IL PROGETTO BIOCLOC: ATTIVITÀ E RISULTATI

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1 IL PROGETTO BIOCLOC: ATTIVITÀ E RISULTATI CONFERENZA FINALE Prato, 23 febbraio 2017 Iacopo Ducci DICEA, Università di Firenze Daniele Daddi GIDA Spa

2 2 CAMPI DI APPLICAZIONE DEL TITRIMETRO DIFFERENZIALE Stima in continuo e in tempo reale del rateo di nitrificazione in un impianto di depurazione a fanghi attivi Determinazione del valore ottimale del set-point di ossigeno disciolto, e conseguente controllo del sistema di aerazione delle vasche di ossidazione Rilevazione in tempo reale dei possibili effetti tossici o inibenti da parte di reflui influenti all'impianto

3 3 L ITER DEL PROGETTO Controllo dell aerazione in funzione della concentrazione di DO in vasca Funzionamento del titrimetro differenziale Ottimizzazione dello strumento Controllo dell aerazione in funzione del rateo di nitrificazione in vasca Validazione dei risultati Calcolo del set-point di DO ottimale

4 4 FASI DEL PROGETTO 1. Installazione, avviamento e ottimizzazione del prototipo. 2. Verifica dei risultati ottenuti: Confronto del rateo di nitrificazione fornito dal titrimetro con quello ottenuto dal bilancio di massa dell azoto ammoniacale; Modellazione dell impianto di Calice, per il confronto con il rateo di nitrificazione su scala reale. 3. Costruzione di un algoritmo di calcolo per la determinazione del valore ottimale di DO, in funzione dell output del titrimetro. 4. Collegamento del prototipo al sistema di controllo dell'impianto di Calice, per l ottimizzazione del processo di aerazione.

5 5 INSTALLAZIONE E AVVIAMENTO DEL PROTOTIPO Refluo civileindustriale da fognatura m 3 d -1 Fosse settiche + Permeato 400 m 3 d -1 Percolati 300 m 3 d -1 Installazione del titrimetro

6 6 OTTIMIZZAZIONE DEL PROTOTIPO Problemi Cause Soluzioni 1. Grande variabilità del rateo 2. Mancanza di comportamento gemellare Basse temperature Dosaggi dei reagenti Estensione dell intervallo di calcolo del rateo Necessità di taratura delle pompe dosatrici Necessità di manutenzione delle pompe 3. Arresto delle prove Intasamento delle tubazioni di adduzione e scarico del fango Risistemazione e potenziamento del sistema di adduzione e scarico

7 7 GLI EFFETTI DELL OTTIMIZZAZIONE: PRECISIONE Inibente (ATU)

8 8 GLI EFFETTI DELL OTTIMIZZAZIONE: STABILITA Aumento della durata dell operatività fino a più di 7 giorni consecutivi; Riduzione degli errori nella stima del rateo fino a valori inferiori al 5%; Riduzione della frequenza dei problemi di intasamento.

9 9 VERIFICA DEL RATEO DI NITRIFICAZIONE MEDIANTE BILANCIO DI MASSA DELL AZOTO AMMONIACALE Concentrazione di ammonio in ingresso Reattore INIBITO Concentrazione di ammonio in uscita 20 mg L mg L -1 dn/dt =0 NON INIBITO dn/dt 0 20 mg L mg L -1 ΔN-NH 4 + Nota la portata di fango in ingresso ai due reattori si può determinare il rateo di rimozione dell azoto ammoniacale (differenziale) Rateo da titrimetro CONFRONTO Rateo da bilancio di massa con l utilizzo dei kit per l analisi colorimetrica Differenza inferiore al 5% Efficienza di monitoraggio

10 MODELLISTICA APPLICATA ALL IMPIANTO DI CALICE ATTIVITÀ PRELIMINARI Acquisizione e analisi dei dati Funzionamento impianto e bilanci di massa Valori giornalieri (portate, concentrazioni degli inquinanti, solidi sospesi) relativi agli anni Monitoraggio intensivo Dinamiche processi e calibrazione modello Caratterizzazione del refluo nelle varie sezioni Test respirometrici, titrimetri e test batch per la stima delle cinetiche della biomassa eterotrofa ed autotrofa

11 MODELLISTICA APPLICATA ALL IMPIANTO DI CALICE Schematizzazione dell IDL di Calice Da ingresso Primario a uscita Secondario Linea 1 Linea 2

12 MODELLISTICA APPLICATA ALL IMPIANTO DI CALICE Adozione del modello matematico ASM1_AN Doppio step di nitrificazione NH 4 + NO 2 - NO 3 - Doppio step di denitrificazione NO 3 - NO 2 - N 2 Taratura del modello Dati giornalieri (Ottobre 2013) Validazione del modello Dati mensili (anni ) Dati giornalieri (da Febbraio 2014 a Luglio 2015) Dati orari

13 MLSST [g L-1] N-NH4+ [mg L-1] 13 RISULTATI DELLA MODELLISTICA MLSST_model MLSST_real Il modello di simulazione utilizzato ha dimostrato di poter descrivere in maniera precisa ed affidabile il comportamento del processo di trattamento a fanghi attivi dell'impianto di Calice d Il modello ha offerto la possibilità di validare i risultati del prototipo, confrontando l output del titrimetro con il rateo di nitrificazione su scala d impianto. 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 N-NH4_out_model N-NH4_out_real d

14 Maximum Nitrification Rate (mg N-NH + 4 h -1 ) 14 PROCEDURA INNOVATIVA PER LA CALIBRAZIONE DEI PARAMETRI CINETICI DELLA BIOMASSA NITRIFICANTE Parametri Valori Unità di misura Metodo di Calibrazione Il rateo massimo di nitrificazione, misurato in continuo, permette una calibrazione più precisa dei parametrici b A cinetici della 0.13 biomassa nitrificante d -1 rispetto a quella eseguita con i convenzionali SET A testµ cinetici MAX batch 0.44 d -1 Batch tests SET B K N-NH mg N-NH 3 L -1 b A 0.2 d -1 Maximum Nitrification µ MAX 0.34 d -1 Rate (Titrimeter Output) K N-NH mg N-NH 3 L -1 Experimental WWTP data Experimental Maximum Nitrification Rate Modeled Maximum Nitrification Rate (SET A) Modeled Maximum Nitrification Rate (SET B) Time (d)

15 Maximum Nitrification Rate (mg N-NH + 4 h -1 ) N-NH 4 + [mg L -1 ] 15 PROCEDURA INNOVATIVA PER LA CALIBRAZIONE DEI PARAMETRI CINETICI DELLA BIOMASSA NITRIFICANTE Experimental Maximum Nitrification Rate Modeled Maximum Nitrification Rate (SET A) Modeled Maximum Nitrification Rate (SET B) Calibrazione di K N-NH Time (d) µ max,aob b A Validazione del modello con il SET B Parameters Mean Square Error SET A 0.07 SET B 0.04 Nutrient Removal and Recovery 2016 Denver Colorado, Luglio 2016 Differential titrimeter for nitrification process control and energetic optimization of aeration systems 2 1,6 1,2 0,8 0,4 0 Experimental N-NH4_out Modeled N-NH4_out (SET A) Modeled N-NH4_out (SET B) Time (d)

16 16 IL TITRIMETRO PRESSO L IMPIANTO DI CALICE COME SONDA DEL PROCESSO DI AERAZIONE

17 17 IL TITRIMETRO PRESSO L IMPIANTO DI CALICE PER LA VERIFICA DELL ACCETTABILITÀ DEI REFLUI SOSPETTI Reflui su gomma Titrimetro Verifica dell effetto inibente sulla biomassa nitrificante Fognatura Fosse settiche Impianto di Calice

18 18 IL TITRIMETRO COME SONDA DEL PROCESSO DI AERAZIONE Scopo: Stimare, in funzione dei carichi in ingresso, il valore di Ossigeno Disciolto che GIDA deve mantenere in vasca per soddisfare i limiti allo scarico Rateo OBIETTIVO dn dt OBIETTIVO Volume 1000Lm 3 titrimetro ( Nin N ) Qin 1 Volume impianto 24hd Uguagliando il rateo obiettivo al rateo di vasca si ottiene il valore di DO che si dovrebbe mantenere: dn dt TITRIMETRO DOvasca N Volume 1000Lm, MASSIMO DO K N K 24 vasca o N 3 titrimetro ( Nin N ) Qin 1 Volume impianto hd

19 19 IL TITRIMETRO COME SONDA DEL PROCESSO DI AERAZIONE dn dt TITRIMETRO, MASSIMO DO DO vasca vasca Concentrazione di Concentrazione Incognita di dell equazione: azoto ammoniacale azoto ammoniacale Concentrazione in uscita, di ossigeno imposta in ingresso, disciolto ottimale per il rispetto dei misurata limiti K o N N K N ( N in N ) Q in Output del titrimetro: Rateo massimo di nitrificazione stimato dn dn dt VASCA dt OBIETTIVO Aumento graduale del set-point di DO Costante di semisaturazione Se dell ossigeno e costante di semisaturazione dell ammonio, misurati sperimentalmente dn dt VASCA Portata di refluo in ingresso, misurata dn dt OBIETTIVO Riduzione graduale del set-point di DO

20 DO [mg/l] 20 Fase di «work in progress»... DO sonde DO 1 m DO 3 m DO 5 m 4,00 Giovedì Venerdì Sabato Domenica Lunedì Martedì 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0, Tempo [min] Compressori dell aria al massimo; Forte variabilità dei carichi in ingresso; Forte variabilità dell Ossigeno Disciolto in vasca Ottimizzazione della relazione tra DO in vasca e DO fornito dal titrimetro

21 21 IL TITRIMETRO COME SONDA DI PROCESSO: È stata messa a punto: la comunicazione tra l'output del titrimetro e il sistema di telecontrollo del gestore l ottimizzazione della variazione del set-point di DO, rispetto al passo di concentrazione tra un setpoint e il successivo e alla frequenza con cui variare il setpoint.

22 Ossigeno Disciolto (mg /L) 22 Con il nuovo controllo... DO in vasca 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 Mercoledì Giovedì Venerdì Sabato Domenica DO Set point senza titrimetro DO Set point con titrimetro 1,00 0,50 0, Tempo (Ore) Carichi alti Incapacità di mantenere il valore di set-point; compressori al max Carichi medi Modulazione della portata d aria e mantenimento del set-point Carichi bassi Incapacità di mantenere il valore di set-point; compressori al min

23 23 TEST PER LA VALUTAZIONE DELL INIBIZIONE: Ulteriore utilizzo dello strumento: possibilità di rilevare in tempo reale gli effetti di composti tossici o inibenti eventualmente influenti all'impianto. Enorme vantaggio per un impianto come quello di Calice che, oltre a scarichi domestici, tratta effluenti industriali e rifiuti liquidi. È stata indagata con il prototipo la possibile presenza di un effetto inibente del processo di nitrificazione da parte di alcuni percolati comunemente trattati dall impianto. Test su percolati sospetti Test sul permeato della sezione MBR

24 24 TEST PER LA VALUTAZIONE DELL INIBIZIONE: Inibizione = 27 % Fase 2: Inibizione in un reattore Fase 3: Dosaggio di percolato Fase 1: Parallelismo

25 NaOH [ml] Na(OH) [ml] 25 TEST PER LA VALUTAZIONE DELL INIBIZIONE: y = 0,5024x - 0,8338 R² = 0,9989 ATU Percolato y = 0,4119x + 37,204 R² = 0,9984 y = 0,2575x + 21,848 R² = 0, ATU Inibizione = 38% Tempo di risposta immediato (1 ora) per la rilevazione di fenomeni di inibizione Time [min] Ciò consente agli operatori di adottare Permeato tempestivamente MBR delle contromisure Inibizione = Assente y = 0,2853x - 13,162 R² = 0, y = 0,2565x + 4,3193 R² = 0,9954 y = 0,0337x + 28,368 R² = 0, Tempo [min]

26 26 Per concludere... I risultati della sperimentazione hanno dimostrato che il titrimetro differenziale è uno strumento adatto a misurare in continuo e in tempo reale il rateo di nitrificazione in un grande impianto di depurazione che tratta sia le acque reflue provenienti dalla fognatura (domestiche e industriali) che i rifiuti liquidi conferiti su gomma. L utilizzo della modellistica ha confermato la bontà dei risultati ottenuti con il prototipo. Il rateo massimo di nitrificazione, misurato in continuo, ha permesso di calibrare con maggior precisione i parametrici cinetici della biomassa nitrificante rispetto all utilizzo dei convenzionali test sperimentali in batch. Un ulteriore applicazione dello strumento è legata alla possibilità di rilevare in tempo reale gli effetti di composti tossici o inibenti eventualmente influenti all'impianto

27 27 MONITORAGGIO ENERGETICO DELL IMPIANTO DI CALICE

28 28 OTTIMIZZAZIONE DELLA GESTIONE DEL SISTEMA DI AERAZIONE Attività svolte nell ambito del progetto BIOCLOC: Installazione, avviamento e ottimizzazione del prototipo; Validazione dei risultati ottenuti tramite bilanci di massa dell azoto ammoniacale e modellazione dell impianto di Calice; Definizione ed implementazione di un nuovo sistema di controllo del processo di aerazione. I risultati ottenuti hanno permesso di giungere alla seguente gestione operativa: SITUAZIONE INIZIALE: Set-point di DO mg/l SITUAZIONE ATTUALE: Set-point di DO mg/l RIDUZIONE DEI CONSUMI ENERGETICI RELATIVI AL COMPARTO DI AERAZIONE Riduzione stimata superiore al 15%

29 29 Monitoraggio energetico La depurazione come tutte le attività ha i propri COSTI FISSI e COSTI VARIABILI, ha le proprie materie prime e il proprio ciclo produttivo. I costi fissi sono per definizione indipendenti dalla caratteristiche quali-quantitative della materia prima e sono rappresentati, ad esempio, dai costi di personale. I costi variabili sono invece dipendenti sia dal ciclo produttivo che dalla materia prima e, nell attività depurativa l elemento variabile più rilevante è senza dubbio rappresentato dall energia elettrica, necessaria per lo svolgimento di tutti i trattamenti, a partire dai sollevamenti iniziali, per finire ai trattamenti di affinamento. Gli impianti di depurazione di GIDA vengono costantemente monitorati, dal punto di vista energetico e, per prassi aziendale si procede ad una reportistica con cadenza mensile. In particolare, a seconda delle caratteristiche singolari dei trattamenti effettuati in ciascun impianto, vengono monitorate sezioni specifiche.

30 30 Monitoraggio energetico Per quanto riguarda l impianto di Calice, le aree oggetto di controllo sono: Linea Esistente (o «linea vecchia»): sollevamenti iniziali, dissabbiatura, sedimentazione primaria, equalizzazione. Disidratazione fanghi: ispessimento e centrifuga Linea nuova: sollevamento intermedio, denitrificazione, ossidazione biologica, sedimentazione secondaria, chiariflocculazione. Impianto di affinamento: trattamento di ozonizzazione. Fangodotto. Impianto Trattamento REF: linea trattamento fosse settiche e linea trattamento percolati. Per alcuni di questi settori è possibile avere informazioni sui consumi delle singole sezioni, mentre altre aree vengono monitorate nella loro interezza, senza quindi avere specifiche rilevazioni.

31 31 Monitoraggio energetico Nel mese di Maggio 2014, nell ottica di consentire un monitoraggio specifico, sono stati installati misuratori di energia elettrica in grado di monitorare tutte le macchine presenti nel comparto biologico, ossia: I 3 compressori per l aerazione delle vasche di ossidazione (HV Turbo); Le 12 pompe di ricircolo della miscela aerata presenti nelle vasche di ossidazione (AR); Le 5 coclee di ricircolo (nr.2 di ricircolo fanghi dalla sedimentazione secondaria e nr.3 di ricircolo della miscela areata). Per ogni utenza è stato previsto un multimetro PowerLogic PM3200 (Schneider). L unità di controllo registra il voltaggio (V), l amperaggio (A), la potenza (kw) e l energia consumata (KWh). Il PLC master (Schneider M340) è interrogato da un pannello operatore 5.7 touch screen (Schneider HMIGTO) che storicizza le variabili relative ai consumi di ogni singola utenza Quadro elettrico di Controllo Multimetro PowerLogic PM3200 (Schneider).

32 Touch screen - SETUP DATI 32 Monitoraggio energetico Il sistema di misurazione E.E. Frequenza di registrazione Impostata a 300 sec Elenco sistemi monitorati Numero massimo Registrazioni

33 Touch screen - MISURE REAL TIME 33 Monitoraggio energetico Il sistema di misurazione E.E.

34 34 Monitoraggio energetico Report di Monitoraggio Maggio 2015 Portata liquame trattato m E.E. - Linea Nuova kwh E.E. - Impianto Affinamento kwh E.E. - Linea Vecchia 24,2% Maggio Distribuzione energetica Trattamento Completo E.E.- Fangodotto 0,2% E.E.- ITL 9,5% E.E. - Linea Nuova 41,5% E.E. - Linea Vecchia kwh E.E.- Fangodotto kwh E.E.- ITL kwh Energia Elettrica Totale kwh E.E.- Impianto Affinamento 24,6% Maggio Distribuzione energetica Linea nuova E. E. - Residua LN 20,3% Maggio Distribuzione energetica Comparto biologico E. E. - Coclee ric. 5,6% E. E. - AR; kwh E. E. - HV Turbo; kwh E. E. - Biologico 74,1%

35 35 Monitoraggio energetico Report di Monitoraggio Ottobre 2015 Portata liquame trattato m E.E. - Linea Nuova kwh E.E. - Impianto Affinamento kwh E.E. - Linea Vecchia kwh E.E. - Linea Vecchia 23,1% Ottobre Distribuzione energetica Trattamento Completo E.E.- Fangodotto 0,1% E.E.- ITL 13,2% E.E. - Linea Nuova 36,3% E.E.- Fangodotto kwh 558 E.E.- ITL kwh Energia Elettrica Totale kwh E.E.- Impianto Affinamento 27,4% Ottobre Distribuzione energetica Linea nuova E. E. - Coclee ric. 5,9% E. E. - Residua LN 17,8% Ottobre Distribuzione energetica Comparto biologico E. E. - AR; kwh E. E. - HV Turbo; kwh E. E. - Biologico 76,3%

36 36 Monitoraggio energetico Maggio 2016 Portata liquame trattato m E.E. - Linea Nuova kwh E.E. - Impianto Affinamento kwh E.E. - Linea Vecchia kwh E.E.- Fangodotto kwh E.E.- ITL kwh Energia Elettrica Totale kwh E.E. - Linea Vecchia 27,3% Report di Monitoraggio Maggio Distribuzione energetica Trattamento Completo E.E.- Fangodotto 0,2% E.E.- ITL 12,2% E.E.- Impianto Affinamento 21,7% E.E. - Linea Nuova 38,6% Maggio Distribuzione energetica Linea nuova E. E. - Residua LN 17,8% Maggio Distribuzione energetica Comparto biologico E. E. - Coclee ric. 5,4% E. E. - AR; kwh E. E. - HV Turbo; kwh E. E. - Biologico 76,8%

37 37 APPLICAZIONE DEL TITRIMETRO PER IL CONTROLLO DELL AERAZIONE A partire da giugno 2016 è stata messa a punto la comunicazione tra l'output del titrimetro (Set-point di DO ottimale) e il sistema di telecontrollo del gestore. La prima fase di applicazione del nuovo sistema di controllo è stata chiaramente un «work in progress». Al fine di ottimizzare il funzionamento del sistema di gestione del processo di aerazione sono stati indagati diversi scenari operativi ed ambientali: Variabilità dei carichi, tempo asciutto e tempo di pioggia, temperature esterne e dei liquami, diversi limiti allo scarico, diversa gestione delle soffianti, etc. Dopo una prima fase di "assestamento", con la messa a regime dello strumento (dicembre 2016 gennaio 2017) è stata valutata la riduzione dei consumi energetici relativi al comparto di aerazione.

38 38 Monitoraggio energetico Report di Monitoraggio Gennaio 2017 Portata liquame trattato m E.E. - Linea Nuova kwh E.E. - Impianto Affinamento kwh E.E. - Linea Vecchia kwh E.E.- Fangodotto kwh E.E.- ITL kwh Energia Elettrica Totale kwh E.E. - Linea Vecchia 27,3% Gennaio Distribuzione energetica Trattamento Completo E.E.- Fangodotto 0,2% E.E.- ITL 12,2% E.E.- Impianto Affinamento 21,7% E.E. - Linea Nuova 38,6% Gennaio Distribuzione energetica Linea nuova E. E. - Residua LN 19,1% Gennaio Distribuzione energetica Comparto biologico E. E. - Coclee ric. 7,4% E. E. - AR; kwh E. E. - HV Turbo; kwh E. E. - Biologico 73,6%

39 kwh/m3 messa a regime 39 Monitoraggio energetico 0,16 RIDUZIONE DEI CONSUMI ENERGETICI RELATIVI AL COMPARTO DI AERAZIONE (compressori HV Turbo) 0,14 27% 0,12 0,10 0,08 0,06 15% Maggio 2015 Ottobre 2015 Maggio 2016 Gennaio ,04 0,02 0,00 Maggio 2015 Ottobre 2015 Maggio 2016 Gennaio 2017

40 40 MESSAGGI DEL GESTORE La strategia di controllo basata sulla misurazione in continuo del rateo massimo di ossidazione dell'ammonio supera lo svantaggio di un ritardo nell'ottenimento di informazioni sulla nitrificazione dovute all'uso di respirometri / titolatori off-line e al controllo del processo attraverso misure dirette (sensori di ammoniaca e sensori di nitrati) o indirette (ph, redox). L'applicazione della tecnica testata permette di garantire la rimozione dell'azoto desiderata, e allo stesso tempo di minimizzare il consumo di energia attraverso il controllo della concentrazione di DO. Il titrimetro differenziale permette di rilevare immediatamente fenomeni di inibizione, consentendo agli operatori di adottare tempestivamente delle contromisure, e dunque ottimizzare la gestione operativa dell impianto.

41 GRAZIE PER L ATTENZIONE 41

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