P AIR = ρ α O 2 Q SOTE C AIR P S, 20 OTE ( β C DO ) θ = S, pwt ( 20 ) T W DO AE Per l impianto considerato, un aumento del 10% nell OTE in media all anno corrisponde ad un risparmio di circa 500MWh/anno 20

21 La strumentazione e il protocollo di misura messi a punto durante il progetto AERE si sono dimostrati versatili ed utilizzabili su impianti di tutte le taglie. Il sistema di misura consente: - conoscenza più approfondita del sistema di distribuzione dell aria nel suo complesso; -un significativo risparmio energetico ed economico legato ad una migliore e più consapevole gestione del processo di aerazione; -di acquisire di informazioni utili per effettuare investimenti sul sistema di aerazione (sostituzione dei diffusori o pulizia); - di individuare il legame tra portata d aria ed efficienza di trasferimento dell ossigeno, utile nei casi di controllo avanzato del sistema di aerazione. L esecuzione delle misure non preclude il normale funzionamento dell impianto, possono quindi essere previste prove periodiche senza mettere a rischio l efficienza dell impianto. 21

22 Workshop INNOVAZIONE TECNOLOGICA NELLA DEPURAZIONE DELLE ACQUE: BEST PRACTICES EUROPEE Festival dell Acqua, L Aquila 10 Ottobre 2013 Ing. Riccardo Gori Università di Firenze [email protected] Ing. Alice Balducci PHYSIS srl [email protected] Ing. Cecilia Caretti Università di Firenze [email protected] P H Y S I S - I n g e g n e r i a p e r l A m b i e n t e s r l V i a B. L u p i 1, F i r e n z e Te l :