CONTROLLO DI UN PROCESSO DI DEPURAZIONE BIOLOGICO A FANGHI ATTIVI

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BRESCIA FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN INGEGNERIA DELL AUTOMAZIONE INDUSTRIALE TESI DI LAUREA SPECIALISTICA CONTROLLO DI UN PROCESSO DI DEPURAZIONE BIOLOGICO A FANGHI ATTIVI Anno Accademico 2008/2009

2 INDICE INTRODUZIONE... 1 CAPITOLO LA DEPURAZIONE DELLE ACQUE GENERALITÀ I SISTEMI BIOLOGICI DI DEPURAZIONE IL PROCESSO A FANGHI ATTIVI MODELLO DELLA FASE DI AERAZIONE... 8 CAPITOLO L IMPIANTO OGGETTO DI STUDIO CARATTERISTICHE DELL IMPIANTO EFFICIENZA DEPURATIVA E PARAMETRI OPERATIVI DELLA FASE DI OSSIDAZIONE CAPITOLO PROVE SPERIMENTALI SCHEMA A BLOCCHI DELLA FASE DI OSSIDAZIONE DATI PRELIMINARI SVOLGIMENTO DELLE PROVE STRUMENTAZIONE DI PROVA IDENTIFICAZIONE DEL SISTEMA RISULTATI DELLE PROVE CAPITOLO LO SCHEMA DI CONTROLLO SCHEMA DI CONTROLLO ATTUALE LO SCHEMA DI CONTROLLO PROPOSTO IMPLEMENTAZIONE IN MATLAB/SIMULINK CAPITOLO RISULTATI CAPITOLO CONCLUSIONI BIBLIOGRAFIA APPENDICE APPENDICE A PRINCIPI SULLA DIFFUSIONE DELL OSSIGENO APPENDICE B SCRIPT PER L IDENTIFICAZIONE DEI SISTEMI APPENDICE C RISULTATI DELL IDENTIFICAZIONE DEI SISTEMI APPENDICE D SCRIPT PER LA SIMULAZIONE APPENDICE E CONSUMI ENERGETICI... 87

3 Introduzione Il presente lavoro è stato svolto nell'ambito della tesi di laurea specialistica in ingegneria dell'automazione industriale e riguarda il controllo di un processo biologico di depurazione delle acque. L obbiettivo principale dei trattamenti di depurazione biologica è la riproduzione dei processi di autodepurazione della materia organica esistenti in natura, concentrandoli in uno spazio più ristretto e in un tempo più breve, sotto condizioni controllate dall uomo. Il successo dei trattamenti biologici rispetto ai trattamenti chimico-fisici in generale deriva dal loro alto rendimento depurativo, che in molti casi raggiunge il 99% di abbattimento degli inquinanti di matrice organica e dalla vasta gamma di tipologie processuali tra le quali i fanghi attivi rappresentano la maggiore applicazione. Da qualche decennio a questa parte oltre i problemi relativi alla corretta progettazione di impianti di depurazione, hanno acquistato importanza notevole i problemi legati al loro esercizio. Una migliore descrizione dei processi fornita da modelli matematici sempre più completi e l impiego di sistemi di controllo computerizzato, rappresentano gli strumenti idonei a risolvere molte difficoltà di gestione ed al tempo stesso a ridurre i costi. L'attenzione si è focalizzata sulla fase di ossidazione del fango attivo per mezzo di aria compressa, poiché da essa dipende l intero processo depurativo e rappresenta il maggior consumo di energia elettrica in un impianto di depurazione biologico. Infatti è necessario mantenere una concentrazione di ossigeno tale da garantire condizioni ottimali per le reazioni di ossidazione del fango da parte di microrganismi. E stato perciò studiato un possibile sistema di controllo di tale fase del processo. La presente tesi è articolata in sei capitoli qui di seguito brevemente descritti: Nel Capitolo 1 viene illustrato il problema della depurazione delle acque, con riferimento alla tipologia di impianti biologici e in particolare a fanghi attivi, vengono inoltre descritte le basi teoriche della fase di ossidazione. 1

4 Nel Capitolo 2 viene presentato l impianto del caseificio Montirone presso il quale sono state eseguite le prove oggetto di studio della tesi. Nel Capitolo 3 vengono descritte la modalità di esecuzione delle prove, la rilevazione dei dati, l identificazione del sistema e i risultati delle prove. Nel Capitolo 4 viene presentato lo schema di controllo attualmente impiegato e i nuovi schemi proposti. Nel Capitolo 5 vengono riportati i risultati. Nel Capitolo 6 sono presentate le considerazioni conclusive. 2

5 CAPITOLO 1 1 LA DEPURAZIONE DELLE ACQUE 1.1 Generalità L'inquinamento di un mezzo sia esso aria, acqua o suolo, si può definire sinteticamente come un'alterazione dell'ambiente, per cause antropiche o naturali, che non è in equilibrio con i cicli naturali esistenti, minacciando l'esistenza e la salute delle persone degli animali e delle piante e pregiudicando l'esercizio delle attività commerciali, industriali e ricreative. L acqua ha sempre rappresentato uno degli elementi essenziali per la vita e prima dell avvento dell industrializzazione i processi naturali di autodepurazione ne ripristinavano le caratteristiche naturali compromesse dalle attività umane. Con l industrializzazione e l antropizzazione concentrata nelle aree urbane l inquinamento delle acque superficiali e dei suoli ha superato la capacità autodepurativa sia dei corsi d acqua, impedendo l assorbimento dell ossigeno dall aria, che delle acque di falda ostacolandone i processi di filtrazione ed ossigenazione. La capacità di autodepurazione dell'acqua infatti si basa sui processi di ossidazione biochimica, grazie all'intervento di microrganismi demolitori che, utilizzando l'ossigeno disciolto, attaccano le sostanze organiche, trasformandole in prodotti minerali semplici come acqua, anidride carbonica, solfati. Quando sono compromesse le caratteristiche naturali delle acque i danni sono molteplici. Se gli apporti di sostanze inquinanti superano le capacità assimilatrici del corpo ricevente o quando sostanze tossiche inibiscono l'azione mineralizzatrice dei microrganismi, risultano compromessi gli usi dell'acqua e si manifestano con evidenza gli effetti negativi sulle caratteristiche naturali dal punto di vista biologico e ambientale dei corpi idrici con ripercussioni negative su tutte le attività umane. 3

6 L inquinamento dei fiumi e dei laghi è la causa della eutrofizzazione dove l apporto di elementi come azoto e fosforo oltre la naturale capacità ricettiva causa la produzione abnorme di vegetazione algale che consumando tutto l ossigeno disciolto nell acqua causa condizioni anossiche con asfissia e morte di tutti gli organismi della catena alimentare dai protozoi ai pesci. Il quadro ambientale è aggravato se si sommano gli apporti di sostanze come i metalli che aumentano il tasso di tossicità dell acqua. Il danno oltre che ambientale è economico soprattutto per quelle attività che si basano su quelle risorse idriche come ad esempio l attività turistica. L inquinamento dei fiumi e delle falde causa gravissimi danni poiché tali acque sono di norma utilizzate a scopo potabile e per le varie attività industriali, oggi una piccola fonte inquinante ha la capacità di compromettere l utilizzo dell acqua su una vasta area. Per permettere alle acque, utilizzate nelle varie attività umane e nei cicli produttivi, il loro versamento senza compromettere le caratteristiche del corpo idrico ricettore vengono realizzati gli impianti di depurazione che riuniscono varie tecnologie: edili, idrauliche, meccaniche, elettriche, ed elettroniche per il loro controllo. 1.2 I sistemi biologici di depurazione Gli impianti di depurazione biologica rappresentano attualmente a livello mondiale i sistemi più diffusi di trattamento dei reflui a matrice organica di origine civile o industriale perché permettono di rimuovere le sostanze organiche e biodegradabili presenti, che rappresentano l ambiente ideale per lo sviluppo batterico, consentendo la trasformazione nelle condizioni aerobiche ossidanti e il corretto scarico nei corsi d'acqua. Tali impianti sono realizzati su diverse scale di grandezza: da piccole unità al servizio di pochi abitanti a grandi complessi di depurazione al servizio di grossi poli industriali o di grandi metropoli. In oltre cento anni di applicazione e trasformazione i principi di base dei trattamenti di depurazione biologica rimangono inalterati, con l obbiettivo principale di riprodurre i processi di autodepurazione esistenti in natura concentrandoli nello spazio e nel tempo sotto condizioni controllate dall uomo. 4

7 Il successo dei trattamenti biologici rispetto ai trattamenti chimico-fisici in generale deriva dal loro alto rendimento depurativo, che in molti casi raggiunge il 99% di abbattimento degli inquinanti, e dalla vasta gamma di tipologie processuali tra le quali i fanghi attivi rappresentano la maggiore applicazione. In tali processi viene sfruttato il fenomeno naturale della fermentazione microbica di tipo misto, sia per quanto riguarda il substrato da rimuovere, che spesso è costituito da un miscuglio molto eterogeneo di composti, sia per i microrganismi responsabili del processo. Le varie tipologie degli impianti biologici sfruttano le condizioni fisiche più diverse in termini di temperatura, Ph, presenza o meno di ossigeno, concentrazione e tipologia di inquinanti, predisponendo le condizioni ideali alla formazione e selezione dei microorganismi più idonei e specializzati per il processo. Si spazia infatti dagli impianti aerobici a bassa o alta concentrazione di ossigeno a quelli anaerobici, dagli impianti a temperatura ambiente di C a quelli di C, dai processi acidi a quelli alcalini. 1.3 Il processo a fanghi attivi Agli inizi del XX secolo ci si rese conto che scaricare le acque di scarico direttamente nei corpi idrici poteva causare danni alla salute dell uomo, fu così che vennero realizzati i primi impianti di depurazione, basati su un sistema prima a filtri e poi a fanghi attivi. Il processo biologico a fanghi attivi è applicato negli impianti da quasi un secolo per la depurazione dei reflui civili e da almeno settanta anni per trattare anche i reflui industriali di natura prevalentemente organica. Inizialmente sviluppati in Gran Bretagna e negli Stati Uniti, essi costituiscono ancora oggi uno dei sistemi di depurazione più diffusi, subendo negli ultimi trenta anni grossi impulsi dalla ricerca ed innovazione delle varie fasi di trattamento per far fronte alla complessità dei reflui da trattare. Inoltre lo studio di questi processi è di notevole importanza per affrontare le problematiche ambientali ed energetiche che determinano l emanazione di normative sempre più adeguate e stringenti. 5

8 Gli impianti biologici a fanghi attivi effettuano in spazi e tempi più ristretti le fasi dei processi di degradazione della materia organica che avvengono normalmente in natura: alla base vi sono reazioni biochimiche sui composti organici da parte dei microrganismi aerobici (biomassa) formanti una catena alimentare, che utilizzano l ossigeno disciolto in soluzione nell acqua per sfruttare l inquinamento organico come substrato alimentare per crescere e sostenere le proprie funzioni vitali, dando luogo a fenomeni di bioflocculazione 1 che portano alla formazione di fiocchi di fango (detto fango attivo). I batteri sono i primi responsabili della rimozione della sostanza organica, a cui concorrono in via indiretta tutti gli altri microrganismi quali i protozoi e rotiferi. Il primo fattore che influenza il processo biologico è la qualità del refluo organico che entra nel ciclo di trattamento, poiché determina la crescita e moltiplicazione dei microrganismi. Questi infatti acquisiscono l energia e il nutrimento necessario mediante reazioni biochimiche di ossidazione della materia organica. La quantità di sostanza organica presente nel refluo ed utilizzata dai batteri eterotrofi chiamata BOD (Biochemical Oxygen Demand) misurata indirettamente dalla quantità di ossigeno consumato dalle reazioni biochimiche. Poiché la misura della BOD viene convenzionalmente effettuata per incubazione a 20 C per 5 giorni (BOD5) si esegue la rilevazione della parte organica nel refluo mediante l analisi molto più veloce (2 ore) della COD (Chemical Oxygen Demand) che esprime la quantità di ossigeno necessaria ad ossidare chimicamente la maggior parte della sostanza organica presente. L impianto biologico a fanghi attivi nello schema classico più semplice si compone di due sole fasi: ossidazione e sedimentazione (vedi Figura 1). L ossidazione avviene in appositi bacini immettendo ossigeno normalmente mediante insufflazione di aria compressa inviata dai compressori. Dalla fase di ossidazione dipende l intero processo poiché permette la formazione del fango attivo che è responsabile della degradazione biologica della materia organica e agevola la successiva fase di sedimentazione. 2 è 1 bioflocculazione: consiste in un processo chimico-fisico che porta alla formazione di un sistema colloidale in cui la fase solida tende a separarsi formando dei fiocchi in sospensione. Alla base vi sono fenomeni di adsorbimento che instaurano un'interazione di tipo chimico-fisico, attraverso forze di Van der Waals, sulla superficie di separazione tra le fasi 2 organismi eterotrofi: lo sono gli animali e la maggior parte dei microrganismi che utilizzano come fonte di carbonio composti organici quali zuccheri, lipidi, proteine. 6

9 La sedimentazione permette la separazione dell acqua depurata dal fango; l acqua in superficie defluirà all uscita mentre il fango sedimentato verrà inviato come ricircolo in testa alla ossidazione o come fango di supero in esubero allo smaltimento previa eventuale digestione. INGRESSO OSSIDAZIONE SEDIMENTAZIONE USCITA FANGHI RICIRCOLO SUPERO Figura 1 - Schema di base del processo a fanghi attivi Per meglio comprendere il funzionamento dell impianto a fanghi attivi lo si può paragonare ad una fabbrica: l ingresso del refluo in aerazione determina l intimo contatto della materia organica col fango attivo (gli operai specializzati) dove i microrganismi si nutrono e si riproducono (lavorano) a spese di essa. La miscela fango attivo e liquame depurato giunge in sedimentazione (pausa mensa) dove l acqua depurata esce dal ciclo mentre i fanghi decantati vengono in parte ricircolati (dopo la pausa mensa si ritorna al lavoro) e parte tolti dal ciclo depurativo (operai in pensione). Nella fase di aerazione oltre alla rimozione della parte organica BOD carboniosa avviene la nitrificazione, operata dai batteri autotrofi 3, che traendo l energia dal composto inorganico come l ammoniaca (NH 4 ) e utilizzando come fonte di carbonio l anidride carbonica, effettuano l ossidazione biologica delle forme ammoniacali dell azoto presente nel liquame trasformandole in nitriti (NO 2 ) e nitrati (NO 3 ). Tale trasformazione è fondamentale perché permette di ottenere condizioni aerobiche ossidanti con riduzione dal 90% al 98% della carica batterica e dei microrganismi 4. 3 organismi autotrofi: lo sono i vegetali ed alcuni microrganismi, che utilizzano come fonte di carbonio composti inorganici. 4 il 2% di batteri nell acqua depurata è pari a 2 miliardi per litro, per riutilizzarla si effettua la disinfezione. 7

10 1.4 Modello della fase di aerazione Nella fase di aerazione intervengono contemporaneamente fenomeni di ossigenazione e deossigenazione che dipendono dal carico organico da trattare introdotto in vasca (pari a portata per concentrazione) e dall'efficienza del sistema di aerazione impiegato, come riportato in Appendice A. Nel metabolismo batterico di un processo biologico aerobico la crescita della biomassa del fango attivo e la formazione di nuove cellule batteriche ( dx/dt = x ) è conseguenza del consumo di carico organico (substrato) da parte dei microrganismi ( ds/dt = s ) nelle reazioni di ossidoriduzione col relativo consumo di ossigeno per ossidazione del substrato K *s e per sintesi batterica K *x. Tale cinetica segue l andamento delle reazioni del primo ordine come descritto schematicamente nella Figura 2 in cui viene rappresentato l andamento nel tempo dei tre soggetti principali alla base del processo: carico organico, microorganismi, consumo di ossigeno. Il processo biologico viene descritto da cinque fasi delle curve in cui quelle principali sono la tre e la quattro. Fase 1 stazionaria, microorganismi costanti Fase 2 avviamento, la velocità di reazione tende alla velocità di regime Fase 3 crescita logaritmica illimitata Fase 4 crescita limitata dalla disponibilità del cibo (Carico organico) Fase 5 fase endogena o morte dei batteri FASI PROCESSO BIOLOGICO CONCENTRAZIONE Carico Org Ossigeno Microorgan. TEM PO fase 1 fase2 fase 3 fase 4 fase 5 Figura 2 - Fasi tipiche del processo biologico. 8

11 CAPITOLO 2 2 L IMPIANTO OGGETTO DI STUDIO 2.1 Caratteristiche dell impianto Le prove della presente tesi sono state effettuate presso l impianto di depurazione del caseificio Montirone situato a Montirone (Bs), che tratta le acque reflue provenienti dai reparti di lavorazione del latte per la produzione di grana padano e formaggi molli, oltre alle acque reflue dell attiguo macello. L impianto è stato progettato e eseguito dal CID di Brescia nel 1996 ed è composto da bacini in calcestruzzo armato, una cabina comandi e parti tecnologiche in acciaio inox (vedi Figura 3). Data la natura prettamente organica degli scarichi del caseificio Montirone il trattamento adottato è quello biologico a fanghi attivi con pre-denitrificazione, nel quale la fase di ossidazione avviene con aerazione mediante insufflazione di aria inviata da due compressori. La scelta del processo biologico è giustificata dalle alte rese depurative necessarie per tale tipologia di scarico. Figura 3 - L'impianto di depurazione del caseificio Montirone. 9

12 Nello schema di Figura 4 viene riportato in forma grafica il ciclo di trattamento, che prevede le seguenti fasi : ingresso delle acque reflue sollevamento accumulo ed equalizzazione risollevamento parzializzazione portata denitrificazione ossidazione sedimentazione ricircolo fanghi supero fanghi digestione aerobica e ispessimento fanghi deflusso delle acque depurate nella roggia Figura 4 - Schema processuale dell'impianto di depurazione del caseificio Montirone. L impianto è composto dalla vasca di accumulo iniziale e dal digestore-ispessitore fanghi di supero. Lo scarico giunge dai reparti del caseificio al pozzetto di sollevamento dove due pompe sommerse comandate automaticamente dai sensori di livello lo inviano alla vasca di accumulo-equalizzazione che ha capacità di accumulo giornaliera di 150m3. Nella vasca di accumulo è installato un gruppo di miscelazione ad aria e le pompe di risollevamento che provvedono mediante temporizzazione e sensori di livello ad inviare lo scarico al processo depurativo previo controllo e parzializzazione della portata secondo i parametri di progetto. Il parzializzatore è infatti dotato di paratoia che permette di regolare la portata affluente al trattamento da 4 a 14 m 3 /h. 10

13 Lo scarico equalizzato e con portata costante giunge al bacino di denitrificazione insieme ai fanghi di ricircolo e da qui in ossidazione; in tale bacino viene inviato l ossigeno mediante apporto di aria dai compressori e distribuita in micro bolle dai gruppi di insufflazione. La miscela di fango attivo formatasi in ossidazione giunge nella zona centrale di sedimentazione dove avviene la separazione tra il fango che sedimenta e l acqua depurata in superficie che defluisce al ricettore finale rappresentato dal corso d acqua. Il sollevamento ed invio dei fanghi di ricircolo e supero viene effettuato mediante air-lift (o idroestrattori) sfruttando l aria dei compressori ed il differenziale idrostatico tra insufflazione ed innesto dell air-lift. Le macchine presenti sono doppie (di cui una sempre di riserva) e vengono alternate ogni mese. N 2 pompe sollevamento N 2 pompe risollevamento N 2 compressori aria N 2 pompe uscita per invio in roggia Il sistema di telecontrollo, dotato di PC industriale, collegato alle macchine e alle sonde permette la rilevazione e registrazione di: stato delle macchine (ON-OFF-ALL) portate e volume trattati qualità dell ingresso e dell uscita stato del processo Nella Tabella 1 sono riportati i dati funzionali relativi al 2008: Voce Valore Portata reflua trattata m 3 /anno Portata media giornaliera trattata 103 ( ) m 3 /g Carico inquinante medio giornaliero trattato 131 Kg/g COD Ossigeno giornaliero medio fornito 227 Kg/g O2 Consumi medi giorno Energia Elettrica 172 Kwh/g Abbattimento medio carico organico BOD 98% Abbattimento medio carico organico COD 96% Abbattimento medio carico organico N 73% Abbattimento medio carico organico P 77% Rapporto medio COD/BOD 3,1 Rapporto medio nutrienti organici BOD:N:P 100:1,8:2,0 Tabella 1 Dati funzionali dell'impianto. 11

14 2.2 Efficienza depurativa e parametri operativi della fase di ossidazione L efficienza depurativa del processo biologico a fanghi attivi dipende dai fattori che interessano le varie fasi del trattamento. La fase principale è quella di ossidazione, nella quale è essenziale garantire condizioni ottimali, mantenendo bassi valori di carico dei fanghi (Cf), che rappresenta il rapporto tra la sostanza organica da degradare (il cibo ) e la parte organica attiva, cioè i microrganismi e batteri che costituiscono quindi i fanghi attivi. Esso è misurato in KgBOD/KgSSV, in cui SSV sta per sostanza secca volatile. All impianto del caseificio di Montirone i bassi valori il carico del fango sono ottenuti: mantenendo il più costante e minimo possibile l ingresso (in portata e concentrazione ) mediante il bacino di accumulo e la regolazione della portata. mantenendo ottimale in fase di ossidazione il potenziale Redox, indice delle condizioni ossido-riduttive (Rx< 0mV anaerobiche, Rx=10-50mV anossiche, Rx >70mV condizioni ossidanti) agendo sui fanghi di supero per togliere la quantità in eccesso di fanghi attivi Per tale motivo nella presente tesi si è considerato come parametro operativo il potenziale Redox (in mv) indice del grado di ossidazione della materia organica e quindi del grado depurativo poiché la misura in continuo dell Ossigeno Disciolto (OD) richiederebbe una più assidua gestione in termini di taratura e pulizia. Nella Figura 5 è riportato lo schema funzionale della fase di ossidazione con la vasca di accumulo iniziale dotata di sensore di livello e pompa di risollevamento alla successiva unità di ossidazione. ingresso RxC LC Qi Ci sedimentazione Figura 5 - Schema funzionale P&I della fase di ossidazione. 12

15 CAPITOLO 3 3 PROVE SPERIMENTALI 3.1 Schema a blocchi della fase di ossidazione A partire dello schema funzionale di Figura 5 si può schematizzare la fase di ossidazione come in Figura 6, nella quale il refluo entrante può essere visto come un disturbo additivo agente sull'uscita del processo. ON/OFF Qi(t)*Ci(t) Rx(t) Figura 6 - Schematizzazione della fase di ossidazione. Il disturbo è rappresentato dal carico in ingresso al trattamento depurativo definito come concentrazione COD moltiplicata per la portata in ingresso cioè: In Figura 7 è riportata la rappresentazione della fase di ossidazione mediante schema a blocchi nel quale si vogliono determinare con la risposta allo scalino le funzioni di trasferimento del disturbo H(s) e del processo P(s) per realizzare il sistema di controllo. Qi*Ci H(s) ON/OFF P(s) + Rx Figura 7 - Schema a blocchi della fase di ossidazione. 13

16 Per fare ciò si applica il principio della sovrapposizione degli effetti nei due casi studiati: - nel primo caso si impone uno scalino sul disturbo mantenendo costante l'uscita del processo (Figura 8) -nel secondo caso si mantiene costante il disturbo e si applica uno scalino sul processo (Figura 9). d d H(s) H(s) P(s) + Rx P(s) + Rx Figura 8 - Scalino sul disturbo. Figura 9 - Scalino sul processo. Sono definiti disturbi i fattori che provocano disfunzioni o cambiamenti nell esercizio o nel rendimento di un processo di trattamento. Esistono due tipologie principali di disturbo: l esterno e l interno. Il disturbo esterno è principalmente dovuto alla variazione della portata o delle concentrazioni in ingresso che determinano trascinamento del fango, bassi tempi di ossidazione, effetto tossico. Per limitare il disturbo esterno si adotta la vasca di accumulo del refluo influente, come è nell impianto del caseificio Montirone preso in esame dove la portata in ingresso al processo viene regolata mediante il parzializzatore di portata e le concentrazioni di COD in ingresso sono rilevate in continuo mediante l apposita sonda. Il disturbo interno in un impianto di depurazione a fanghi attivi è determinato essenzialmente dai fenomeni di degradazione delle caratteristiche del fango attivo con conseguenze a volte molto più negative sul processo rispetto alle cause di disturbo esterno. Infatti mentre le cause di disturbo esterno sono in qualche misura controllabili quelle per disturbo interno pur avendo come possibile origine il disturbo esterno non sono controllabili e gli effetti sono prolungati nel tempo. Ad esempio un fenomeno di bulking (cancro del fango) dovuto ad un accidentale tossico in ingresso può determinare 14

17 condizioni anossiche o anaerobiche con la morte del fango attivo l annullamento del processo biologico che può durare anche alcune settimane. Se non è possibile eliminare le azioni di disturbo esse possono essere limitate mediante la rilevazione dei parametri di controllo che vengono mantenuti a valori stabiliti mediante i parametri manipolati mediante il sistema di controllo. Nel caso in esame i parametri manipolati o di uscita dal sistema di controllo sono le portate d aria fornite dai compressori mentre i parametri di controllo o di ingresso dal sistema di controllo sono i valori del Potenziale Redox. Le prove effettuate hanno permesso di determinare le funzioni di trasferimento del disturbo H(s) e del processo P(s) nella fase di ossidazione, che rappresentano il comportamento di un sistema per mezzo di equazioni differenziali, che nel caso in esame sono rappresentate da equazioni del primo ordine o di ordine zero. Figura 10 - Rappresentazione del sistema in funzione del tempo. Una funzione di trasferimento è una rappresentazione matematica della relazione tra l'ingresso di un sistema LTI (lineare tempo invariante) e la risposta del sistema stesso. Lineare tempo invariante significa che tutti gli elementi facenti parte del sistema devono avere un'equazione caratteristica lineare ed i valori dei parametri che costituiscono il sistema devono essere costanti nel tempo. La funzione di trasferimento si ottiene quindi eguagliando a zero le equazioni delle n variabili di stato che descrivono il sistema. Nella teoria dei controlli automatici la funzione di trasferimento è una funzione della variabile s nel dominio complesso della trasformata di Laplace. Sia x(t) l'ingresso del sistema, y(t) la sua uscita e U(s) e Y(s) le relative trasformate di Laplace, allora la funzione di trasferimento H(s) è data dal rapporto tra la trasformata dell'uscita e quella dell'ingresso: Le funzioni di trasferimento sono state stimate con funzionamento di uno e di due compressori per stabilire la capacità di intervento di tali macchine come parametri manipolati in uscita dal sistema di controllo. 15

18 3.2 Dati preliminari Prima di procedere alla rilevazione dei dati reali è stata effettuata una valutazione preliminare sui dati funzionali e sulle caratteristiche dell impianto. Sono stati valutati i dati storici del funzionamento dell impianto negli ultimi anni valutando le modalità di afflusso nella vasca di accumulo, la durata di rilancio del refluo all impianto, le portate delle pompe, le portate d aria dei compressori, le analisi di laboratorio nelle varie fasi di processo. Sono state tarate le sonde poste nell impianto ed è stata sostituita la sonda di rilevazione dell Ossigeno Disciolto con una nuova sonda con metodo ottico di rilevazione. Per la taratura delle sonde come prevista dalla procedura del S.Q. UNI EN ISO adottato da CID si sono adottati i seguenti criteri: Sonda Redox mediante soluzione di taratura Sonda Ossigeno mediante soluzione di taratura Sonda CID IN rileva in ingresso Sospesi, BOD e COD, mediante analisi di laboratorio secondo metodica Standard; Sonda CID SL rileva in ossidazione la concentrazione dei fanghi in gr/l, mediante analisi di laboratorio secondo metodica Standard; Sonda CID US rileva in uscita Sospesi, BOD, COD, mediante analisi di laboratorio secondo metodica Standard; Sono state eseguite una serie di analisi di laboratorio per confermare le ipotesi basate sui dati storici. A monte dell impianto le pompe di sollevamento inviano alla vasca di accumulo,in 3 ore al giorno, lo scarico proveniente dai reparti di lavorazione del caseificio. Il 90% dello scarico giunge al sollevamento dalle 6.00 del mattino alle di sera, come da grafico riportato in Figura

19 Figura 11 Grafico mensile delle portate in ingresso all impianto di depurazione. Per tale motivo si programma di accumulare nell apposito bacino il 90% dello scarico giornaliero e temporizzare l avvio delle pompe di risollevamento alle con termine alle 6.00 e con regolatore di livello di minimo. L impianto è dotato di vasca di accumulo ed equalizzazione di 120 m 3 pari al volume corrispondente allo scarico di oltre 1 giorno lavorativo. In tale vasca sono installate le pompe di risollevamento che, comandate in automatico da regolatori di livello, inviano lo scarico, con portata ridotta, al trattamento nell arco di 12 ore al giorno, 6 ore al mattino e 6 ore al pomeriggio, come da grafico riportato in Figura 12. Figura 12 Grafico giornaliero delle portate in ingresso all impianto di depurazione. 17

20 Il sistema di telecontrollo CID presente sull impianto è stato programmato per le prove in esame impostando il salvataggio dei dati ogni 15 minuti e verificando alcuni valori preliminari di Redox e Ossigeno ogni minuto correlando ad una seconda sonda da laboratorio sia l Ossigeno Disciolto che il potenziale Redox. Nella apparecchiatura di telecontrollo è stata aggiunta la circuitazione per l avvio delle pompe di risollevamento con temporizzazione e regolatori di livello. Il sistema di telecontrollo è dotato di computer e S.O. Windows XPprof. oltre al Software Ventura Web per invio in continuo dei dati via FTP al pc di acquisizione presso gli uffici CID. Il programma Team Viewer ha permesso di interfacciarsi direttamente con il pc remoto della postazione. E stata rilevata la portata delle pompe di sollevamento mediante lo strumento portatile Flowmeter. Si sono inoltre rilevate le portate di risollevamento posizionando il fermo del perno di regolazione della paratoia del parzializzatore di portata sulle due portate di 7 e 14 m 3 /h. Nei mesi precedenti le prove, in fase di valutazione preliminare dei dati, si sono riscontrati valori di potenziale Redox pari a zero o negativi in seguito al guasto di un compressore e l afflusso di alti carichi ( Figura 13) Redox Flusso Orario in ingresso m3/h Figura 13 - Dati rilevati mese di Gennaio, un solo compressore in funzione il secondo guasto. 18

21 Al ripristino del funzionamento regolare dei compressori e regolazione del carico, i valori del Redox sono ritornati prossimi a 100mV (Figura 14) Redox Flusso Orario in ingresso m3/h Figura 14 - Dati rilevati mese di febbraio, due compressori sempre in funzione. La curva di regressione del recupero ha un andamento di tipo esponenziale come riportato in Figura 15, con costante di tempo di 107 ore. Essa rappresenta il tempo necessario a raggiungere il 63% del valore asintotico k di 89,7 mv. Figura 15 - Curva di regressione del recupero. 19

22 3.3 Svolgimento delle prove Definito il carico in ingresso come disturbo sono state programmate presso l impianto di depurazione del caseificio Montirone le prove per stimare, mediante tecniche di identificazione dei sistemi, le funzioni di trasferimento del sistema nelle diverse condizioni di carico e di portata di ossigeno fornito nella fase di ossidazione. Nella programmazione delle prove si è cercato di ottenere un modello sufficientemente accurato per il caso oggetto di studio, senza mettere a rischio il sistema e con durata delle prove minore possibile senza ostacolare le normali operazioni dell impianto di depurazione. Considerando i criteri precedentemente esposti, le prove per il presente lavoro sono state svolte secondo il seguente procedimento: Accumulo giornaliero del refluo proveniente dai reparti di lavorazione del caseificio per valutare la variazione dei parametri rilevati con carico giornaliero omogeneo e costante. Predisposizione della fase di carico di ingresso del refluo al depuratore mediante pompa di risollevamento con avvio alle ( termine delle fasi di lavorazione e scarico del caseificio). Campionamento giornaliero del refluo accumulato ed analisi di laboratorio secondo metodica standard della concentrazione organica in ingresso al processo come CODin e saltuariamente anche di tutti i parametri inerenti le varie fasi depurative (uscita, fanghi). Rilevazione in continuo con due sonde delle concentrazioni dell Ossigeno disciolto e del potenziale Redox nella vasca di ossidazione e loro correlazione. Registrazione dei dati delle portate in ingresso al trattamento, delle concentrazioni di funzionamento delle macchine (pompe e compressori), mediante apparecchiatura di telecontrollo completa di computer hardware e software di acquisizione dati. Rilevazione delle variazioni dell Ossigeno Disciolto e del Potenziale Redox distinte nelle fasi differenziate sia nel carico in ingresso che nella quantità di ossigeno fornito in ossidazione mediante l aria inviata dai compressori. Si è impostato il programma di rilevazione dati e definite le tipologie di funzionamento. E necessario infatti rilevare la variazione dei valori del potenziale Redox al variare del carico inquinante in ingresso e al variare della quantità di ossigeno fornita (valori Redox in salita e in discesa). 20

23 Sono stati impostati i seguenti 5 programmi di rilevazione i cui dati rilevati sono riportati in appendice : 1 - iniziato il 27marzo fino al 6 aprile - accumulo dalle 7.00 alle dello scarico - invio al trattamento mediante pompa di risollevamento con inizio alle parzializzatore posto per portata minima di 7 m 3 /h - compressore C1 in funzione continua - compressore C2 posto temporizzato con funzionamento e iniziato il 6 aprile fino al 9 aprile - accumulo dalle 7.00 alle dello scarico - invio al trattamento mediante pompa di risollevamento con inizio alle parzializzatore posto per portata minima di 7 m 3 /h - compressore C1 in funzione continua - compressore C2 spento 3 - iniziato il 14 aprile fino al 17 aprile - accumulo dalle 7.00 alle dello scarico - invio al trattamento mediante pompa di risollevamento con inizio alle parzializzatore posto per portata minima di 7 m 3 /h - compressori C1 +C2 in funzione continua 4 - iniziato il 17 aprile fino al 21 aprile - accumulo dalle 7.00 alle dello scarico - invio al trattamento mediante pompa di risollevamento con inizio alle parzializzatore posto per portata massima di 14m 3 /h - compressori C1 +C2 in funzione continua 5 - iniziato il 21 aprile fino al 25 aprile - accumulo dalle 7.00 alle dello scarico - invio al trattamento mediante pompa di risollevamento con inizio alle parzializzatore posto per portata masima di 14 m 3 /h - compressore C1 in funzione continua - compressore C2 spento 21

24 3.4 Strumentazione di prova L adozione della sonda Redox di misura del potenziale ossido riduttivo deriva dalla constatazione pratica che essa non richiede tarature assidue (praticamente assenti) ed eventualmente eseguite velocemente immergendo la sonda nella soluzione di taratura. La sonda ossigeno usualmente adottata necessita di tarature continue e sostituzioni della membrana di scambio, operazione da effettuare necessariamente in laboratorio e non in campo ove le condizioni operative sono difficoltose. Ultimamente sono entrate in commercio sonde per la rilevazione dell Ossigeno Disciolto basate sulla lettura con metodo ottico che non hanno gli inconvenienti delle vecchie sonde a membrana anche se il costo è quadruplo. Per verificare l attendibilità di tali sonde per il presente lavoro ne è stata installata una e dopo 3 mesi di funzionamento il bilancio è positivo. Caratteristiche sonda Redox : Azienda distributrice Trasmettitore di Redox a cristalli liquidi Alimentazione e Segnale analogico a 2 fili B&C MV mA Compensazione automatica temperatura Alimentazione Sonda pvc H720mm con elettrodo Vcc SI263 Elettrodo Redox combinato platino/rif.gel in vetro Range misura Potenziale Redox mv Caratteristiche sonda Ossigeno Disciolto : Azienda distributrice B&C Dispositivo ottico fluorescente di rilevazione Trasmettitore segnale analogico Range misura Ossigeno Disciolto 4-20mA 0-20ppm 22

25 Poiché il trattamento biologico prevede condizioni ossidanti, con presenza di Ossigeno Disciolto non inferiore a 0.5 ppm, corrispondenti a 60mV di potenziale redox, si sono effettuate le rilevazioni e trovata la corrispondenza tra i due valori. O2 ppm MONTIRONE -SONDE Rx O y = 0,177e 0,015x R 2 = 0, REDOX mv RX mv O2 ppm ,0 0 0,2 25 0,3 50 0,4 75 0, , , , , , , , , ,2 Tabella 2 Correlazione tra i dati di Redox e Ossigeno rilevati. Come si rileva dal grafico di Tabella 2 la corrispondenza è del 92,4% con risposta immediata, senza ritardo. Nella presente tesi si è fatto riferimento ai valori del Potenziale Redox per regolare il processo poiché la sonda Ossigeno è di recente produzione e non è stata testata nel tempo. 3.5 Identificazione del sistema La risposta allo scalino dei sistemi è stata stimata utilizzando l identificazione ai minimi quadrati, adottando come modello un sistema del primo ordine, uno del secondo ordine e uno integratore. La procedura di identificazione è stata automatizzata implementando degli script Matlab e dei modelli Simulink per la stima ai minimi quadrati (vedere Appendice B). 23

26 Inizialmente sono stati implementati tutti e tre i modelli di sistema, successivamente il modello del secondo ordine è stato scartato poiché sia il sistema del primo ordine che il sistema integratore fornivano già una buona approssimazione. La funzione di trasferimento di un sistema del primo ordine si può scrivere come: in cui T è la costante di tempo, k è il guadagno i parametri per la stima ai minimi quadrati sono quindi e da cui si ricava il guadagno k e la costante di tempo T. La funzione di trasferimento di un sistema del secondo ordine si può scrivere come: i parametri per la stima ai minimi quadrati sono quindi, e da cui si ricava il guadagno k e le costanti di tempo T 1 e T 2. La funzione di trasferimento di un sistema integratore si può scrivere come: il parametro per la stima ai minimi quadrati è pari al guadagno. 24

27 3.6 Risultati delle prove Vengono di seguito riportati i risultati dell identificazione dei sistemi per le varie prove effettuate. In Appendice C sono riportati i grafici dei dati e dell'identificazione dei sistemi. Di seguito per funzione di trasferimento in salita si intende quella calcolata quando il valore del Redox aumenta, cioè nel caso in cui si mette in funzione il compressore oppure quando finisce il carico in ingresso, mentre per funzione di trasferimento in discesa si intende quella calcolata quando il valore del Redox diminuisce, cioè nel caso in cui si ferma il compressore oppure quando inizia il carico in ingresso. Nella prova 1 nella funzione di trasferimento di salita compressore non sono state prese in considerazione le prime due rilevazioni poiché i valori di partenza del potenziale redox erano bassi rispetto ai valori tipici di partenza. Prova numero guadagno(mv) costante di tempo (min) ritardo (min) carico 1 - Rx< ,3 2 - Rx< ,8 3 - Rx< ,7 4 - Rx< ,7 5 - Rx< Tabella 3 Prova 1 - Funzione di trasferimento salita compressore Nella prova 1 nella funzione di trasferimento di discesa compressore non si sono considerate le prime due rilevazioni perché il carico si esauriva prima dello spegnimento del compressore. La terza rilevazione non è rappresentativa poiché i parametri di guadagno e costante di tempo si discostano troppo dalle altre rilevazioni esaminate, ciò è dovuto ai numerosi fattori che influiscono sul processo. Prova numero guadagno(mv) costante di tempo (min) ritardo (min) carico , , Tabella 4 Prova 1 - Funzione di trasferimento discesa compressore 25

28 Prova numero guadagno(mv) costante di tempo (min) ritardo (min) carico 2_1 (1Compr) ,8 2_2 (1Compr) ,7 2_3 (1Compr) ,4 2_4 (1Compr) ,8 2_5 (1Compr) ,7 2_6 (1Compr) ,7 2_7 (1Compr) ,9 3_1 (2Compr) ,8 3_2 (2Compr) ,4 3_3 (2Compr) _1 (2Compr) _2 (2Compr) _3 (2Compr) ,6 0 36,9 4_4 (2Compr) Tabella 5 Prove 2,3,4 - Funzione di trasferimento salita carico Nelle prove 2,3,4 riportate nella Tabella 5, nella funzione di trasferimento di salita carico si sono considerate le rilevazioni con funzionamento con 1 e 2 compressori; non si sono considerate le rilevazioni 3_1 e 4_3 perché i valori del carico e della costante di tempo si discostano troppo dalle altre rilevazioni esaminate. La rilevazione 2_7 pur avendo il guadagno compatibile con le altre rilevazioni è stata scartata poiché nella retta di regressione il dato abbassa il valore di attendibilità dal 91% al 61%. Prova numero guadagno costante di tempo (min) ritardo (min) carico 2_1 (1Compr) -2,3(mV/15min) ,8 2_2 (1Compr) -4,45(mV/15min) _3 (1Compr) -10,7(mV/15min) ,4 2_4 (1Compr) -14,7(mV/15min) ,8 2_5 (1Compr) -13,7(mV/15min) ,7 2_6 (1Compr) -13,9(mV/15min) ,7 2_7 (1Compr) -12(mV/15min) ,9 3_1 71(mV) _2 106(mV) ,4 3_3 96(mV) _1 6,5(mV/15min) _2 100(mV) ,3 4_3 86(mV) _4 210(mV) Tabella 6 Prove 2,3,4 - Funzione di trasferimento discesa carico 26

29 Nelle prove 2,3,4 riportate nella Tabella 6, nella funzione di trasferimento di discesa carico si sono considerate le rilevazioni con funzionamento con 1 e con 2 compressori. La rilevazione 2-7 pur avendo il guadagno compatibile con le altre rilevazioni è stata scartata poiché nella retta di regressione il dato abbassa il valore di attendibilità dal 97% al 74%. La rilevazione 4_3 pur avendo il guadagno compatibile con le altre rilevazioni è stata scartata poiché nella retta di regressione il dato abbassa il valore di attendibilità dal 76% al 66% per il guadagno e dal 92% al 30% per la costante di tempo. Dalle rilevazioni sopra riportate sono state estratte quelle ritenute significative che hanno permesso di ricavare la Tabella 7 complessiva riassuntiva dei parametri delle funzioni di trasferimento dei sistemi in salita e discesa. Per le funzioni di trasferimento in salita e discesa compressore dei pochi dati ritenuti accettabili è stata fatta la media per ottenere il valore più significativo riportato nella Tabella 7 seguente. Scalino su Salita/discesa guadagno costante di tempo (min) ritardo (min) carico Compressore Carico 1C Carico 2C 123(mV) ,7 200(mV) ,7 146(mV) (mV) (mV) 45-15,4 5 (mv/15min) (mV) 90-23,8 15(mV/15min) ,8 36(mV) (mV) ,4 166(mV) (mV) Tabella 7 Tabella complessiva delle funzioni di trasferimento con i valori estremi rispetto al carico dell intervallo considerato Dai risultati in tabella, per quanto riguarda il ritardo di tempo delle funzioni di trasferimento, è risultato nullo o al più pari a 15 minuti. 27

30 I dati raccolti con l'identificazione del sistema vengono riportati i grafici delle rette di regressione ottenute dalle rilevazioni. In Tabella 8 sono riportati i dati del guadagno e costante di tempo della funzione di trasferimento in salita utilizzati per determinare la retta di regressione. SALITA-un compressore Carico Guadagno Cost.Tempo 16, , , , , Tabella 8 Guadagno Guadagno fase salita y = 14,68x - 106,8 R² = 0, Carico (kg/h) Costante di tempo (min) Costante di tempo fase salita y = 5,219x - 35,96 R² = 0, Carico (kg/h) Figura 16 Rette di regressione ottenute dai dati della Tabella 8. In Tabella 9 sono riportati i dati del guadagno e costante di tempo della funzione di trasferimento in discesa utilizzati per determinare la retta di regressione. DISCESA-1 compressore Carico Guadagno/15min Guadagno/1min 16,8-2,3-0,15 8,8-4,7-0,31 15,4-10,7-0,71 23,8-14,7-0,98 21,7-13,7-0,91 21,7-13,9-0,93 26, ,8 Tabella 9 28

31 Guadagno integratore -0,20-0,40-0,60-0,80-1,00-1,20 Guadagno integratore fase discesa 0, y = -0,043x + 0,033 R² = 0,974 Carico (kg/h) Figura 17 Retta di regressione ottenuta dai dati della Tabella 9. In Tabella 10 sono riportati i dati del guadagno e costante di tempo della funzione di trasferimento in salita utilizzati per determinare la retta di regressione. SALITA-2 compressori Carico Guadagno Cost.Tempo 3_ _ _ _ Tabella 10 Guadagno y = 2,876x - 5,770 R² = 0, Carico (Kg/h) Costante di tempo (min) y = -2,676x + 392,7 R² = 0, Carico (Kg/h) Figura 18 Rette di regressione ottenute dai dati della Tabella 10. In Tabella 11 sono riportati i dati del guadagno e costante di tempo della funzione di trasferimento in salita utilizzati per determinare la retta di regressione. DISCESA-2 compressori Carico Guadagno Cost.Tempo 3_ _2 16, _ _2 19, _ Tabella 11 29

32 Guadagno y = 2,408x + 39,80 R² = 0, Carico (Kg/h) Costante di tempo (min) y = -2,282x + 325,1 R² = 0, Carico (Kg/h) Figura 19 Rette di regressione ottenute dai dati della Tabella 11. Le equazioni delle rette di regressione del guadagno e della costante di tempo in funzione del carico che sono state determinate permettono di adattare i parametri delle funzioni di trasferimento al variare del carico. Nella Tabella 12 seguente sono riportati i coefficienti delle rette di regressione desunte dalle rilevazioni. Si sono omessi quelli relativi ai compressori perchè, a causa della complessità e instabilità del sistema, le rilevazioni non hanno permesso di ottenere rette di regressione attendibili poiché il carico si esauriva prima dello spegnimento dei compressori. Scalino su Tipologia Equazioni del guadagno in funzione del carico x (COD Kg/h) Equazioni della costante di tempo (min) in funzione del carico x (CODKg/h) 14,68x - 106,8 [mv] 5,22x - 32,96 Carico 1C -0,043x + 0,033 [mv/1min] - 2,876x - 5,770 [mv] -2,676x + 392,7 Carico 2C 2,408x 39,80 [mv] -2,282x + 325,1 Tabella 12 Tabella complessiva delle funzioni di trasferimento con le equazioni delle rette di regressione Le due tabelle complessive sopra esposte hanno permesso di progettare il sistema di controllo per il processo in esame. 30

33 CAPITOLO 4 4 LO SCHEMA DI CONTROLLO 4.1 Schema di controllo attuale Il processo di ossidazione viene attualmente monitorato dal sistema di telecontrollo che rileva i dati delle sonde che rilevano Ossigeno e Redox e fornisce i segnali allarme sulla base di soglie preimpostate. I segnali di allarme tramite uscite digitali comandano l'accensione e lo spegnimento del compressore ausiliario, quando la concentrazione dell'ossigeno scende al di sotto o supera un certo valore di concentrazione nella vasca di aerazione. Si tratta del tipico controllo a relè nel quale la variabile da controllare viene confrontata con il valore di setpoint impostato e quando si avvicina a un valore prestabilito, viene chiuso un contatto in uscita. La variabile di controllo è quindi di tipo on-off non di tipo analogico. La frequenza dei cicli di accensione e spegnimento del compressore è limitata, in quanto il carico elettrico a cui è sottoposto il motore durante la fase di avviamento risulta molto elevato. La presenza di rumore sulla misura e la necessità di non commutare continuamente il contatto in uscita, per evitare il surriscaldamento del motore elettrico, rendono opportuno l utilizzo dell isteresi. In Figura 20 è riportato lo schema di controllo. Di conseguenza, il controllo on-off non è in grado di mantenere un parametro controllato all'interno di un intervallo limitato. Le azioni di controllo on-off causano inoltre un disturbo significativo, che viene poi trasferito ai processi di valle. Figura 20 - Schema di controllo a relè con isteresi. 31

34 Questa tecnica di controllo di base viene utilizzata tipicamente nell ambito di regolazioni di impianti di depurazione con ciclo di processo semplificato. La variabile controllata evolve infatti secondo una dinamica oscillatoria di ampiezza tanto maggiore quanto più elevato è il rapporto di controllabilità del processo e ciò può essere compatibile solo con prestazioni modeste del ciclo di regolazione. 4.2 Lo schema di controllo proposto Visti i limiti del controllo on-off a relè attualmente impiegato, che non è in grado di mantenere il parametro Redox all'interno di un intervallo limitato e le modeste prestazioni si è considerato l impiego di un controllore PID, molto comune nella realtà industriale. Tale controllore è possibile inserirlo in uno schema di controllo in retroazione (feedback), nello schema con regolazione anticipata (feed-forward) oppure nella combinazione dei due precedenti. Il controllo con retroazione prevede la misura di una variabile di processo per effettuare degli aggiustamenti di una variabile di input. Quest'ultima pertanto diventa una variabile manipolata. Esso interviene solo quando viene individuato un errore nell'output, per compensare i cambiamenti osservati. La regolazione anticipata viene utilizzata per individuare i disturbi in fase di input, prima che il sistema intervenga, e per apportare aggiustamenti a una o più variabili manipolate, in modo da ridurre o eliminare gli effetti del disturbo. Esso cerca di compensare i disturbi. Nelle situazioni in cui il controllo non può essere ottenuto in modo accurato o completo mediante un meccanismo con retroazione, si può usare una combinazione dei sistemi di controllo con retroazione e con regolazione anticipata. Vengono di seguito descritti gli schemi di controllo utilizzati negli impianti di depurazione. Controllo con retroazione (feedback). Il principio del controllo con retroazione rappresenta uno dei concetti più intuitivi nell' ambito del controllo del processo. Per correggere una determinata situazione viene intrapresa una certa azione; si misura quindi il risultato di questo intervento correttivo ed eventualmente si adotta una nuova azione 32

35 correttiva. Pertanto, invece di misurare un disturbo, viene valutato il cambiamento di un parametro controllato (come il Redox) e in base a questo, viene calcolato il valore di un parametro manipolato (flusso di aria). In Figura 21 è riportato lo schema di controllo in retroazione della fase di ossidazione di un impianto di depurazione biologico a fanghi attivi. Figura 21 - Schema di controllo in retroazione della fase di ossidazione. In Figura 22 è rappresentato il relativo schema a blocchi dell anello di regolazione in retroazione, nel quale rappresenta la fdt del controllore, rappresenta la fdt del processo da controllare e rappresenta la fdt del disturbo. variabile di controllo (u): tempo compressori variabile controllata (Rx): Redox disturbo sull'uscita: carico in ingresso portata*concentrazione del refluo Qi*Ci H(s) Rx sp - + e R(s) u P(s) + Rx Figura 22 - Schema a blocchi del sistema di controllo in retroazione. 33

36 Controllo con regolazione anticipata (feed-forward). Questo metodo di controllo consiste nella misura dei disturbi in modo che i parametri controllati siano mantenuti all'interno di un intervallo stabilito. Nel caso in esame potrebbe essere utile adottarlo nel caso in cui il carico del liquame influente (disturbo) viene misurato, mentre viene calcolata la necessaria variazione del flusso di aria (parametro manipolato) da fornire al sistema a fanghi attivi per mantenere costante la concentrazione di ossigeno disciolto nella vasca di aerazione (mediante il controllo del Redox). In Figura 23 è rappresentato lo schema a blocchi dell anello di regolazione in retroazione, nel quale rappresenta la fdt del controllore, rappresenta la fdt del processo da controllare, rappresenta la fdt del disturbo e rappresenta la fdt del compensatore feed-forward. Qi*Ci G(s) H(s) Rx sp R(s) + u P(s) Rx + Figura 23 - Schema a blocchi del sistema di controllo con regolazione anticipata. In un algoritmo di controllo statico con regolazione anticipata, un parametro manipolato viene calcolato in base a una relazione lineare con una variabile controllata. Nel caso dell'od, l'ampiezza del segnale richiesto per il flusso di aria, viene calcolata tramite la seguente formula: Qa = K * Ql dove Qa = [ m 3 /h ] flusso di aria, K = coefficiente di guadagno (gain) della regolazione anticipata Ql = [ m 3 /h ] portata di liquido Poiché risulta molto difficile effettuare le misure del disturbo nel tempo (a causa della difficoltà di assicurare un continuo di prelievo campioni ed analisi di laboratorio) e quindi 34

37 il calcolo della variazione della portata d aria, il controllo con regolazione anticipata ha un'applicazione limitata nell'automazione del processo di trattamento delle acque reflue. Lo sviluppo di analizzatori avanzati di tipo on-line e della modellizzazione al computer dei processi di trattamento delle acque reflue contribuisce ad ampliare il campo di applicazione di questo tipo di controllo. Controllo proporzionale. Nelle modalità di controllo proporzionale, si calcola il valore di un parametro manipolato sulla base di una relazione lineare che lega questo all'errore della variabile controllata. In questo caso, l'errore viene definito come la differenza tra il valore obiettivo della variabile controllata e il valore corrente. Nel caso dell'ossigeno disciolto OD, l'ampiezza del segnale richiesto per il flusso d'aria è calcolata attraverso la formula seguente: Qa = (Kp)(OD sp - OD) + M dove Qa = portata di aria, m 3 /h Kp = coefficiente di guadagno proporzionale del regolatore, (m 3 /h)/( mg/l) OD = concentrazione di ossigeno disciolto, mg/l OD sp = concentrazione obiettivo di ossigeno disciolto al set-point, mg/l M = costante, spesso identificata come coefficiente di correzione o valore di base, il quale corrisponde all' output dal controllore quando l'errore è pari a zero, m 3 /h La differenza tra il nuovo valore misurato della variabile controllata e il set-point in condizioni stazionarie è chiamato scarto. In condizioni non stazionarie lo scarto viene chiamato errore. L'aumento del valore assoluto del guadagno può far diminuire lo scarto. Comunque uno scarto non può essere eliminato completamente, perché per raggiungere uno scarto uguale a zero, il guadagno proporzionale deve essere aumentato infinitamente. Le dinamiche del processo e l'accuratezza delle misure impongono limiti considerevoli sul valore di Kp che, di conseguenza, non può essere aumentato infinitamente. Controllo integrale. In questa modalità di controllo, per determinare l'azione correttiva si utilizza l'area al di sotto della curva che riporta lo scarto in funzione del tempo. Il cambiamento nel parametro manipolato viene calcolato in base ad una relazione 35

38 proporzionale. La modalità integrale costituisce il miglior metodo di controllo che consente di eliminare lo scarto. In presenza di qualunque scarto, un'azione basata sul controllo integrale continuerà a effettuare cambiamenti fino alla eliminazione dello scarto. L'azione di controllo integrale dell'ossigeno disciolto OD può essere descritta dalla seguente relazione: = (Ki) dove Qa = portata di aria, m 3 /min ti = tempo di integrazione, min Ki = coefficiente di guadagno dell'integrazione del regolatore.= Kp/ti, m 3 /min 2 )/(mg/l) t = tempo, min Gli altri termini sono definiti come in precedenza. In teoria, attraverso il controllo integrale è possibile mantenere sempre il valore di setpoint in maniera precisa, senza scarto. Tuttavia, se le dinamiche del ciclo di controllo sono lente e il valore di K è elevato, il sistema diventa instabile a causa di un'azione di controllo troppo aggressiva. La riduzione del valore di K renderà il sistema di controllo troppo lento e renderà impossibile compensare i disturbi entro un periodo di tempo ragionevole. Controllo proporzionale-integrale (PI). Questo è sicuramente il controllo con retroazione più diffuso. Un algoritmo PI è costituito dalla combinazione di due modi indipendenti, ovvero il modo proporzionale (P) e quello integrale (I), e fornisce un controllo affidabile e accurato. Dal punto di vista matematico, il controllo PI può essere rappresentato mediante la seguente equazione: i cui termini sono stati definiti in precedenza. Il controllo PI fornisce una risposta rapida a un errore mediante un'azione proporzionale, e inoltre consente di eliminare lentamente uno scarto mediante un'azione integrale. Il rapporto tra Kp e Ki dipenderà dalle dinamiche del ciclo di controllo. Per i cicli veloci, come il controllo della portata, dovrebbe essere aumentata l'azione di controllo integrale; per i cicli lenti, quali il controllo di OD, dovrebbe essere usata un' azione proporzionale 36

39 per evitare oscillazioni del processo. Viene chiamato control-loop tuning la procedura che consente di trovare i valori più appropriati dei coefficienti Kp e Ki. In molti casi una procedura di questo tipo condotta in modo non corretto può essere causa di un controllo automatico inefficace e a volte portare ad abbandonare completamente il controllo automatico. Esistono vari metodi per effettuare un tuning corretto, i quali si avvalgono di una fase successiva di prova. Controllo proporzionale-derivativo. (PD) Un controllo migliore del processo può essere conseguito aggiungendo un termine derivativo, ottenuto dal grafico dell'andamento temporale dello scarto, al termine di controllo proporzionale. La relazione proporzionale derivativa per l'od che ne consegue risulta: dove t d = tempo derivativo, min Lo scopo del termine derivativo consiste nell'anticipare il cambiamento in un sistema, considerando la velocità di cambiamento nel tempo del termine di errore. Il metodo di controllo PD viene usato nei cicli di controllo nei quali le dinamiche dei processi sono veloci. Poiché le dinamiche di processo dei trattamenti delle acque reflue sono relativamente lenti, il metodo PD viene utilizzato raramente nelle applicazioni che riguardano le acque reflue. Controllo proporzionale-integrale-derivativo (PID). La combinazione dei tre metodi sopra descritti porta a un sistema di controllo ancora più sofisticato ed efficace, descritto dalla seguente equazione:. Controllo con regolazione anticipata e con retroazione. A causa delle limitazioni proprie del sistema di controllo con retroazione, nel quale cioè una variabile manipolata viene cambiata solo quando è individuato un errore o il tempo di reazione è lento, la risposta del processo può essere migliorata aggiungendo un controllo con regolazione anticipata. 37

40 Attraverso una strategia di controllo combinata, una variabile manipolata risponde inizialmente ad un disturbo (per esempio un cambiamento di portata) usando un algoritmo di controllo a regolazione anticipata. L'errore causato da una compensazione poco accurata del disturbo viene corretto applicando un controllo con retroazione proporzionale-integrale (PI). In Figura 24 è rappresentato lo schema a blocchi dell anello di regolazione in retroazione, nel quale rappresenta la fdt del controllore, rappresenta la fdt del processo da controllare, rappresenta la fdt del disturbo e rappresenta la fdt del compensatore feed-forward. Qi*Ci G(s) H(s) Rx sp - + R(s) + u P(s) + Rx Figura 24 - Schema a blocchi del sistema di controllo con regolazione anticipata e retroazione. Con una accurata procedura di control-ioop tuning, un errore causato da una compensazione non adeguata del disturbo mediante una regolazione anticipata ha una rilevanza inferiore di un errore che si verifica quando viene adottato il solo controllo con retroazione. Una combinazione dei controlli mediante regolazione anticipata e retroazione rende il tuning del controllore più difficile e lungo, perché è necessario un ulteriore coefficiente di regolazione per il controllo con regolazione anticipata. Come conseguenza, la combinazione dei controlli mediante regolazione anticipata e retroazione non viene usata molto spesso. In futuro, i progressi nella modellizzazione al computer dei processi di trattamento delle acque reflue potranno semplificare la procedura control-ioop tuning dei cicli di controllo, e questo sistema di controllo avanzato sarà utilizzato più spesso. 38

41 Lo schema ad azione anticipata è utile adottarlo nel caso in cui il carico del refluo (disturbo) viene misurato in continuo, mentre nel caso in esame non è disponibile in continuo il valore del carico ma valori discreti ottenuti dai campioni prelevati e dalle analisi di laboratorio. 4.3 Implementazione in Matlab/Simulink Le prove effettuate hanno permesso di determinare le funzioni di trasferimento del disturbo H(s) e del processo P(s) nella fase di ossidazione ove il refluo entrante è stato visto come un disturbo agente sull'uscita del processo di ossidazione come dallo schema in Figura 25. Qi*Ci H(s) ON/OFF P(s) + Rx Figura 25 - Schema a blocchi della fase di ossidazione. È stato quindi implementato in ambiente Matlab/Simulink il sistema di controllo in retroazione utilizzando le funzioni di trasferimento stimate. In Matlab è stato creato uno script che una volta inizializzati i valori delle costanti del PID oltre alla durata e inizio del carico effettua la simulazione per poi restituire i grafici dell andamento dell uscita del disturbo del carico e del processo. Lo script Matlab e i modelli Simulink non presenti in questo capitolo sono in Appendice D. In Figura 26 è riportato il primo schema implementato in Simulink, che contiene lo schema a blocchi della fase di ossidazione e il sistema di controllo. Le funzioni di trasferimento del disturbo H(s) e del compressore P(s) sono inserite in sottosistemi, dato che è necessario un differente comportamento sul fronte di salita e di discesa, lo schema richiede molti blocchi Simulink in più. 39

42 Il carico in ingresso viene letto dal vettore creato con lo script e presente nel workspace (blocco simcarico) e in uscita dai sottosistemi viene applicato il ritardo di tempo ottenuto dalla Tabella 7. Nell anello di controllo è inserito il controllore PID collegato direttamente all ingresso del processo considerando quindi inizialmente una variabile di controllo continua (cioè la velocità dei motori dei compressori è regolata mediante inverter), utile per determinare il valore massimo della variabile di controllo e per tarare i parametri del PID con le diverse procedure disponibili. Figura 26 - Schema implementato in Simulink, considerando una variabile di controllo continua. Le prestazioni del regolatore PID sono determinate dal valore dei suoi parametri, esistono differenti metodi di taratura tra i quali è stato scelto il metodo di Haalman. Si tratta di un metodo analitico di taratura, che si basa sulla cancellazione polo-zero, in cui la funzione di trasferimento del regolatore è ottenuta imponendo la funzione di trasferimento in anello aperto del sistema pari a: A seconda che il processo sia del primo ordine più ritardo o del secondo ordine più ritardo si ha un PI o un PID rispettivamente. Nel caso in esame il processo è del primo ordine più ritardo si ha un PI: 40

43 È stato scelto questo metodo di taratura perché per il caso in esame permetteva di ottenere un controllore PI, senza l'azione derivativa, che come precedentemente esposto è adatta nei cicli di controllo nei quali le dinamiche dei processi sono veloci. Nei sottosistemi e sono stati inseriti degli switch per selezionare la funzione di trasferimento per il fronte di salita e discesa del carico e del processo. Considerando la Figura 27 un primo switch serve per selezionare la funzione di trasferimento, altri due per memorizzare il valore dell uscita prima della commutazione e regolare l offset delle due risposte. Un terzo e ultimo switch per applicare l offset solo dopo la commutazione. Figura 27 - Sottosistema della funzione di trasferimento del carico H(s). 41

44 Nel caso del processo in Figura 28 il sottosistema ha il doppio dei blocchi per tener conto del fatto che il comportamento del compressore con e senza carico è differente. Figura 28 - Sottosistema della funzione di trasferimento del processo P(s). 42

45 L uscita fisica di controllo del compressore in realtà non è analogica ma di tipo ON/OFF, è quindi necessario modulare la durata di ciascuna delle due fasi ON/OFF, sulla base dell uscita dell algoritmo PID, per mezzo della tecnica PWM (Pulse Width Modulation). Si è fissato un periodo T c, detto tempo-ciclo, il contatto in uscita viene tenuto ON per una frazione di T c pari al valore percentuale che la variabile di controllo ha all istante t, cioè per un tempo ON ( t, t + T c u( t) u ) = u u allo scadere di T c, all istante t+t c, ON viene ricalcolato sulla base del nuovo valore di u(t+t c ). Max min min T c u y e PID PWM u Processo y - ON OFF k- 1 k k+ 1 Tc t Figura 29 - Lo schema di regolazione a tempo proporzionale e andamento della variabile di controllo. La scelta del tempo-ciclo T c determina quanto viene sollecitato l'attuatore, un tempo troppo basso solleciterebbe eccessivamente il compressore con conseguente surriscaldamento del motore elettrico e quindi maggiore usura. Si è tenuto conto di questo fatto imponendo T c in modo tale che il tempo minimo tra lo spegnimento e la successiva accensione non fosse inferiore a 60 min, T c è risultata pari a 180 min. Nel secondo schema implementato di Figura 30 è stato inserito il modulo PWM per rendere la variabile di controllo di tipo ON-OFF, come è l attuale azionamento dei compressori. Nonostante l'uscita del PWM sia stabile l'introduzione di tale modulo ha reso instabile l'uscita del PID, ciò è dovuto al fatto che l'approssimazione introdotta con l'imposizione del tempo di ciclo relativamente lungo non permette l'annullamento dell'errore a regime e determina l'aumento continuo dell'azione integrale del PID. 43

46 Per rendere stabile l'uscita del PID è stata introdotta una saturazione dell'azione integrale quando il sistema è senza carico in ingresso realizzando il cosiddetto gain scheduling dei parametri del PID. Sempre in Figura 30 il gain scheduling del PID è realizzato dallo switch, che in assenza del carico abilità il PID1 e in presenza del carico l altro PID. Figura 30 - Schema implementato in Simulink, considerando l inserimento del blocco PWM con variabile di controllo discreta. L algoritmo PID è stato tarato facendo riferimento come condizioni operative (punti di lavoro) del processo la presenza o assenza di carico. Infatti come mostrato nelle prove sperimentali al variare di quest ultime, i parametri della funzione di trasferimento cambiano valore, perciò si sono riadattati dinamicamente i parametri dell algoritmo PID. Scheduling variabile ausiliaria Kp, Ti, Td y - PID u Processo y Figura 31 - Schema a blocchi del Gain scheduling dei parametri del PID. 44