Ottimizzazione dei sistemi di aerazione

Ottimizzazione dei sistemi di aerazione Ing. Marco Leoncavallo ITT 1

Dove occorre l aerazione? Stabilizzazione aerobica Fanghi aerazione Dissabbiatura Disoleatura Trattamento secondario ossinitrificazione Bacino di Ritenzione Canale di aerazione 2

Importanza dell aerazione nei consumi elettrici Aerazione 40-60 % Pompaggi Illuminazione Miscelazione HVAC Impianto 50000 A.E. ~ 250 kw in aerazione meccanica > efficienza in aerazione del 30 % 650000 kwh risparmio ~ 80.000 /Y e ~ 450 T CO2 in meno. 3

Come si valuta l efficienza. Parametro per giudicare l efficienza di un sistema di aerazione: kgo 2 / kwh I kwh sono quelli assorbiti ai morsetti dal sistema di aerazione. I kgo 2 forniti dal sistema possono essere riferiti a: - Condizioni reali (A.O.R.) - Condizioni standard (S.O.R.) S.A.E. 4

Efficienza di diversi sistemi di aerazione in kgo 2 /kwh riferita sia a condizioni Standard che Reali Diffusori a disco / piastra bolle fini Diffusori tubolari η Aeratori meccanici 2.4 3.6 kgo 2 /kwh 1.3 1.8 kgo 2 /kwh 3.4 5 kgo 2 /kwh 1.7 2.6 kgo 2 /kwh 0.8 2.2 kgo 2 /kwh (S.A.E.) 0.6 1.5 kgo 2 /kwh 5

Per risparmiare energia elettrica: 6

Orientandomi su questi sistemi, come li ottimizzo? Cercando di incrementare: S.A.E. = kgo 2 (S.O.R.) / kwh Standard Aeration Efficiency S.O.R. = Standard Oxygen Requirement Ossigeno fornito in acqua pulita (α=1,00; β=1,00), a livello mare; T=20 o 10 C; O.D.= 0 mg/l. I COSTRUTTORI DI AERATORI GARANTISCONO QUESTO VALORE RIFERITO A UNA METODOLOGIA DI TEST STD kwh consumati, dipendono dalla quantità di aria e dalla pressione necessaria + dall efficienza delle soffianti. 7

Cosa influenza il S.A.E.? Diversi fattori concorrono al risultato di ottenere e di mantenere un elevato S.A.E.: Standard di riferimento per S.O.R. S.O.T.E. % (legame tra Q aria e S.O.R.) D.W.P. Altre perdite di carico nel sistema (tubazioni, valvole). Mantenimento nel tempo delle caratteristiche elastiche delle membrane (della D.W.P. e del S.O.T.E. %). Tipo di soffianti e la loro efficienza nel campo di impiego. 8

S.O.R. =! Std Test diversi S.O.R. diversi Standard ASTM-ASCE 2-91, riferito ad acqua pulita a 20 C, posizionamento sonde a livelli prefissati, prova fino al raggiungimento della max solubilità. Standard Europeo (derivante da ATV 209M) riferito ad acqua pulita a 10 C, posizionamento a livelli più vantaggiosi delle sonde, prova fino a una certa % della max solubilità stimata (più rapido, meno preciso) ed ammette tolleranze sui risultati,. =? Esiste una differenza nei risultati e nei risultati considerati accettabili tra i due standard, tra il 2 % e il 15 %. Le garanzie secondo ASCE sono mediamente del 5-10 % più cautelative, ovvero avremo un SOR maggiore e quindi anche un AOR fornito superiore. 9

Definizione: Standard Oxygen Transfer Efficiency S.O.T.E. % = Contenuto di ossigeno trasferito Contenuto di ossigeno in aria S.O.R. in kg/h Nm3/h @ 0 C Sm3/h @ 20 C S.O.T.E. % = S.O.T.E. % = S.O.R. x 100 Nm3/h x 0.299 S.O.R. x 100 Sm3/h x 0.278 10

SOTE % si incrementa con... Sommergenza, > T ritenzione bolle (comporta > dp); Bolle piccole, ottenibili mediante: - >AD e <Qd (comporta anche < DWP) - fori più piccoli (comporta > DWP); - membrane meno elastiche (comporta > DWP). Alta densità di diffusori in vasca (< AT/AD); Distribuzione omogenea di AD in vasca (diffusori spaziati omogeneamente, con superficie unitaria piccola); Flusso orizzontale omogeneo (vasche a canale + mixer) Membrane di ultima generazione: Sanitaire Silver 2 11

Sommergenza e SOTE % One Particular Grid Arrangement & Air Flow 70 SOTE (%) // Top of Drop Leg Pressure (kpag) 60 50 40 30 20 10 0 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 Water Depth (m) SOTE Top of Drop Leg Pressure 12

L ossigeno trasferito è proporzionale all area specifica di contatto... Una bolla Bolle grosse Bolle fini φ = 10 mm 600 m 2 /m 3 φ = 1 mm 6000 m 2 /m 3 1 bolla/m 3 ~ 1,9 milioni bolle/m 3 ~ 1,9 miliardi bolle/m 3 13

SOTE % e portata specifica per diffusore 14

Maggiore densità di diffusori incrementa il SOTE % singola particella V s = 0.24 m/s Vasche a Canale ideali V > v s 15

Densità di diffusori sul pavimento vasca Effetto della copertura a tutto fondo controbilancia l effetto di accelerazione delle bolle Riduce la V di risalita Migliora il S.O.T.E. 16

Densità dei diffusori e S.O.T.E. Effect of Diffuser Density on SOTE 36 34 SOTE% 32 30 28 26 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% Diffuser Density (%) 17

Distribuzione e dimensioni dei diffusori A parità di AT/AD, sommergenza, tipo di diffusori e portata specifica si possono avere delle differenze di S.O.T.E. % se i diffusori sono distribuiti poco omogeneamente sul fondo vasca: in particolare per distanze > 1,2 m tra le linee portadiffusori. I diffusori con diametri maggiori o le piastre a grande sezione possono comportare una distribuzione meno omogenea (meno diffusori più distanti) 18

Diametro dei diffusori: 7 9 12 15? Diametri di disco inferiori con pari Superficie (AD) significa: Migliore distribuzione dell aria in vasca e mediamente maggiore contrasto ai moti acceleratori a spirale (> resa); Minore innalzamento centrale della membrana ed effetti di coalescenza leggermente ridotti (> resa); Limitare gli effetti della perdita di elasticità nel tempo e di funzionamento poco uniforme alle basse portate (flusso pulsante sulla membrana): diametro inferiore minori dilatazioni o restringimenti in termini assoluti (> durata e resa nel tempo); Costi leggermente superiori (montaggio). 9 : il compromesso ottimale! 19

Membrane Sanitaire di ultima generazione Le nuove membrane Sanitaire in EPDM Silver 2 sono ancora più efficienti delle precedenti grazie ad uno spessore non omogeneo sul diametro e a una ottimizzazione della distribuzione dei fori sulla membrana > S.O.T.E. + - + 20

D.W.P. e pressione di esercizio dp Il sistema di aerazione lavora insufflando aria ad una pressione determinata da: - Sommergenza membrane (FISSA) - Perdite nelle tubazioni / nella rete / nelle valvole di regolazione - Dynamic Wet Pressure di attraversamento della membrana [KPa] o [mh 2 O] 21

Pressione di lavoro totale e DWP P.d.C. m H2O Totale (esclusa sommergenza) Perdite sist. DWP Q Nm3/h 22

Efficienza e D.W.P. La D.W.P. può essere alta a causa di fori di minori dimensioni (bolle più piccole e maggiore S.O.T.E.%) e/o per membrana con minore o nessuna elasticità o con maggiore spessore. Diffusori con S.O.T.E. % migliore (con che standard?) ma con D.W.P. elevate spesso non sono vantaggiosi in termini di S.A.E. Particolarmente importante è l andamento della D.W.P. nel tempo, dopo invecchiamento e fouling sul diffusore. 23

D.W.P. nel tempo Ogni diffusore è soggetto a aumento della D.W.P. nel tempo per: Perdita di elasticità (allungamento o restringimento permanente) Fouling interno (filtrazione aria classe G4 o superiore) Fouling esterno (biologico, chimico) sono più soggetti i diffusori con membrane rigide o semi-rigide (dischi porosi, piastre) che già da nuovi hanno D.W.P. maggiori. Le membrane Sanitaire Silver hanno una mescola di EPDM molto stabile fisicamente e chimicamente, la vita media è raddoppiata rispetto alle precedenti, gli effetti di perdita di elasticità dimezzati. Le membrane elastiche tendono ad pulirsi variando le condizioni di alimentazione (Qd), le membrane rigide hanno bisogno di procedure particolari e di lavaggi frequenti. 24

Sostituzione membrane per la massima efficienza Specialmente sui vecchi impianti, la sostituzione delle membrane, in particolare con le membrane in EPDM Silver 2, è molto vantaggiosa: - Membrane con un SOTE % migliore (+ 5 10 % nuove vs. nuove); - Membrane nuove, portando al valore iniziale la DWP. Risparmio annuo stimato sostituendo membrane usate da 5 anni con nuove membrane ad alta efficienza Sanitaire "Silver Series II". 1.000.000,00 Il tempo di ritorno dell investimento è spesso inferiore a 1 anno! Risparmio annuo stimato 100.000,00 10.000,00 1.000,00 0,16 per kwh 0,14 per kwh 0,12 per kwh 0,10 per kwh 0,08 per kwh 100,00 100 1000 10000 Numero dei diffusori installati 25

Altre perdite di carico Dimensionare generosamente le tubazioni di adduzione. Dimensionare generosamente le tubazioni delle reti (Sanitaire utilizza 110 mm come minimo). Cercare di limitare le regolazioni attive (valvole modulanti). Sfruttare distribuzioni disomogenee dei diffusori nelle vasche a pistone (soluzioni tapered o a regolazione passiva). 26

Soffianti e S.A.E. Aumentando il S.O.T.E., riducendo D.W.P. e perdite di sistema Abbiamo ottimizzato il consumo d aria, ovvero: la Q aria richiesta La pressione richiesta alla fonte di produzione Come ridurre ancora i kwh per produrre l aria necessaria? Scegliendo soffianti adatte ed efficienti nel campo d impiego. Integrando le due parti in un unico sistema (M&C). 27

Accordo commerciale Atlas Copco - ITT Da inizio 2009 è attivo un accordo globale tra ITT e Atlas Copco, con lo scopo di promuovere soluzioni efficienti al mercato del trattamento delle acque di scarico. ITT ha la responsabilità di vendita delle soffianti a bassa pressione di AC nel mercato municipale, inclusi gli installatori e le società operanti in tale mercato. AC supporta ITT ove necessario, ad es. tecnicamente, service ecc. AC dispone di diversi tipi di soffianti adatti ed efficienti nelle diverse condizioni di impiego. 28

ZL = soffianti a Lobi (aspi rotanti) Tecnologia semplice Conosciute/richieste nel ns. mercato Bassa efficienza, accettabili solo per basse pressioni e portate Fornite in una cabina fonoassorbente pronta per il funzionamento 20 taglie con diversi motori/modelli Portate da 100 a 10.000 m 3 /h Pressione fino a 1 bar 29

ZS+ = Soffiante Positive Displacement Tecnologia nota e collaudata, specie su pressioni maggiori Alta efficienza, specie al salire delle pressioni (> 400 mbar) Poco rumorose e < riscaldamento dell aria Può essere fornita con inverter integrato 4 taglie (37-55-75-160 kw) da 300 a 4.600 m 3 /h Pressione fino a 1.2 bar 30

ZB = Turbosoffiante ad alta velocità variabile Tecnologia innovativa e rivoluzionaria Cuscinetti magnetici, Accoppiamento diretto & alta velocità Altissima efficienza Bassi costi di manutenzione: LCC Sempre con inverter (VSD) integrato Poco rumorose, < riscaldamento aria Ingombro ridotto Fornitura completa di accessori Portate 2.500 5.500 m 3 /h, fino a 1,6 bar 31

HA = Soffiante centrifuga a velocità fissa Con riduttore e un singolo stadio di compressione Fornita completa su skid, con sistema di lubrificazione e controllo Portate 8.200 85.000 m 3 /h Modulazione di portata dal 100% al 45% (70% per il modello più piccolo). Pressioni fino a 2 bar 32

Range soffianti disponibili 2 1,8 1,6 ZB 1,4 Pressione bar(g) 1,2 1 0,8 ZS+ HA 0,6 0,4 0,2 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 85000 Aria fornita FAD m3/h ZL 33

Esempi: Parma W 9972 diffusori Sanitaire (2005) Sostituzione 40 aeratori meccanici radiali (1100 kwh) su 4 vasche di nitrificaz. con diffusori operanti con basse portate specifiche e distribuzione tapered. 34

Parma W 9972 diffusori 9 Sanitaire Silver 2 Dopo l intervento il consumo totale dell impianto è sceso da 10,5 Milioni a 6,5 Milioni KWh/Y, eliminando i periodi con scarso O.D. prima presenti. 35

LarianaDepur - Bulgaro Grasso 4816 d. (1992) Impianto tessile + civile. Regolare monitoraggio di: -D.W.P. -dp - consumi elettrici. Calcoli di convenienza economica per la sostituzione membrane: inizialmente ogni 4 anni, con le Silver mediamente 6 anni. 36

marco.leoncavallo@itt.com 37