COLLAUDO FUNZIONALE DEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE DI REFLUI URBANI E VALUTAZIONE DELLE PRESTAZIONI

Transcript

1

2 Regolamenti regionali in tema di invarianza idraulica e scarichi idrici Novità e applicazioni Milano, 9 luglio 2019 COLLAUDO FUNZIONALE DEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE DI REFLUI URBANI E VALUTAZIONE DELLE PRESTAZIONI Carlo Collivignarelli Università degli Studi di Brescia

3 IMPIANTI DI DEPURAZIONE: 40 ANNI FA.CI SI OCCUPAVA: 1 SOLO DI CRITERI DI PROGETTAZIONE 2 POCO O NULLA DELLA GESTIONE SPIEGABILE PERCHE ALLORA POCHI IMPIANTI ESISTENTI, IL PIU ERA DA FARE (PROGETTARE/COSTRUIRE) PRIMI DUBBI circa la RISPONDENZA DEI CRITERI (CONVENZIONALI- SEMPLIFICATI) DI PROGETTAZIONE ALLA REALTA IMPIANTISTICA.dall INGEGNERIA CHIMICA ("Reattoristica"): SPAZI MORTI? NON UNIFORME MISCELAZIONE? TEMPI DI RESIDENZA ṫ medio? CORTOCIRCUITI? Primi lavori teorici sul "COMPORTAMENTO IDRODINAMICO" : C.Collivignarelli, L.Fortina e G.Urbini (1979b): «Modelli cinetici ed idrodinamici integrati per lo studio del comportamento dei reattori biologici a fanghi attivi Nota 1: Elaborazione dei modelli» Ingegneria Ambientale Vol. 8 n. 3, maggio. C.Collivignarelli, L.Fortina e G.Urbini (1979c): «Modelli cinetici ed idrodinamici integrati per lo studio del comportamento dei reattori biologici a fanghi attivi Nota 2: Risultati sperimentali» - Ingegneria Ambientale Vol. 8 n. 4, luglio. PRIMA APPLICAZIONE SPERIMENTALE: Battipaglia 1979 C.Collivignarelli, G.Iannelli, M.Iannelli e M.Olmo (1979a): «Studio sperimentale sul comportamento di un reattore a fanghi attivi in bacino unico» - Inquinamento n. 6, giugno.

4 Nel frattempo la letteratura tecnica internazionale produceva uno dei rari lavori di argomento «gestionale» (Kayser Università di Braunschweig) criterio di VERIFICA DELLA FORNITURA DI O 2 OSSIDAZIONE AD IMPIANTO FUNZIONANTE (prima la procedura unica era con "acqua pulita" ) NELLE VASCHE DI A CERVIA (1979) APPLICAZIONE CONGIUNTA DELLE "PRINCIPALI" VERIFICHE FUNZIONALI: IDRODINAMICA EFFICIENZA DELL AERAZIONE SEDIMENTABILITA FANGO ATTIVO Pubblicazioni : C.Collivignarelli e G.Urbini (1981): «Nuovi criteri tecnici per il collaudo funzionale degli impianti di depurazione» Atti del 2 Corso di Aggiornamento su «Tecniche per la difesa dall inquinamento» Università degli Studi della Calabria giugno. G.Urbini, C.Collivignarelli e M.Olmo (1982): «Nuovi metodi di verifica sperimentale della funzionalità di impianti a fanghi attivi: esempio applicato all impianto di Cervia» Ingegneria Ambientale, vol. 11, n. 6, ottobre. e perfezionamenti / integrazioni / evoluzioni in anni successivi PER DIVERSI ANNI: APPLICAZIONI DELLE PRINCIPALI VERIFICHE FUNZIONALI CON estensione anche agli IMPIANTI DI POTABILIZZAZIONE

5 LO SVILUPPO DELLE "VERIFICHE" FINO AD OGGI NEGLI ULTIMI ANNI: MANUALE (2012) che contiene 30 tipi di verifiche diverse per: Impianti di DEPURAZIONE Impianti di POTABILIZZAZIONE LE VERIFICHE SI SONO "MOLTIPLICATE" ALLA LUCE DI: AUMENTATE CONOSCENZE TEORICHE ma soprattutto: MAGGIORI ESPERIENZE "GESTIONALI" LA CULTURA DELLA GESTIONE

6 LE VERIFICHE DI FUNZIONALITA rispondono a più esigenze : A B C conseguire gli obiettivi di QUALITA DEL SERVIZIO conseguire gli obiettivi ECONOMICI sviluppare la COMPETENZA TECNICA dei gestori (OBIETTIVO CULTURALE ) NEL caso degli IMPIANTI DI DEPURAZIONE DEGLI SCARICHI (settore dove c è più lunga esperienza) LE VERIFICHE FUNZIONALI : garantiscono con continuità la QUALITA DEI CORPI IDRICI prevengono PROBLEMI IMPIANTISTICI obiettivo A contengono gli INVESTIMENTI (solo QUELLI UTILI ) obiettivo B in quanto spesso l UPGRADING GESTIONALE garantisce OTTIMA EFFICIENZA senza ricorrere a costosi (E INUTILI) interventi di UPGRADING STRUTTURALE formano la competenza dei GESTORI che, con questo strumento diventano PADRONI del processo depurativo che devono gestire obiettivo C

7 USO DELLE PROCEDURE DI VERIFICA SI E VIA VIA PRECISATO L OBIETTIVO ATTESO DALLE "VERIFICHE", che è comune a 2 momenti: A COLLAUDO FUNZIONALE IMPIANTO "NUOVO" (O PARTE DI ESSO) B VERIFICA PERIODICA DELLA FUNZIONALITA IMPIANTO "ESISTENTE" LE STESSE PROCEDURE TESE A VERIFICARE CHE L IMPIANTO STIA FORNENDO "IL MEGLIO"

8 COLLAUDO FUNZIONALE Obiettivi, ambiti e modalità di applicazione L obiettivo del collaudo funzionale (da affiancarsi a quello amministrativo) è quello di verificare se un determinato impianto, o comparto, garantisce, nelle condizioni di funzionamento nominali, le prestazioni di progetto, in termini di rimozione degli inquinanti, consumi energetici e di reagenti. Il collaudo funzionale viene svolto attraverso l effettuazione di una serie di verifiche di funzionalità. L elaborazione integrata dei risultati delle verifiche consente di pervenire a un giudizio complessivo di funzionalità, che può essere riferito alle condizioni di progetto anche se le condizioni di prova non sono corrispondenti a quelle nominali.

9 Verifiche obbligatorie Le seguenti verifiche sono sempre obbligatorie per un impianto da collaudare nel suo complesso. In caso di interventi di upgrading su un impianto esistente che non richiedano il collaudo dell intero sistema, le verifiche sono da limitare (con gli opportuni adattamenti) al/ai comparto/i modificato/i e a tutti quei comparti per i quali, anche se non sono stati oggetto di interventi, è comunque prevista una variazione delle condizioni di funzionamento. 1. Monitoraggio intensivo 2. Calcolo di portate e carichi 3. Determinazione potenzialità effettiva 4. Calcolo di indici di funzionalità

10 1. Monitoraggio intensivo Il collaudatore deve precisare i punti di campionamento (il monitoraggio deve riguardare singolarmente le sezioni dell impianto che si vogliono collaudare), i parametri da controllare (includendo almeno COD, BOD, tutte le forme azotate, fosforo, solidi sospesi), la modalità e frequenza di campionamento e i metodi analitici; deve inoltre definire la durata del monitoraggio (ad esempio almeno 20 giorni per un impianto biologico), in relazione alle condizioni di regime idraulico e biologico (età del fango presunta o di progetto) dell impianto, assicurandosi che le condizioni di funzionamento in detto periodo siano sufficientemente stabili; è auspicabile (ma non indispensabile) la ripetizione del monitoraggio per più periodi caratterizzati da condizioni diverse (es. di carico, di temperatura ecc.). Il monitoraggio deve prevedere anche la misura di consumi energetici, di materie prime e reagenti e di tutti i dati necessari per il calcolo degli indici di funzionalità di cui al punto 4. successivo.

11 2. Calcolo di portate e carichi Calcolo di portate e carichi in ingresso (da cui ricavare anche le concentrazioni medie e quindi la forza del liquame), carichi in uscita dalle singole fasi e rendimenti dei diversi comparti (per tutti parametri rilevati nel corso del monitoraggio intensivo). Se presenti i relativi comparti, devono essere calcolati distintamente i rendimenti di nitrificazione e denitrificazione. Calcolo dei parametri operativi per i diversi comparti (es. età del fango, carico del fango, concentrazione di solidi sospesi volatili nei reattori biologici e concentrazione di ossigeno disciolto, tempi di residenza idraulica, flusso solido, temperatura ecc.). Da tutti questi dati vengono ricavate le condizioni di funzionamento riscontrate durante il monitoraggio intensivo, che si devono poter ritenere assimilabili a quelle di regime stazionario: a tal fine si deve dimostrare la significatività statistica e la rappresentatività dei risultati. Si otterrà quindi, ad esempio, un unico rendimento di rimozione del COD, rappresentativo dell intero periodo, associato a un determinato valore di temperatura, carico del fango ecc.

12 3. Determinazione della potenzialità effettiva di trattamento Determinazione della potenzialità effettiva di trattamento nelle condizioni nominali. Se il monitoraggio del comparto biologico è stato effettuato in condizioni diverse da quelle nominali (o di progetto), è necessario stimare le rese in corrispondenza di queste ultime, attraverso l utilizzo di idoneo modello matematico, che va opportunamente descritto e tarato (mediante i dati raccolti durante il monitoraggio intensivo). Il modello può essere di tipo semplificato e utilizzabile solo per condizioni di regime stazionario. I risultati della simulazione sono poi da confrontare con le prestazioni di progetto.

13 4. Calcolo di indici di funzionalità Devono essere elaborati indici di funzionalità che esprimano un giudizio sintetico sulla funzionalità dell impianto, in relazione alle prestazioni previste in sede progettuale. Si suggerisce di considerare almeno indici relativi a: efficienza depurativa, gestione dei fanghi (che considerino la produzione, il grado di stabilizzazione ecc.), produzione e consumi di energia, consumo di materie prime e reagenti. ESEMPIO: INDICI DI EFFICIENZA DEPURATIVA (benchmarking) INDICE PARZIALE DI EFFICIENZA DEPURATIVA C + C reale, i atteso, i D i = p, i pc, i atteso, i reale, i - η: rendimento di rimozione - C: concentrazione in uscita - p: pesi D i 1 D i <1 - COD - N TOT - P TOT -... Valori attesi in funzione di: - schema impianto; - età impianto; - caratteristiche influente; - classe dimensionale.

14 Verifiche «caso specifiche» (obbligatorie o raccomandate) 1. Verifiche idrodinamiche 2. Capacità sistemi di fornitura dell ossigeno 3. Bilancio di massa parametri non convenz. 4. Prove respirometriche 5. Qualità del fango biologico 6. Sedimentabilità del fango attivo 7. Ispessimento del fango 8. Prestazioni stabilizzazione biologica fanghi 9. Disidratazione dei fanghi Ulteriori verifiche possono esser proposte dal collaudatore (anche su richiesta specifica dell Autorità competente).

15 1. Verifiche idrodinamiche Situazioni in cui la verifica è obbligatoria Tutti i comparti di nuova realizzazione (o che abbiano subito interventi di upgrading) dove, per esigenze di processo, sia da garantire un determinato schema di flusso (es. miscelazione completa) e/o dove si presupponga l insorgenza di anomalie (es. volumi morti, by-pass ecc.) Situazioni in cui la verifica è raccomandata Suddivisione della portata su linee parallele per controllare la corretta ripartizione

16 2. Capacità dei sistemi di fornitura dell ossigeno Situazioni in cui la verifica è obbligatoria Realizzazione/upgrading del sistema di fornitura dell aria in reattori biologici di trattamento acque o fanghi Situazioni in cui la verifica è raccomandata Variazione significativa delle condizioni di funzionamento di un comparto biologico aerato, a seguito di interventi di upgrading (anche su altre fasi dell impianto)

17 3. Bilancio di massa di parametri non convenzionali Situazioni in cui la verifica è obbligatoria Impianti che ricevono rifiuti liquidi Situazioni in cui la verifica è raccomandata Impianti con rilevante apporto industriale in fognatura (tale da poter comportare il mancato rispetto dei limiti allo scarico, l inibizione del processo biologico, la contaminazione dei fanghi ecc.)

18 4. Prove respirometriche Situazioni in cui la verifica è obbligatoria Comparto biologico di impianti con rilevante apporto industriale in fognatura o che ricevono rifiuti liquidi Situazioni in cui la verifica è raccomandata Necessità/opportunità di applicare modelli matematici complessi per la simulazione del processo biologico

19 5. Qualità del fango biologico Situazioni in cui la verifica è obbligatoria Comparto biologico di impianti a fanghi attivi di nuova realizzazione Situazioni in cui la verifica è raccomandata Comparto biologico a fanghi attivi di impianti dove, a seguito di interventi di upgrading, siano mutate significativamente le condizioni di funzionamento

20 6. Sedimentabilità del fango attivo Situazioni in cui la verifica è obbligatoria Realizzazione/upgrading della sedimentazione finale di impianti a fanghi attivi Situazioni in cui la verifica è raccomandata Variazione significativa delle condizioni di funzionamento del comparto biologico, a seguito di interventi di upgrading

21 7. Ispessimento del fango Situazioni in cui la verifica è obbligatoria Realizzazione/upgrading della sezione di ispessimento (statico o meccanizzato) dei fanghi Situazioni in cui la verifica è raccomandata Variazione presunta delle caratteristiche quali-quantitative del fango a seguito di interventi di upgrading su altri comparti

22 8. Prestazioni del comparto di stabilizzazione biologica dei fanghi Situazioni in cui la verifica è obbligatoria Realizzazione/upgrading della sezione di stabilizzazione biologica (aerobica o anaerobica) dei fanghi Situazioni in cui la verifica è raccomandata Variazione presunta delle caratteristiche quali-quantitative del fango a seguito di interventi di upgrading su altri comparti

23 9. Disidratazione dei fanghi Situazioni in cui la verifica è obbligatoria Realizzazione/upgrading della sezione di disidratazione meccanica dei fanghi Situazioni in cui la verifica è raccomandata Variazione presunta delle caratteristiche quali-quantitative del fango a seguito di interventi di upgrading su altri comparti

24 Rapporto di collaudo funzionale L elaborato di collaudo funzionale dovrà essere strutturato in analogia con l esempio sotto riportato che è limitato alle verifiche principali effettuabili sulla linea acque di un impianto di nuova realizzazione. 1. PREMESSA 2. CONFIGURAZIONE DELL IMPIANTO E DATI DI PROGETTO

25 3. DESCRIZIONE DELLE PROCEDURE DI VERIFICA 3.1 Piano di monitoraggio intensivo 3.2 Criteri di elaborazione dei dati derivanti dal monitoraggio 3.3 Determinazione della capacità effettiva di trattamento dell impianto 3.4 Definizione di indici di funzionalità 3.5 Verifiche idrodinamiche 3.6 Capacità dei sistemi di fornitura dell ossigeno 3.7 Bilanci di massa di inquinanti non convenzionali 3.8 Prove respirometriche 3.9 Qualità del fango biologico 3.10 Sedimentabilità del fango attivo 3.11 Altre verifiche

26 4. RISULTATI DELLE SINGOLE VERIFICHE 4.1 Caratteristiche del liquame influente Portata Concentrazioni dei principali inquinanti Carico inquinante 4.2 Caratteristiche del liquame effluente 4.2.1Concentrazioni dei principali inquinanti Carico inquinante 4.3 Bilanci di massa e rendimenti depurativi 4.4 Parametri operativi di funzionamento Carico del fango Produzione di fango ed età del fango Ossigeno disciolto nel comparto di ossidazione Temperatura e ph Solidi sospesi in vasca di ossidazione e SVI 4.5 Capacità effettiva di trattamento dell impianto 4.6 Raffronto tra prestazioni reali e di progetto: indici di funzionalità 4.7 Comportamento idrodinamico dei bacini e altri aspetti idraulici 4.8 Capacità dei sistemi di fornitura dell ossigeno 4.9 Rimozione di inquinanti non convenzionali 4.10 Prove respirometriche 4.11 Qualità del fango biologico 4.12 Flusso solido e verifica di dimensionam. della sedimentaz. finale 4.13 Altre verifiche

27 5. VALUTAZIONE INTEGRATA DEI RISULTATI 6. CONCLUSIONI ALLEGATI 1. Risultati dettagliati della verifica A 2. Risultati dettagliati della verifica B 3. CERTIFICATO DI COLLAUDO FUNZIONALE

28 In sintesi... UN COLLAUDO BEN FATTO SODDISFA LE ESIGENZE: 1) del ʺGESTOREʺ (= una macchina ʺgarantitaʺ ) 2) dell ʺENTE FINANZIATOREʺ (= soldi ben spesi, rivalsa per eventuali difetti) 3) dell ʺAUTORITA DI CONTROLLOʺ (= strumento affidabile) 4) del ʺCITTADINO/UTENTE/AMBIENTEʺ (= obiettivo + importante )

29 LE VERIFICHE DI FUNZIONALITÀ «PERIODICHE» SI FA LA "Revisione periodica" DELL AUTOMOBILE PERCHE NON APPLICARLA AGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE? IL "Tagliando" SI FA CON LE PROVE PREVISTE DAL PROTOCOLLO "VERIFICHE DI FUNZIONALITA» VANTAGGI PER TUTTI I SOGGETTI COINVOLTI: per il GESTORE: serve a migliorare l EFFICIENZA dell impianto serve a minimizzare i COSTI di GESTIONE serve ad aggiornare la effettiva CAPACITA DI TRATTAMENTO (POTENZIALITA REALE) dell impianto (e a valutare la CAPACITA RESIDUA) serve a migliorare la COMPETENZA DEL PERSONALE per il CONTROLLORE (Provincia/Arpa): serve a VALUTARE con più più precisione e più agevolmente il grado di EFFICIENZA dell impianto (riducendo anche il n di controlli esterni) si potrebbe CONDIZIONARE IL RINNOVO DELL AUTORIZZAZIONE all ESERCIZIO ALL ESITO FAVOREVOLE "Tagliando" per l AUTORITA DI PIANIFICAZIONE (Regione, ATO) serve a CONOSCERE meglio la EFFETTIVA CAPACITA DI TRATTAMENTO e a VALUTARE OGGETTIVAMENTE LE ESIGENZE DI INVESTIMENTO

30 CON LE VERIFICHE FUNZIONALI PERIODICHE SI OTTIENE LO SCOPO DI: INDIVIDUARE LE "REALI" ESIGENZE DI MIGLIORAMENTO/AMPLIAMENTO (= UPGRADING) DEGLI IMPIANTI le verifiche di funzionalità "base essenziale" per la progettazione dell ampliamento di un impianto 1 step MONITORAGGIO E VERIFICHE DI FUNZIONALITA 2 step UPGRADING GESTIONALE 3 step UPGRADING STRUTTURALE OBIETTIVO FINALE IMPIANTI DI DEPURAZIONE = PROCESSI PRODUTTIVI prodotto ACQUA (potabilizzazione) prodotto REFLUO DEPURATO prodotto FANGO recupero corpo idrico riutilizzo di materia di energia

31 Molti esempi di applicazione di verifiche e collaudo funzionale IMPIANTI DI DEPURAZIONE Impianto Potenzialità Anno Garlasco 1995 Canegrate 1996 Siziano Verona , 2006 e 2014 Verziano Vergiate Voghera Vigevano e 2002 Somma Lombardo Mantova Castiglione Stiviere S. Martino Buon Albergo

32 Impianto Potenzialità Anno Mortara e 2010 S. Antonino Ticino Cremona Crema Milano Nosedo Torbole Casaglia Peschiera del Garda Assago industriali IMPIANTI DI POTABILIZZAZIONE: Impianto Anno Cremona (2 impianti) 2012 Viterbo 2013 Mortara (3 impianti) 2014

33 FAC. Esempio di applicazione integrata di verifiche di funzionalità a un impianto di depurazione ( AE nominali)

34 FAC. Modalità di svolgimento dello studio 1. Monitoraggio dell impianto e valutazione delle prestazioni 2. Verifica della capacità di trasferimento dell ossigeno 3. Verifiche idrodinamiche 4. Verifica delle caratteristiche di sedimentabilità dei fanghi 5. Determinazione della potenzialità effettiva 6. Proposte di intervento

35 FAC. MONITORAGGIO E PRESTAZIONI

36 FAC. PORTATA TRATTATA Portata in uscita [m 3 /d] /01/ /02/ /03/ /04/ /05/ /06/ /07/ /08/ /09/ /10/ /11/ /12/ /01/ /02/ /03/ /04/ /05/ /06/ /07/ /08/ /10/ /11/ /12/ /01/ /02/ /03/ /04/ /05/ /06/ /07/ /08/ /09/ /10/ /11/ /12/ /01/ /02/ /03/ /05/ /06/ /07/ /08/ /09/ /10/ /11/ /12/2010 Portata media invernale: m 3 /d Portata media estiva: m 3 /d Data Portata media di progetto: m 3 /d

37 CONCENTRAZIONI IN INGRESSO FAC Concentrazione COD [mg/l] /01/ /02/ /03/ /04/ /05/ /06/ /07/ /08/ /09/ /10/ /11/ /12/ /01/ /02/ /03/ /04/ /05/ /06/ /07/ /08/ /10/ /11/ /12/ /01/ /02/ /03/ /04/ /05/ /06/ /07/ /08/ /09/ /10/ /11/ /12/ /01/ /02/ /03/ /05/ /06/ /07/ /08/ /09/ /10/ /11/ /12/2010 Data Andamento speculare rispetto alla portata. Liquame a medio carico nel periodo invernale; diluito in estate.

38 INDICI DI EFFICIENZA FAC. 1,4 1,2 1,0 COD N P D 1,08 1,01 0,94 1,05 1,28 1,19 1,04 1,03 0,97 0,92 1,14 1,03 1,17 1,12 0,8 0,73 0,78 D 0,6 0,4 0,2 0, Anno

39 VERIFICHE IDRODINAMICHE FAC.

40 FAC. PARTITORE LINEA 1 Verificare la presenza di anomalie nei diversi comparti. A Quantificare la B ripartizione della portata sulle 3 linee.

41 2,0 1,8 LINEA 1 Risultati (nitrificazione) LINEA 1, setto 1 - nitrificazione LINEA 1, setto 2 - nitrificazione 2,0 Modello Dati sperimentali 1,8 Modello FAC. A Dati sperimentali Concentrazione di litio [mg Li + /L] 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Q = 26% Qin TOT Concentrazione di litio [mg Li + /L] 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Q = 40% Qin TOT 0, Tempo [minuti] 0, Tempo [minuti] 2,0 1,8 LINEA 1, setto 3 - nitrificazione Modello Dati sperimentali Concentrazione di litio [mg Li + /L] 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Q = 34% Qin TOT Serie di 2 reattori a miscelazione completa SENZA VOLUME MORTO 0, Tempo [minuti]

42 FAC. Considerando che in termini di COD il contributo della fognatura + rifiuti liquidi è circa dell 85%, mentre il contributo dei surnatanti dalla linea fanghi è del 15%, si può calcolare la seguente suddivisione dei carichi: -linea 1: 31,33%; -linea 2: 32,83%; -linea 3: 35,84%.

43 FAC. POTENZIALITÀ EFFETTIVA E CAPACITÀ RESIDUA

44 RISULTATI FAC. INVERNO (temperatura = 12 C, OD = 2,3 mg/l, MLSS = 6,2 kg/m 3 ): potenzialità: kgbod/d (capacità residua rispetto al carico di riferimento: 5-10%, trascurabile); vincoli: volume nitro e denitro, flusso solido nella sedimentazione finale. ESTATE (temperatura = 22 C, OD = 2 mg/l, MLSS = 4 kg/m 3 ): potenzialità: kgbod/d (capacità residua rispetto al carico di riferimento : 27%); vincoli: nitrificazione, fornitura aria, ricircolo ML, carico idraulico sedimentatori.