Strategie di regolazione di un impianto di predenitrificazione + nitrificazione e denitrificazione in alternanza ed esperienze gestionali

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1 predenitrificazione + nitrificazione e ed esperienze gestionali Copyright by ARA PUSTERIA SPA Data: Gennaio 2009 Allegato: Autore: 1 Floronzo-Tobel 54 I San Lorenzo di Sebato info@arapustertal.it Dr. Ing. Konrad Engl Floronzo-Tobel I San. Lorenzo di Sebato KonradE@arapustertal.it S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008IT.DOC Seite 1 von 15

2 Indice 1 INTRODUZIONE CONDIZIONI GENERALI VALORI LIMITE VALORI MISURATI ALL USCITA DELL IMPIANTO UTILIZZO DI ANALIZZATORI ON-LINE STRATEGIE DI REGOLAZIONE NITRIFICAZIONE Regolazione della nitrificazione Abbattimento Riduzione dei costi DENITRIFICAZIONE Regolazione della denitrificazione Abbattimento NITRIFICAZIONE-DENITRIFICAZIONE IN ALTERNANZA LINEA Strategie di regolazione della nitrificazione Regolazione sul tempo Regolazione su due set-point di NO 3 -N Regolazione su due set-point di NH 4 -N Regolazione sul tempo e su un set-point di NH 4 -N Abbattimento Risparmio di costi in confronto alle linee con predenitrificazione DESFOSFATAZIONE SIMULTANEA Regolazione della desfosfatazione Abbattimento DEFLUSSO DEI FANGHI DI SUPERO Regolazione del deflusso dei fanghi di supero ALCALINITÁ Regolazione del ph nella biologia PROGNOSI...15 S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008IT.DOC Seite 2 von 15

3 Strategie di regolazione di un impianto con predentitrificazione con analizzatori on-line - Parola chiave: Nitrificazione, Denitrificazione, Desfotatazione, Depurazione acque reflue, analizzatori on-line Constatando che i gestori di impianti hanno opinioni molto divergenti riguardo l utilizzo di analizzatori on-line, si vuole far presente la nostra esperienza con l utilizzo di analizzatori on-line per la regolazione di vari processi. Detti analizzatori sono in funzione dalla messa in esercizio del nostro impianto risalente all anno Introduzione L impianto di depurazione di Media Pusteria a Brunico (Figura 1) é stato costruito in sotteranneo Figura 2). Il depuratore fu dimensionato per abitanti equivalenti biologici. Il bacino idrografico é di km 2 e 14 comuni sono allacciati al nostro depuratore. La grigliatura grossolana, la grigliatura fine il dissabbiatore e disoleatore sono stati realizzati in due line, mentre la vasca di prima sedimentazione, la predentrificazione, la nitrificazione e la seconda sedimentazione sono ripartite in 4 linee. Tutte le linee sono attrezzate con i seguenti strumenti di misura: misura di sostanza secca, ph ed ossigeno nelle vasche d ossidazione, NO 3 -N all uscita della dentrificazione, NH 4 -N und PO 4 -P all uscita della nitrificazione. Figura 1 S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008IT.DOC Seite 3 von 15

4 Figura 2 2 Condizioni generali 2.1 Valori limite I valori limite da rispettare sono elencati nella tabella 1. Tabella 1 Parametri [ mg/l ] Normative CEE Legge provinciale Dimensionamento Abbattimento [ % ] [ mg/l ] Abbattimento [ % ] [ mg/l ] BOD (1) 15 COD (2) 75 Abbattimento [ % ] N Total (3) P Total (4) 1 SS (5) 30 Spiegazioni: I valori limite sono da mantenere nella media annuale. (1) Il rendimento del 90 % vale solo per concentrazioni all entrata > 250 mg/l (2) Il rendimento dell 80 % vale solo per concentrazioni all entrata > 500 mg/l (3) rendimento dell 80 % vale solo per concentrazioni all entrata > 50 mg/l (4) Il rendimento del 90 % vale solo per concentrazioni all entrata > 10 mg/l (5) Il rendimento del 90 % vale solo per concentrazioni all entrata > 350 mg/l I valori limite per il parametro N Total non sono da mantenere qualora le temperature del liquame nella biologia siano inferiori a 12 C (Legge Provinciale) S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008IT.DOC Seite 4 von 15

5 2.2 Valori misurati all uscita dell impianto In tabella 2 sono elencati i valori medi annuali all entrata ed all uscita del depuratore: Tabella 2 Anno BOD [ mg/l ] COD [ mg/l ] N Total [ mg/l ] P Total [ mg/l ] Entrata Uscita Entrata Uscita Entrata Uscita Entrata Uscita ,64 3,67 297,81 15,43 26,12 7,58 4,74 0, ,17 4,35 321,42 19,39 31,12 8,35 4,77 0, ,74 3,92 397,60 23,74 35,26 7,50 5,46 0, ,83 4,15 456,68 27,19 41,13 7,44 6,37 0, ,18 3,09 467,90 25,99 43,65 6,66 6,45 0, ,18 3,44 560,63 26,79 50,84 7,91 8,46 0, ,91 2,64 629,66 27,64 59,53 7,72 9,25 0, ,89 1,97 629,72 24,97 60,54 8,83 9,47 0, ,75 2,47 660,23 25,26 62,57 7,10 10,23 0, ,39 3,66 712,67 25,80 63,31 8,38 10,12 0, ,58 2,62 750,34 24,78 65,20 9,37 10,56 0, ,16 2,21 696,53 22,58 62,52 8,24 9,77 0,76 3 Utilizzo di analizzatori on-line Presso l impianto di depurazione Media Pusteria sono installati 6 analizzatori on-line, i quali sono integrati nel sistema di supervisione non solo come controllo bensí anche per la regolazione automatica della nitrificazione e desfosfatazione. Nell anno 2001 la linea 2 fu modificata dal sistema di predenitrificazione al sistema della nitrificazionedentrificazione in alternanza. Per la regolazione dei cicli di nitrificazione e denitrificazione fu montato uno strumento che misura sia NO 3 -N che NH 4 -N. In tabella 3 sono elencati gli analizzatori secondo il punto di prelievo, modo di misura e periferica. Tabella 3 Punto di prelievo Uscita depuratore Uscita depuratore Uscita depuratore Uscita vasca Denitro Uscita vasca Nitrificazione Uscita vasca Nitrificazione Misura PO 4 -P fotometrico con 2 punti di prelievo NH 4 -N selettivo per gli ioni NO 3 -N selettivo per gli ioni 3 x NO 3 -N selettivo per gli ioni 3 x PO 4 -P fotometrico 3 x NH 4 -N selettivo per gli ioni S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008IT.DOC Seite 5 von 15

6 4 Strategie di regolazione 4.1 Nitrificazione Regolazione della nitrificazione All uscita della vasca di nitrificazione viene misurata on-line la concentrazione NH 4 -N (figura 3); in base al valore effettivo misurato dell NH 4 -N il sistema di supervisione imposta automaticamente il valore nominale dell ossigeno, tenendo presente che le linee possono essere regolate indipendentemente l una dalle altre. Se la concentrazione di NH 4 -N misurata é inferiore ad un valore minimo impostabile (1 mg/l), il sistema di supervisione (PLC) impone un valore minmo anch esso impostabile per l ossigeno (0,8 mg/l). Se la concentrazione di NH 4 -N misurata é superiore ad un valore massimo impostabile (2 mg/l), il sistema di supervisione (PLC) impone un valore massimo impostabile per l ossigeno (2,5 mg/l). Se la concentrazione di NH 4 -N misurata si trova all interno della fascia fra il minimo ed il massimo (1,0 < NH 4 -N < 2,0), il sistema di supervisione (PLC) impone un valore impostabile medio per l ossigeno (1,5 mg/l). Il valore impostato per l ossigeno regola, tenendo conto anche dello scostamento di regolazione, le valvole a diaframma nelle condotte dell aria, che finiscono su un collettore, sul quale é inserita una misura di pressione. La regolazione dei compressori tramite variatori di frequenza avviene utilizzando un valore costante della pressione. In presenza di differenza fra il valore della pressione misurato ed il valore impostato, la velocitá dei compressori viene aumentata oppure diminuita. La figura 3 indica lo schema della regolazione. Fig. 3 Regolazione nitrificazione Sollwert O 2 -Regelung O 2 NH 4 -N VKB DN N NKB PIR S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008IT.DOC Seite 6 von 15

7 4.1.2 La strategia di regolazione sopraindicata ha portato a risultati lusinghieri sia in relazione ai valori di abbattimento che in relazione alla riduzione dei costi Abbattimento Il rendimento medio degli ultimi anni del 98 % relativo al valore NH 4 -N é notevole, tenendo conto anche del fatto che la temperatura del liquame all entrata dell impianto per 5 mesi all anno risulta < 12 C. In Tabella 4 sono elencati i valori medi annuali all entrata ed all uscita del depuratore. Tabella 4 Anno NH 4 -N [ mg/l ] Abbattimento Entrata Uscita [ % ] ,45 0,57 96, ,46 0,32 98, ,26 0,57 97, ,64 0,47 98, ,64 0,51 97, ,87 1,05 96, ,49 1,57 95, ,40 1,59 95, ,06 1,13 96, ,51 1,69 95, ,60 1,86 94, ,90 2,20 93, Riduzione dei costi L esercizio ha dimostrato, che tramite l applicazione di valori impostati differenziati in base ai valori effettivi misurati dell NH 4 -N, si riesce ad ottenere una nitrificazione pressoché totale, utilizzando nella maggior parte del processo (per ca. il 70% del tempo) un valore di ossigeno minimo pari a 0,80 1,0 mg/l e solamente nei casi di punta giornaliera, oppure punta stagionale, la regolazione avviene con valori di ossigeno superiori (figura 4), perciò si ottiene una nitrificazione ottimale con una immissione di ossigeno minima. La riduzione dei costi di gestione annui con l utilizzo di questo tipo di regolazione sono all incirca pari a Euro. S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008IT.DOC Seite 7 von 15

8 Figura 4 [ mg/l NH4-N [ mg/l O2 ] Linea di flusso O2-valore nominale NH4-N linea di flusso NH4-N punta 4.2 Denitrificazione Regolazione della denitrificazione Alla fine della vasca di denitrificazione il valore dell`no 3 -N viene misurato in continuo (on-line) (Figura 5). In base ai valori misurati dell`no 3 -N il sistema di gestione regola le pompe di ricircolo, che sono equipaggiate con variatori di frequenza. Se il valore effettivo dell`no 3 -N é inferiore ad un valore di riferimento impostabile (attualmente di 3 mg/l), le pompe vengono regolate al massimo (400% della portata all ingresso). Se il valore effettivo dell`no 3 -N é superiore ad un valore di riferimento impostabile (attualmente di 3 mg/l), le pompe vengono regolate al minimo (100% della portata all ingresso). Se tuttavia il valore effettivo dovesse rimanere superiore al valore di riferimento verrebbero automaticamente by-passate le vasche di sedimentazione primaria onde potere apportare quantitá maggiori di carbonio alle vasche di aerazione. S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008IT.DOC Seite 8 von 15

9 Figura 5 Regolazione denitrificazione NO 3 -N Sandfang VKB DN N NKB Umgehung VKB Kreisschlamm P La strategia di regolazione sopraindicata ha portato a risultati ottimali relativi al valore NO 3 -N, tenendo conto delle basse concentrazioni del liquame trattato. (Acqua diluita) Abbattimento Con questo tipo di regolazione si riesce a mantenere bassi i valori di NO 3 -N all uscita del depuratore. In Tabella 5 sono elencati i valori medi annuali all entrata ed all uscita del depuratore. Tabella 5 Betriebsjahr NO 3 -N [ mg/l ] N Total [ mg/l ] Entrata Uscita Entrataf Uscita [ % ] ,81 3,65 26,12 7,58 70, ,64 5,60 31,12 8,35 71, ,66 4,57 35,26 7,50 78, ,59 5,59 41,13 7,44 81, ,78 5,18 43,65 6,66 84, ,45 5,95 50,84 7,91 84, ,32 4,61 59,53 7,72 86, ,40 5,72 60,54 8,83 85, ,33 4,54 62,57 7,10 88, ,30 5,03 63,31 8,38 86, ,56 6,08 65,20 9,37 85, ,36 6,09 62,52 8,24 86,66 S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008IT.DOC Seite 9 von 15

10 4.3 Nitrificazione-Denitrificazione in alternanza linea Strategie di regolazione della nitrificazione denitrificazione in alternanza Per la regolazione della nitrificazione-dentrificazione in alternanza furono programmate 4 possibilitá. Le vari possibilitá possono essere scelte, impostando i set-points tramite il sistema di supervisione: Regolazione sul tempo Sulla pagina video del software di controllo possono essere impostate 24 temporizzazioni, per le quali si possono prefissare liberamente nell arco di tutta la giornata orari e tempistiche della nitrificazione. Si possono quindi impostare la durata del ciclo e i tempi di lavoro della nitrificazione per tutta la giornata. I set points dell ossigeno della nitrificazione, possono essere imposti indipendentemente Regolazione su due set-point di NO 3 -N All uscita della vasca d ossidazione viene misurato on-line il valore NO 3 -N tramite una sonda. Il set-point massimo e minimo é impostabile dal sistema di supervisione. Se il valore misurato é inferiore al set-point minimo, inizia la nitrificazione, se il valore misurato è superiore al set-point massimo, inizia la denitrificazione Regolazione su due set-point di NH 4 -N All uscita della vasca d ossidazione viene misurato on-line il valore NH 4 -N tramite una sonda. Il set-point massimo e minimo é impostabile dal sistema di supervisione. Se il valore misurato é inferiore al set-point minimo, inizia la denitrificazione, se il valore misurato è superiore al set-point massimo, inizia la nitrificazione Regolazione sul tempo e su un set-point di NH 4 -N Sulla pagina video può essere impostato la regolazione sul tempo con i cicli di nitrificazione e denitrificazione. Se il valore misurato di NH 4 -N é inferiore al set-point minimo, viene interotto la nitrificazione es si passa alla denitrificazione. Il ciclo totale del tempo (nitrificazione e denitrificazione) peró rimane. Fig. 6 Regolazione nitrificazione e S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008IT.DOC Seite 10 von 15

11 Abbattimento La strategia di regolazione sopraindicata ha portato a risultati lusinghieri sia in relazione ai valori di abbattimento che in relazione alla riduzione dei costi. Per quanto riguarda la concentrazione di azoto totale in uscita, il funzionamento intermittente non porta dei benifici in confronto al sistema con predenitrificazione. L indice del fango, il volume del fango, e l indice di trasparenza nella seconda sedimentazione sono rispettivamente migliori in confronto al sistema con predenitrificazione (vedi relazione Dissertationsauswertung_it2002-) Risparmio di costi in confronto alle linee con predenitrificazione 5 miscelatori a 3,0 kw e 2 pompe di ricircolo interno a 3,5 kw non sono attivi nel cao di regolazione della nitrificazione-dentrificazione in alternanza. I risparmi ammontano a 6,5 kw x h/a x 9,10 Cent/kWh = 5.181,54 per ogni anno. 4.4 Desfosfatazione simultanea Regolazione della desfosfatazione All uscita della vasca di nitrificazione viene misurato in continuo (on-line) il valore del PO 4 -P. Il dosaggio dei precipitanti avviene nell ultimo terzo della vasca di nitrificazione. Le pompe di dosaggio dotate di variatori di frequenza possono essere regolate secondo i seguenti criteri: In base alla portata all ingresso (con percentuale impostabile a seconda portata) In base una concentrazione impostabile di PO 4 -P all uscita della vasca di nitrificazione (Fig. 7) In base al carico PO 4 -P all ingresso In base un carico massimo impostabile di PO 4 -P all uscita dell impianto In base ai tempi di funzionamento e tempi di intervallo impostabili Figura 7 Regolazione defosfatazione PO 4 -P VKB DN N NKB FeSO4 - Dosierpumpe S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008IT.DOC Seite 11 von 15

12 4.4.2 La gestione ha dimostrato che il dosaggio dei precipitanti in base alla concentrazione impostabile di PO 4 -P é il metodo piú idoneo Abbattimento Con questo tipo di regolazione si riesce a mantenere bassi i valori di PO 4 -P all uscita del depuratore. In Tabella 6 sono elencati i valori medi annuali all entrata ed all uscita del depuratore. Tab. 6 PO 4 -P Pges. Anno Entrata Uscita Abbattimento Entrata Uscita Abbattimento [ mg/l ] [ mg/l ] [ % ] [ mg/l ] [ mg/l ] [ % ] ,64 0,37 84,80 4,74 0,53 70, ,57 0,51 77,92 4,77 0,63 71, ,53 0,56 75,72 5,46 0,67 78, ,67 0,60 82,87 6,37 0,80 86, ,40 0,51 84,39 6,45 0,75 87, ,80 0,59 87,24 8,46 0,73 91, ,28 0,49 90,73 9,25 0,68 92, ,23 0,53 89,93 9,47 0,72 92, ,31 0,56 89,36 10,23 0,73 92, ,73 0,52 91,03 10,12 0,69 93, ,62 0,56 89,80 10,56 0,71 93, ,38 0,53 90,12 9,77 0,76 92,14 S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008IT.DOC Seite 12 von 15

13 4.5 Deflusso dei fanghi di supero Regolazione del deflusso dei fanghi di supero Il fango di supero viene estratto dal circuito del fango di ricircolo. Nella vasca di nitrificazione é installata una sonda di misura della sostanza secca, che viene visualizzata e registrata sul sistema di supervisione. La regolazione delle pompe dei fanghi di supero, che sono equipaggiate con variatori di frequenza, avviene in automatico in base ad un valore di sostanza secca preimpostato. In funzione dei valori effettivi viene asportato piú o meno fango di supero, tenendo comunque presente di superare un valore minimo giornaliero impostabile (Figura 8). Oltre a questa possibilità i fanghi di supero vengono regolati in base ai seguenti parametri: secondo una quantità giornaliera impostabile secondo tempi di funzionamento e tempi di intervallo secondo l etá impostabile dei fanghi; il sistema di processo riprende il valore della sostanza secca del fango di supero dal protocollo di laboratorio del giorno precedente, la sostanza secca nella vasca di aerazione viene misurata in continuo (on-line), allorché il sistema di processo calcola automaticamente la quantitá dei fanghi di supero della giornata successiva in base ad un etá preimpostata dei fanghi. Figura 8 Regolazione fango di supero TS Sandfang DN N NKB Ablauf Anlage Rücklaufschlamm P P Überschußschlamm L esperienza nella gestione ha dimostrato che la regolazione delle pompe dei fanghi di supero secondo un valore di sostanza secca preimpostato é il metodo piú efficace. Bisogna peró sempre fare un controllo di plausibilitá come in tutti i processi automatici, cambiando ognitanto anche i valori impostati. Anche la regolazione seconda un etá predefinita del fango si é dimostrata sicura e funzionante. S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008IT.DOC Seite 13 von 15

14 4.6 Alcalinitá Regolazione del ph nella biologia Nelle vasche d ossidazione sono installate sonde di misura ph. Sul sistema di supervisione viene impostato un valore nominale ph. Le pompe di dosaggio di calce, che sono equipaggiate con variatori di frequenza vengono regolate tenendo conto anche dello scostamento di regolazione (Figura 9). A monte delle pompe é montato un impianto automatico di soluzione costituito da un silo per la calce in polvere, coclee e miscelatore. Il dosaggio della calce é indispensabile per mantenere un ph 7 e per garantire il funzionamento della nitrificazione. Figura 9 Regolazione ph nella nitrificazione ph VKB DN N NKB Ca(OH) 2 - Dosierpumpe Abbiamo constatato che la regolazione del ph nella biologia del nostro impianto é indispensabile. Un guasto delle pompe di dosaggio provoca un abbassamento del ph a valori di ca 6,2 entro poche ore. Con il dosaggio della calce puó essere mantenuto il ph 7 e quindi garantire anche la nitrificazione. S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008IT.DOC Seite 14 von 15

15 5 Prognosi Tramite l utilizzo di misuratori on-line per l NH 4 -N alla fine delle singole vasche di nitrificazione é stato possibile raggiungere un risparmio energetico annuo pari a Euro. Il risparmio di precipitanti grazie alla regolazione delle pompe di dosaggio in relazione col misuratore del PO 4 -P é di ca Euro annui. L esperienza aziendale di undici annni ha dimostrato che i misuratori sono un enorme sostegno per il sicuro rispetto dei valori prescritti all uscita dell impianto. Sono di enorme importanza per il riconoscimento preventivo di anomalie nella biologia. In base alle curve memorizzate é possibile dare una vasta panoramica sul funzionamento dell impianto. Con un assitenza competente ed accurata tramite personale ben motivato si riesce a raggiungere un elevata affidabilitá di servizio e precisione delle apparecchiature on-line. Le spese per l acquisto e la manuntenzione delle apparecchiature vengono ammortizzate nel giro di pochi anni durante il servizio dell impianto. Le sonde nuove montate per la regolazione dei cicli di nitrificazione e denitrificazione non sono affidabili e di conseguenza eravamo costretti di eliminarle. Dr. Ing. Konrad Engl Amministratore delegato dell ARA PUSTERIA SPA Depuratore Tobl Floronzo-Tobel 54 I San Lorenzo di Sebato Tel. 0474/ Fax. 0474/ KonradE@arapustertal.it S:\UNTERSUCHUNGEN WINWORD\REGELUNGSSTRATEGIEN\REGELUNGSSTRATEGIENMITBETRIEBSERFAHRUNGEN2008IT.DOC Seite 15 von 15