Esperienze di telecontrollo e risparmio energetico su impianti di depurazione biologica per reflui civili

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1 Esperienze di telecontrollo e risparmio energetico su impianti di depurazione biologica per reflui civili "Il sistema di monitoraggio realizzato attorno a Compact FieldPoint consente l acquisizione di tutti i parametri di processo disponibili" - S. Marsili-Libelli, UNIVERSITÀ DI FIRENZE La sfida: L'automazione di impianti di trattamento delle acque reflue assicurando gli standard di scarico ed i contenimenti energetici richiesti La soluzione: Realizzare un sistema di telecontrollo su un impianto convenzionale portato significativi benefici in termini di risparmio energetico Autore (i): S. Marsili-Libelli - UNIVERSITÀ DI FIRENZE Un esperienza di risparmio energetico connesso ad alcuni problemi tipici del controllo dei processi di depurazione è riassunto nell esperienza maturata in collaborazione con Acque SpA relativamente all impianto di depurazione reflui misti di Pagnana (Empoli). Si tratta di un impianto di depurazione biologica a fanghi attivi con una potenzialità di AE. I liquami trattati sono essenzialmente di due tipologie: reflui di origine mista (civile e meteorologica) ed extraflussi (spurghi da fosse settiche, in quantità minore anche percolati di discarica, fanghi industriali, liquami alimentari e soluzioni di lavaggio delle cantine). Sistema di acquisizione e monitoraggio Sull impianto di Pagnana è attualmente operante il sistema Compact FieldPoint, uno dei PAC (Programmable Automation Controller) - di National Instruments, che acquisisce le misure provenienti dal campo e precisamente: - concentrazione di ossigeno disciolto in mezzo e in uscita dalle tre vasche aerobiche; - concentrazione di nitrati in uscita sia dalla vasca anossica che da quella aerobica; - concentrazione di ammonio in uscita dalla vasca aerobica; - misura dei solidi sospesi in ossidazione e nella linea di ricircolo; - potenza assorbita dagli inverter delle sei turbine di aerazione; - portate di ingresso e uscita del refluo; - portate di ricircolo della miscela aerata e di ricircolo dei fanghi; - misure chimico-fisiche: ph, potenziale RedOx e temperatura. Il sistema di monitoraggio dell impianto è mostrato in Figura 1. Il sistema di monitoraggio realizzato attorno a Compact FieldPoint consente l acquisizione di tutti i parametri di processo disponibili; la frequenza di campionamento dal campo è di 1 secondo, mentre l archiviazione, che avviene dopo il filtraggio, ha la cadenza di 1 minuto. Tutti i dati raccolti nell arco delle 24 ore vengono salvati su un foglio di calcolo Excel denominato con la data corrente, che viene chiuso ogni giorno alle ore 24 e contestualmente ne viene aperto un altro con la data del giorno successivo. Il PAC opera in tempo reale e può funzionare in modo autonomo, dopo che sia stato scaricato a bordo il software di controllo, sviluppato tramite NI LabVIEW Real Time. Il sistema è visibile via internet in quanto inserito nella rete intranet aziendale di Acque, mostrata in Figura 2 e capace di pubblicare la vista del pannello di controllo come pagina web, a cui si può accedere attraverso una connessione VPN alla rete aziendale. Questa caratteristica, che sfrutta le capacità di servizi web integrati in LabVIEW, è di estrema importanza anche sotto l aspetto della sicurezza e affidabilità di gestione, perché permette ai gestori la continua e immediata sorveglianza dell impianto. Controllo dell Ossigeno Disciolto Il più semplice obiettivo di controllo è quello di mantenere costante il livello di ossigeno disciolto nelle vasche di ossidazione. Se infatti si fornisce al sistema una portata d aria costante, corrispondente ad una potenza impiegata costante, il livello di ossigeno varierà inversamente al carico organico in ingresso, facendo così variare il livello di ossigeno disciolto in modo inverso alla variazione del carico. Si realizzerebbero perciò delle condizioni operative opposte a quelle desiderate, facendo diminuire il livello di ossigeno disciolto proprio quando invece sarebbe necessario aumentarlo e viceversa. In tal modo nei periodi di basso carico si ha uno spreco di energia, mentre durante i picchi di carico l aria somministrata è insufficiente a scapito del rendimento di depurazione. Se si assoggetta l erogazione dell aria ad un sistema di controllo che ha il compito di mantenere costante il livello di ossigeno disciolto, si avrà un ossigenazione ottimale per ogni condizione di carico, con ovvii miglioramenti sia di rendimento che di risparmio energetico. Il tipico sistema di controllo del livello di ossigeno disciolto è mostrato in Figura 3. Essendo l impianto costituito da tre vasche di ossidazione in parallelo, questo schema è stato replicato sei volte, ottenendo sei anelli di regolazione indipendenti. Controllo coordinato per la rimozione dell azoto Recentemente si è avuto un mutamento delle priorità di gestione che si riflette sulle richieste di progetto e conduzione di impianto. Ad esempio, nel passato la capacità di areazione era dimensionata sul carico carbonioso, mentre attualmente esso è dimensionato principalmente sul fabbisogno per la nitrificazione. Attualmente si considera che solo una parte del carbonio organico biodegradabile (CBOD) venga rimossa per via aerobica, mentre la rimanente (spesso oltre il 50%) venga utilizzata come fonte di carbonio nella fase anossica di denitrificazione. Questo porta ad un collegamento fra la fase aerobica (abbattimento del CBOD e nitrificazione) e fase anossica. Ciò dà origine ad un complesso problema di controllo costituito dal coordinamento del set-point di Ossigeno Disciolto (DO) in ossidazione e di nitrato in denitrificazione, come schematizzato nella Figura 6. In un normale schema di processo con vasca di pre-denitro, questo problema di automazione può essere risolto mediante un controllo gerarchico a due livelli, che realizza un coordinamento fra i regolatori dell areazione (DO set-point) e la nitrificazione attraverso un controllore di alto livello che ottimizza l azione dei regolatori di ossigeno disciolto in funzione di un obiettivo di costo e prestazione e della normativa sull effluente, come indicato in Figura 7. In questo schema, gli obiettivi del controllo sono la minimizzazione dei consumi energetici e la riduzione della concentrazione di azoto totale nell effluente. Essi sono ottenuti erogando solo l aria strettamente necessaria basandosi su misure di ammonio in uscita dall ossidazione, mentre i livelli di ossigeno disciolto vengono stabiliti da un controllore basato sulla logica fuzzy, in funzione del carico di ammonio Rispetto ad un semplice controllo PID con set-point costante dell ossigeno disciolto, questo schema di controllo, con i due set-point variabili in modo coordinato, produce: un ulteriore risparmio energetico, con una riduzione di 215 Kwh/d, con un risparmio del 15% rispetto alla situazione a 1150 giri costanti e con ulteriore risparmio del 3.76% rispetto al caso con DOsp1 = 0.7 mg/l e DOsp2 = 0.9 mg/l; un tenore di DO nel secondo settore della vasca di ossidazione che riflette il carico di ammonio in ingresso e si mantiene praticamente sempre inferiore a 0.75 mg/l; la qualità dell effluente risulta leggermente peggiore solo per quanto riguarda la percentuale del tempo di violazione dei nitriti, che comunque è sempre molto bassa; d altra parte la minor concentrazione di DO, favorisce leggermente il processo di denitrificazione anche nel settore aerobico, con conseguente diminuzione dei nitrati e quindi dell azoto totale in uscita dall impianto. Leggi il Case Study 1/6

2 Conclusioni Grazie alle possibilità di upgrade degli impianti utilizzando la tecnologia disponibile in termini di sensori, reti di comunicazione, sistemi di automazione, l intervento sul depuratore biologico per reflui civili in oggetto ha raggiunto un buon risparmio energetico a seguito dell applicazione del telecontrollo al nucleo centrale dell impianto (pre-denitro e ossidazione). Informazioni sull'autore: S. Marsili-Libelli UNIVERSITÀ DI FIRENZE Figura 1: Sistema di controllo dell impianto di Pagnana 2/6

3 Figura 2: Architettura dell Intranet Aziendale di Acque SpA, realizzata da Acque Ingegneria srl Figura 3: Tipico sistema di controllo per la regolazione dell ossigeno disciolto in una vasca di ossidazione 3/6

4 Figura 4: Risparmio energetico ottenuto su una vasca di ossidazione mediante lo schema di regolazione automatica dell ossigeno disciolto 4/6

5 Figura 5: Pannello frontale del sistema di controllo del depuratore di Pagnana 5/6

6 Figura 6:Coordinamento fra i processi di abbattimento del carbonio, nitrificazione e della denitrificazione Figura 7: Controllo gerarchico a due livello in cui il controllo dell ossigeno disciolto è asservito ad un regolatore di livello superiore comandato dal segnale di ammonio Informazioni Legali Questo case study (questo "case study") è stato fornito da un cliente di National Instruments ("NI"). QUESTO CASE STUDY È FORNITO SENZA NESSUN TIPO DI GARANZIA ED È SOGGETTO AD ALCUNE LIMITAZIONI PIÙ SPECIFICATAMENTE DESCRITTE NEI TERMINI D USO DI NI.COM 6/6

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