Università degli studi di Pavia Facoltà di Ingegneria Ulteriori verifiche sperimentali di funzionalità sulla linea acque Ing. Maria Cristina Collivignarelli Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura mcristina.collivignarelli@unipv.it Rimini, 6 novembre 2013
VERIFICHE DI FUNZIONALITA UTILITA : VALUTARE L EFFICACIA E L EFFICIENZA DEGLI IMPIANTI SPECIFICHE PROVE SPERIMENTALI (direttamente sull impianto o a scala di laboratorio) MODIFICHE IMPIANTISTICO-GESTIONALI (risparmi nei costi di investimento e/o di gestione) OTTIMIZZAZIONE PRESTAZIONI
CAPACITA DEI SISTEMI DI FORNITURA DELL OSSIGENO OBIETTIVO Determinazione della costante di trasferimento dell ossigeno (K La ) per calcolare la quantità di ossigeno che il sistema di aerazione è effettivamente in grado di fornire (nell unità di tempo). DOVE In tutti i comparti dove viene trasferito ossigeno attraverso l insufflazione d aria: vasche di ossidazione/nitrificazione; vasche di stabilizzazione aerobica. QUANDO In sede di prima installazione del sistema (collaudo funzionale); Durante la fase di esercizio ordinario per verificare l effetto di diverse condizioni di funzionamento (T del liquame, carico influente, presenza di scarichi industriali saltuari o stagionali, ).
IN SEDE DI COLLAUDO FUNZIONALE il fabbisogno di ossigeno (progettista). Confronto tra la capacità reale (sperimentale) e il dato di targa (fornitore); Il collaudatore può chiamare in causa il progettista oppure il fornitore. Attraverso tale verifica il comparto ossidativo inizia il suo funzionamento in condizioni ottimali (a beneficio del gestore) applicando le prescrizioni del collaudatore. IN SEDE DI VERIFICA PERIODICA DI FUNZIONALITA Controllo del livello di efficienza nel tempo; Controllo del rapporto fornitura/fabbisogno nel tempo; Verifica della omogeneità nella distribuzione dell OD Verificare la velocità di respirazione del fango attivo. Risoluzione di criticità gestionali Indicazioni della necessità di interventi di upgrading strutturali
Possibili procedure operative: PROCEDURA OPERATIVA 1.CON ACQUA PULITA (ad impianto fuori servizio); 2.CON MIXED-LIQUOR (ad impianto funzionante): in condizioni dinamiche; in condizioni di regime stazionario. Fasi costituenti la prova: 1.FASE SPERIMENTALE: misure di ossigeno disciolto (mediante sonde opportunamente posizionate) al fine di determinare il coefficiente globale di trasferimento dell ossigeno K La (in condizioni dinamiche o di regime stazionario); 2.FASE DI ELABORAZIONE DATI: si calcola l ossigeno trasferibile al sistema in condizioni standard che va poi confrontato con: dato di targa del sistema installato reale fabbisogno della biomassa STRUMENTAZIONE, RISORSE UMANE, TEMPISTICHE STRUMENTAZIONE: sonde, strumenti per l effettuazione di test respirometrici (OUR). RISORSE UMANE: n persone suff. per effettuare letture contemporanee nei diversi punti TEMPISTICHE: la fase sperimentale può richiedere alcune ore Volume vasca [m 3 ] <500 <1.000 <1.500 <2.000 >2.000 Numero minimo di punti di misura 1 2 3 4 5
OPERAZIONI PRELIMINARI 1.MAPPATURA DELL O 2 La mappatura si esegue misurando l ossigeno disciolto in diversi punti e a diverse profondità partendo da 0.5 m fino a raggiungere il fondo della vasca con passo di 1 m. 2.POSIZIONAMENTO SONDE ad es. Prova in condizioni dinamiche e reattori a miscelazione completa: tre sonde rispettivamente a 0,5 m dal fondo vasca, a metà altezza ed a 0,5 m dal pelo libero. Le sonde dovranno essere poste ad una distanza di circa 1 m dalle pareti delle vasche. Se la distribuzione dei diffusori è disomogenea, sarà necessario predisporre una o due sonde al centro di ogni zona con distribuzione omogenea Sonde ossigeno IN OUT 3.SOSPENSIONE DELLE PORTATE INFLUENTI E DEI RICIRCOLI 4.RAGGIUNGIMENTO DI CONDIZIONI STAZIONARIE Diffusori La scelta dei punti di posizionamento degli strumenti portatili viene inoltre fatta tenendo conto: 1.della forma del reattore; 2.della posizione dell'ingresso e dell'uscita del liquame; 3.della posizione degli ossimetri permanentemente installati.
CAPACITÀ DI OSSIGENAZIONE ALCUNI ESEMPI APPLICATIVI 1. Cremona (impianto di depurazione municipale di media potenzialità) 12 10 8 M 1 F M 2 modello M 1 modello F modello M 2 Mappatura O.D. OD [mg/l] 6 4 Confronto tra i diversi sistemi di trasferimento dell O 2 2 0-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 Tempo [min] 2. Mortara PV (impianto di depurazione a forte componente industriale) Mappatura O.D. Confronto con l effettivo fabbisogno di O 2 da parte della biomassa 3. Cilavegna - PV (impianto di depurazione municipale di piccola potenzialità) Mappatura O.D. Confronto con l effettivo fabbisogno di O 2 da parte della biomassa Valutazione della sostituzione/implementazione del sistema di fornitura dell ossigeno
COMPORTAMENTO IDRODINAMICO DEI BACINI OBIETTIVI Individuazione dello schema di flusso del reattore (Velocita di rimozione/effetto tossico); Individuazione di eventuali anomalie by-pass IN OUT DOVE Inizialmente solo nella vasca di ossidazione e sedimentazione finale; Oggi applicata a tutte le fasi di trattamento presenti negli impianti di depurazione e a filiere di potabilizzazione. QUANDO In sede di prima installazione del sistema (collaudo funzionale); Durante la fase di esercizio ordinario per verificare: gli effetti dell invecchiamento di strutture e/o macchinari la variazione nelle condizioni di funzionamento (es. portate).
IN SEDE DI COLLAUDO Individuazione del modello idrodinamico reale del comparto esaminato (previsione specifica dell efficienza attesa); Individuazione di eventuali anomalie (indicazioni di interveti correttivi). Prevenzione di criticità funzionali (a beneficio del gestore) IN SEDE DI VERIFICA PERIODICA DI FUNZIONALITA Conferma delle previsioni di efficienza; Riscontro del risultato degli interventi correttivi prescritti dal collaudatore; Ridefinizione dello schema di flusso e individuazione di eventuali anomalie in seguito a variazioni di Q, cambiamenti dei sistemi di miscelazione/fornitura di aria,. Risoluzione di criticità gestionali; Indicazioni della necessità di interventi di upgrading strutturali
PROCEDURA OPERATIVA La verifica sperimentale del comportamento idrodinamico di un bacino attraverso la rilevazione della curva RTD (Retention Time Distribution) viene effettuata secondo la tecnica stimolo risposta e si articola in: FASE 1: ricostruzione della curva di risposta del reattore ad una perturbazione realizzata immettendo un tracciante; FASE 2: individuazione di un modello teorico di funzionamento idrodinamico in grado di simulare quello rilevato sperimentalmente. 1.Immissione del tracciante (ad impulso o scalino); 2.Campionamenti a frequenze regolari (IN, OUT, ricircoli); 3.Conservazione dei campioni e misura delle concentrazioni di tracciante nel tempo; 4.Ricostruzione della curva di risposta del reattore (grafico tempo-concentrazione) ottenuta con i dati rilevati in uscita; 5.Individuazione del modello idrodinamico.
STRUMENTAZIONE, RISORSE UMANE, TEMPISTICHE STRUMENTAZIONE: campionatori, idonei contenitori per la conservazione dei campioni, acido nitrico, strumentazione per la digestione dei campioni e la rilevazione della concentrazione di tracciante RISORSE UMANE: n persone suff. per effettuare contemporaneamente i campionamenti TEMPISTICHE: la fase sperimentale può richiedere da alcune ore a qualche giorno (dipende dal tempo medio di ritenzione idraulica) OPERAZIONI PRELIMINARI 1.CALCOLO DEL TEMPO DI RITENZIONE IDRAULICA 2.INDIVIDUAZIONE DEI PUNTI E DELLE FREQUENZE DI CAMPIONAMENTO 3.CALCOLO DEL QUANTITATIVO DI TRACCIANTE (funzione del limite di rilevabilità del tracciante, delle portate in gioco e dei volumi) 4.DETERMINAZIONE DELLA CONCENTRAZIONE DI BASE (misurazione per 2-3 giorni della concentrazione di tracciante prima dell inizio della prova) 5.PREPARAZIONE DEL TRACCIANTE (soluzione il più concentrata possibile in modo da ridurre i volumi in gioco)
CRITERI DI SCELTA DEL TRACCIANTE Caratteristiche fisiche e grado di conservazione; potenziale inquinante, pericolosità, tossicità; inerzia rispetto al processo operato; rilevabilità; presenza naturale; reperibilità e costi. PARAMETRI DA MONITORARE Concentrazione del tracciante: - in uscita - in ingresso (C base ) - nella soluzione tracciante Portate dei flussi in ingresso; Altri eventi particolari (ON/OFF aeratori; Q ric, ecc.)
VERIFICA IDRODINAMICA ALCUNI ESEMPI APPLICATIVI 1. Piattaforma polifunzionale trattamento rifiuti liquidi (BG) Ossidazione biologica individuazione di volumi morti e by-pass; posizionamento eiettori 2. Casteggio PV (impianto di depurazione municipale) Ossidazione biologica applicazione standard 3. Voghera PV (impianto di depurazione) Denitrificazione + nitrificazione applicazione standard 4. Mortara PV (impianto di depurazione con forte componente industriale) Denitrificazione + nitrificazione applicazione standard + ripartizione Qricircolo 5. Cremona (impianto di depurazione municipale) Denitrificazione + nitrificazione applicazione standard + Suddivisione delle portate sulle 3 linee A B Sed I Linea 1 Sed I Linea 2 D C E Sed I Linea 3 F
SEDIMENTABILITA DEL FANGO OBIETTIVI Valutazione delle caratteristiche di sedimentabilità del fango attivo; Individuazione della potenzialità massima del sedimentatore finale. DOVE Sedimentatori finali (riduzioni rendimenti significativi inconvenienti) QUANDO In sede di prima installazione del sistema (collaudo funzionale); Durante la fase di esercizio ordinario per verificare l effetto di diverse condizioni di funzionamento.
IN SEDE DI COLLAUDO Individuazione del flusso solido limite e confronto con i valori scelti in fase di progetto. Prevenzione di criticità funzionali (il collaudatore può contestare la previsione di progetto). IN SEDE DI VERIFICA PERIODICA DI FUNZIONALITA Controllo del corretto funzionamento del sedimentatore (in seguito a variazioni qualitative del refluo, possibili inibizioni, variazioni condizioni di T, ph,.); L anomalia del funzionamento ha un effetto diretto e rapido sulla qualità dell effluente (mancato rispetto dei limiti allo scarico). Possibili cause: 1.condizioni operative (concentrazione dei fanghi, portata di ricircolo, ) 2.caratteristiche idrodinamiche del comparto (presenza di cortocircuiti, volumi morti,.) 3.caratteristiche del fango (sedimentabilità) Individuazione di interventi di upgrading gestionale (ad es. dosaggio di reattivi) o di tipo strutturale (ad es. nuovo comparto di sedimentazione, necessità di filtrazione finale, ).
PROCEDURA OPERATIVA La prova consta di due fasi: 1. FASE SPERIMENTALE: consiste nell effettuazione di prove di sedimentabilità in cilindro attraverso le quali si può individuare la velocità di sedimentazione del fango a diverse concentrazioni; t = 0 min t = 5 min t = 10 min t = 30 min 2. FASE DI ELABORAZIONE DATI: individuazione del campo operativo di funzionamento e del limite di potenzialità del sedimentatore
STRUMENTAZIONE, RISORSE UMANE, TEMPISTICHE STRUMENTAZIONE: cilindri trasparenti (diametro non inferiore ai 10 cm e altezza superiore ai 50 cm), attrezzature per miscelare adeguatamente i campioni, strumentazione da laboratorio per determinare il contenuto di SST RISORSE UMANE: 1/2 operatori TEMPISTICHE: la fase sperimentale può richiedere circa due ore OPERAZIONI PRELIMINARI 1.VERIFICARE IL RISPETTO DEI PARAMETRI DI DIMENSIONAMENTO DEL SEDIMENTATORE: Tempo di ritenzione idraulica [h] Carico idraulico superficiale [m/h] Flusso solido [kgss/m 2 h] Carico idraulico sullo stramazzo [m 3 /m h] 2.CONDIZIONI DI FUNZIONAMENTO DELLA PROVA: C f [kgbod 5 /kgsst d], SVI [ml/g]
SEDIMENTABILITÀ DEL FANGO ALCUNI ESEMPI APPLICATIVI 1. Cremona (impianto di depurazione municipale - media potenzialita ) Applicazione standard + valutazione sospensione dosaggio di coagulante in ossidazione Q [m 3 /h] 2.000 1.800 1.600 1.400 1.200 1.000 800 Flusso solido Carico idraulico Punto di funzionamento 600 2. Mortara PV (impianto di depurazione a forte componente industriale) Applicazione standard + valutazione dosaggio di polielettrolita 497 400 200 5,5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Concentrazione fango [gss/l] 3. Cilavegna - PV (impianto di depurazione municipale - piccola potenzialità) Applicazione standard + valutazione dosaggio di polielettrolita 4. Sant Antonino Ticino - VA (impianto di depurazione municipale - grande potenzialità) Applicazione standard + valutazione dosaggio coagulante (cloruro ferrico)
TEST RESPIROMETRICI CAMPI DI APPLICAZIONE : 1. caratterizzazione dei reflui riguardo la loro biodegradabilità; 2. quantificazione delle costanti cinetiche; 3. determinazione del fabbisogno di ossigeno; 4. verifica dell eventuale effetto inibente. VANTAGGI: 1.Modesta strumentazione 2.Rapidità di esecuzione TIPOLOGIE: OUR (Oxygen Uptake Rate) AUR (Ammonia Utilization Rate) NUR (Nitrate Utilization Rate)..
TEST di AUR (Ammonia Utilization Rate) APPLICAZIONE: fango biologico del comparto di nitrificazione FINALITÀ: individuare le potenzialità di nitrificazione (V N,max ) DURATA: poche ore OBIETTIVI: -verifica dell esistenza di biomassa nitrificante -misura della velocità max di nitrificazione -valutazione dell influenza di condizioni ambientali sull attività nitrificante -evidenziare la possibile tossicità di reflui. Per una corretta esecuzione della prova: 1.Preparazione del fango: N-NH 4+ max 30 mg/l 2.Lavaggio fango (se non si conosce l impianto da cui proviene) 3.Miscelazione: assicurare buona miscelazione senza la presenza di zone morte o effetti di sedimentazione 4.Adeguata ossigenazione (no zone morte o bolle d aria troppo grandi-almeno pari a 4 mg/l) 5.Temperatura e ph intorno a valori costanti (T di esercizio dell impianto e ph 7,5-8)
TEST RESPIROMETRICI ALCUNI ESEMPI APPLICATIVI 1. IMPIANTI INDUSTRIALI (scarico in fognatura) -Verificare l eventuale tossicità dell effluente prima dello scarico; -Verificare la compatibilità dello scarico con l impianto municipale a valle. 2. IMPIANTI MUNICIPALI (scarico in corpo idrico) -Selezionare i RL in ingresso (massimizzazione prestazioni intero impianto); -Individuare il carico massimo di azoto trattabile dall impianto; -Quantificare l effettiva richiesta di ossigeno in vasca di ossidazione; -Verificare lo stato di salute della biomassa. IN FASE DI AVVIAMENTO...per individuare la biomassa migliore da inoculare.
GRAZIE PER L ATTENZIONE!