Ottimizzazione dei sistemi di aerazione

Ottimizzazione dei sistemi di aerazione Marco Leoncavallo ITT 1

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

Importanza dell aerazione Fondamentale per garantire il processo depurativo, la vasca di aerazione e la successiva sedimentazione finale sono il cuore dell impianto. Uno dei fattori chiave per evitare problemi sulla sedimentabilità dei fanghi (bulking filamentoso o da rigonfiamento). Solitamente garantisce da sola anche la miscelazione e l assenza di depositi in vasca. Energetica: da sola consuma la maggior parte dell energia elettrica dell impianto di depurazione. 3

Importanza dell aerazione nei consumi elettrici Aerazione 40-60 % Pompaggi Illuminazione Miscelazione HVAC Impianto 50000 A.E. ~ 250 kw in aerazione meccanica in un anno: > efficienza in aerazione del 30 % - 650000 kwh risparmio > 80.000 e ~ 450 T CO2 in meno. 4

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. 5

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 Aeratori meccanici 2.3 3.6 kgo 2 /kwh 1.1 2.0 kgo 2 /kwh 3.4 5.2 kgo 2 /kwh 1.4 3.0 kgo 2 /kwh 0.7 2.2 kgo 2 /kwh (S.A.E.) 0.5 1.5 kgo 2 /kwh 6

Per risparmiare energia elettrica: 7

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 ( =1,00; =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 da Q / dp aria + dall efficienza delle soffianti. 8

S.O.R. = Std Test diversi S.O.R.? 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, di qualche punto % o più. Le garanzie secondo ASCE sono mediamente più cautelative, ovvero avremo un SOR maggiore e quindi anche un AOR fornito superiore. 9

Cosa influenza la S.A.E.? Diversi fattori concorrono al risultato di ottenere e di mantenere un elevato S.A.E.: 1. S.O.T.E. % (legame tra Q aria e S.O.R.) 2. D.W.P. 3. Mantenimento nel tempo delle caratteristiche elastiche delle membrane (della D.W.P. e del S.O.T.E. %). 4. Altre perdite di carico nel sistema (tubazioni, valvole). 5. Tipo di soffianti e loro efficienza nel campo di impiego. 10

Cosa influenza il S.A.E.? 1. S.O.T.E. % 2. D.W.P. 3. Mantenimento nel tempo delle caratteristiche elastiche delle membrane (della D.W.P. e del S.O.T.E. %). 4. Altre perdite di carico nel sistema (tubazioni, valvole). 5. Tipo di soffianti e loro efficienza nel campo di impiego. 11

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 12

SOTE % si incrementa con... la Sommergenza e Tr One Particular Grid Arrangement & Air Flow 70 SOTE (%) // Top of Drop Leg Pressure (kpag) 60 50 40 30 20 10 dp SOTE 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 13

SOTE % si incrementa con... Bolle più piccole Bolle piccole, ottenibili mediante: Bolle grosse Bolle fini - > AD quindi < Qd (comporta anche < DWP) 1 cm 600 m 2 /m 3 1 mm 6000 m 2 /m 3 - fori più piccoli (comporta > DWP) - membrane meno elastiche (comporta > DWP) ~ 1,9 milioni bolle/m 3 ~ 1,9 miliardi bolle/m 3 Oltre un certo livello di dimensione di bolla il vantaggio come SOTE% è scarso e non giustifica lo svantaggio come DWP 14

SOTE % si incrementa con... Alta densità di diffusori in vasca singola particella V s = 0.24 m/s V > v s 15

SOTE % si incrementa con... Alta densità di diffusori in vasca Effetto della copertura a tutto fondo (regolare, densa) controbilancia e contrasta l effetto di accelerazione delle bolle Riduce la V di risalita Migliora il S.O.T.E. 16

SOTE % si incrementa con... Distribuzione omogenea di AD in vasca 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) andrebbero quindi usati solo per alti valori di AD 17

SOTE % si incrementa con... Distribuzione omogenea di AD in vasca Diametro dei diffusori: 7 9 12 15? A parità di Superficie (AD) diffusori con < diametro significa: Migliore distribuzione dell aria in vasca e mediamente maggiore contrasto ai moti acceleratori a spirale (> 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! 18

SOTE % si incrementa con... Membrane Sanitaire di ultima generazione Le membrane Sanitaire in EPDM Silver2 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. % + - + 19

Cosa influenza il S.A.E.? 1. S.O.T.E. % 2. D.W.P. 3. Mantenimento nel tempo delle caratteristiche elastiche delle membrane (della D.W.P. e del S.O.T.E. %). 4. Altre perdite di carico nel sistema (tubazioni, valvole). 5. Tipo di soffianti e loro efficienza nel campo di impiego. 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 possono non essere 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

Cosa influenza il S.A.E.? 1. S.O.T.E. % 2. D.W.P. 3. Mantenimento nel tempo delle caratteristiche elastiche delle membrane (di D.W.P. e S.O.T.E. %). 4. Altre perdite di carico nel sistema (tubazioni, valvole). 5. Tipo di soffianti e loro efficienza nel campo di impiego. 24

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 soffianti) 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 elastiche tendono ad pulirsi variando le condizioni di alimentazione (Qd), le membrane rigide semirigide o porose hanno bisogno di procedure particolari e di lavaggi frequenti. 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. 25

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 da nuove (+ 5 10 %); - 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 26

Cosa influenza il S.A.E.? 1. S.O.T.E. % 2. D.W.P. 3. Mantenimento nel tempo delle caratteristiche elastiche delle membrane (di D.W.P. e S.O.T.E. %). 4. Altre perdite di carico nel sistema (tubazioni, valvole). 5. Tipo di soffianti e loro efficienza nel campo di impiego. 27

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). 28

Cosa influenza il S.A.E.? 1. S.O.T.E. % 2. D.W.P. 3. Mantenimento nel tempo delle caratteristiche elastiche delle membrane (di D.W.P. e S.O.T.E. %). 4. Altre perdite di carico nel sistema (tubazioni, valvole). 5. Tipo di soffianti e loro efficienza nel campo di impiego. 29

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 (controllo). 30

Accordo commerciale Atlas Copco - ITT Dal 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 dispone di diversi tipi di soffianti adatte ed efficienti nelle diverse condizioni di impiego. 31

ZL = soffianti volumetriche a Lobi (aspi rotanti) Tecnologia semplice Conosciute nel ns. mercato Bassa efficienza, accettabile solo x basse pressioni (trafilamenti) e portate modeste Piuttosto rumorose, pulsazioni. Problemi nel funzionamento sotto inverter. Pressione limitata, < 1 bar. Riscaldamento aria. PRODUZIONE DISMESSA DAL 2010 32

ZS / ZS+ = Soffianti volumetriche a vite Tecnologia nota e collaudata, specie su pressioni maggiori Alta efficienza, sempre più vs. le lobi al salire delle pressioni. Poco rumorose, pulsazioni ridottissime e < riscaldamento dell aria Può essere fornita con inverter e modulo elettronico integrato (versione ZS+) Diverse taglie (da 18 a 160 kw) da 300 a 4.600 m 3 /h, in arrivo altre taglie. Pressione fino a 1.2 bar 33

ZB = Turbosoffiante ad alta velocità variabile Motore a induzione raffreddato dalla stessa aria in compressione Cuscinetti ad aria pressurizzata Accoppiamento diretto & alta velocità Sempre con inverter integrato e completa di modulo elettronico Poco rumorose Ingombro ridotto Minimi costi di manutenzione: LCC Potenze per ora tra 5 e 120 kw Portate 200 6.600 m 3 /h, fino a 1,3 bar 34

ZB+ = Turbosoffiante ad alta velocità variabile Tecnologia innovativa e rivoluzionaria Motore sincrono a magneti permanenti con altissima efficienza. Cuscinetti magnetici lievitativi. Accoppiamento diretto & alta velocità 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 35

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 36

Impianti virtuosi in aerazione 1. Parma Ovest 2. Lariana Depur - Bulgaro Grasso 37

Parma W 9972 diffusori Sanitaire (2005) Sostituzione 40 aeratori meccanici radiali (>1 MWh) in 4 vasche di nitrificazione con diffusori operanti a basse portate specifiche e distribuzione tapered. 38

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 tutti i problemi precedenti: scarso O.D. stagionale e frequenti e costose riparazioni agli aeratori meccanici. 39

LarianaDepur - Bulgaro Grasso 4816 d. (1992) Impianto tessile + civile. Regolare monitoraggio dei: - carichi -D.W.P. -dp - consumi elettrici. Calcoli di convenienza economica per la sostituzione membrane: prima ogni 4 anni, con le Silver ogni 6 anni. 40

marco.leoncavallo@itt.com 41