Il progetto AERE

1. Workshop “INNOVAZIONE TECNOLOGICA NELLA DEPURAZIONE DELLE ACQUE: BEST PRACTICES EUROPEE” Festival dell’Acqua, L’ Aquila 10 Ottobre 2013 Il progetto AERE “Incremento dell’efficienza energetica negli impianti di trattamento delle acque reflue” Ing. Riccardo Gori Università di Firenze Ing. Alice Balducci PHYSIS srl Ing. Cecilia Caretti Università di Firenze PHYSIS-Ingegneria per l’Ambiente srl Via B.Lupi 1, Firenze Tel: 055.484206

2. Il progetto AERE • BANDO PER IL FINANZIAMENTO DI PROGETTI DI RICERCA FINALIZZATI AD INTERVENTI DI EFFICIENZA ENERGETICA E ALL’UTILIZZO DI FONTI DI ENERGIA RINNOVABILE IN AREE URBANE Responsabile del progetto: Finanziatore del progetto: Partner del progetto:

3. Il progetto AERE • Una città di 100.000 abitanti consuma per la depurazione dei suoi reflui circa 5000 MWh/anno • Tali impianti costituiscono un elemento strutturalmente collegato alle aree urbanizzate • Le acque reflue sono solitamente trattate in impianti di depurazione di tipo biologico aerobico. - Il consumo energetico principale è quello per il trasferimento dell’ossigeno (45-75%) per i processi aerobici di ossidazione La ricerca ha avuto come obiettivo: realizzare un sistema per il controllo dell’efficienza del trasferimento dell’ossigeno in condizioni operativeal fine di garantire il massimo stato di efficienza del sistema. (Stenstromet al., 2008)

4. Il metodo off-gas • Ilmetodo off-gas è una tecnica per monitorare l’efficienza dei sistemi di aerazione ad aria diffusa in condizioni di processo (Redmonet al., 1983). Bilancio di massa in fase gassosa Ossigeno privato al gas = ossigeno trasferito al liquido

5. Il metodo off-gas 1. Sistema di raccolta off-gas 2. Tubo di collegamento 3. Sonda LDO 4. Ossimetro 5. Analizzatore off-gas • STRUMENTAZIONE

6. Il metodo off-gas • PARAMETRI MISURATI: • Contenuto di ossigeno nel flussi di gas (off-gas, Reference) • Portata di off-gas ANALIZZATORE OFF-GAS (frequenza acquisizioni 50 ms) • Concentrazione di ossigeno disciolto nella miscela aerata • Temperatura liquame • Temperatura aria ambiente • Pressione atmosferica

7. Il metodo off-gas • PARAMETRI CALCOLATI: • efficienza di trasferimento in condizioni di processo (OTE, %): • efficienza di trasferimento in condizioni standard (αSOTE, %): Cs,20: concentrazione di saturazione in vasca a 20° Cs,pwT: concentrazione di saturazione in condizioni di processo β = 1- (0.01 TDS)/1000 • fattore α: α = αSOTE/SOTE • rateo di trasferimento dell’ossigeno (OTR, Kg02/h):

8. Il metodo off-gas • TIPOLOGIE DI INDAGINE: • Prova di tipo puntuale su più zone della superficie della vasca di ossidazione. • - I valori di efficienza di trasferimento sono riferiti ad una determinata condizione di carico e di esercizio. Prova ripetuta su più punti della vasca. • - le prove sono effettuate seguendo le linee guida pubblicate dall’ASCE in “Standard GuidelinesforIn-ProcessOxygen Transfer” (1996) • - durata della prove 2/3 ore per vasca di ossidazione • II. Prova dinamiche in un punto della vasca di ossidazione. • - I valori di efficienza di trasferimento sono riferiti ad un intervallo temporale ampio in cui si registrano condizioni di esercizio variabili. • - le prove durano di solito 24 ore

9. Applicazioni • 1. Migliorare la conoscenza del sistema di distribuzione dell’aria nel suo complesso • - misurare la portata d’aria fornita alle vasche • - valutare l’omogeneità di distribuzione della portata d’aria all’interno della vasca • - valutare l’effetto delle valvole di parzializzazione disposte sulle tubazioni di distribuzione dell’aria. • 2. Stimare l’efficienza di trasferimento dell’ossigeno • ricavare il valore di αSOTE e stimare il fattore α da confrontare con i dati di progetto. • 3. Stimare le emissioni di gas serra • - misurare le emissioni di N2O, CH4 , CO2 • - Valutare le emissioni indirette di gas serra (kgCO2/KWh)

10. Applicazioni • 4. Valido supporto in fase di progettazione di un nuovo sistema di aerazione • effettuare una serie di test per verificare l’efficienza di trasferimento dell’ossigeno di più diffusori nell’effettive condizioni di processo. • monitorare l’andamento della perdita di efficienza degli stessi nelle condizioni di processo.

11. Applicazioni • 5. Quantificare la perdita di efficienza dovuta allo sporcamento dei diffusori • eseguendo una serie di test nel tempo, sotto le stesse condizioni operative (SRT, SSV, soffiante, etc..), è possibile monitorare l’andamento dell’efficienza di trasferimento dell’ossigeno nel tempo • quantificare l’aumento dei costi legati alla perdita di efficienza • pianificare gli interventi di pulizia sui diffusori 6. Valutare l’efficacia degli interventi di pulizia dei diffusori • - quantificare il recupero di efficienza a seguito di un lavaggio dei diffusori • guadagno economico dovuto al recupero di efficienza • confrontare diversi metodi di pulizia dei diffusori per trovare quello più vantaggioso in termini economici • 7. Quantificare il risparmio legato ad un’efficiente gestione della portata d’aria • quantificare il risparmio energetico legato ad una migliore gestione della portata d’aria immessa in funzione della concentrazione di DO nelle vasche di processo e/o NH4 nell’effluente

12. Esempi applicativi 1. VALUTARE LO SPORCAMENTO DEL SISTEMA DI AERAZIONE: Su uno stesso impianto sono stati effettuati 4 test : • Giugno 2010: subito dopo l’installazione del nuovo sistema di aerazione • -Maggio 2012: dopo due anni dall’istallazione del nuovo sistema di diffusori durante i quali non è stata effettuata alcuna operazione di pulizia • -Luglio 2012: subito dopo la pulizia dei diffusori con acido peracetico • - Gennaio 2013: dopo sei mesi di funzionamento dall’ultima pulizia dei diffusori • Fra il primo e il secondo test è stata sostituita la soffiante con una di potenzialità minore

13. Esempi applicativi 1. VALUTARE LO SPORCAMENTO DEL SISTEMA DI AERAZIONE: Dopo due anni di funzionamento si è verificato un dimezzamento dell’efficienza di trasferimento dell’ossigeno. la riduzione è stata attribuita ad un progressivo sporcamento dei diffusori UTILIZZO SOFFIANTE DI POTENZIALITA’ MINORE CAMBIO DI GESTIONE OPERATIVA E’ stata effettuata una pulizia dei diffusori mediante l’iniezione di acido peracetico nelle condotte di mandata dell’aria. i diffusori NON sono stati estratti dalla vasca e la vasca non è stata svuotata

14. Esempi applicativi 1. VALUTARE LO SPORCAMENTO DEL SISTEMA DI AERAZIONE: Dopo la pulizia dei diffusori è stato riscontrato un netto miglioramento dell’ efficienza di trasferimento normalizzata. - La perdita di efficienza del sistema era effettivamente dovuta allo sporcamentodei diffusori - la pulizia ha prodotto un incremento dell’efficienza di trasferimento del 60%.

15. Esempi applicativi 1. VALUTARE LO SPORCAMENTO DEL SISTEMA DI AERAZIONE: • * Portata d’aria necessaria a garantire un SOTR=26kgO2/h assumendo 0.55 come α-value • - Un dimezzamento del valore di αSOTE si traduce in un aumento dei costi di gestione di circa 4500€/anno per un impianto da 3500 a.e. • - L’intervento di pulizia sui diffusori permette di riportare i consumi energetici ai valori iniziali, approssimativamente di 10kWh/a.e. anno • - Assumendo un valore di emissione specifico (IEA,2012) di 0.406kgCO2/kWh, al risparmio energetico dovuto alla pulizia corrisponde una riduzione di emissioni di 11.4 tCO2/anno e 3.25 KgCO2/a.e. anno

16. Esempi applicativi 2. CONFRONTO FRA DIFFUSORI NUOVI E USATI: • Lo stesso impianto è dotato di quattro vasche di ossidazione in parallelo: • due con diffusori “usati” installati nel 2005; • due con diffusori nuovi installati un mese prima della prova. NUOVI • Per ciascuna vasca sono stati effettuati: • 2 test secondo la Modalità I; • 1 test secondo la Modalità II, arco temporale di riferimento 16h USATI

17. Esempi applicativi 2. CONFRONTO FRA DIFFUSORI NUOVI E USATI: Dai risultati delle prove svolte sulla vasca con i diffusori usati, è emerso: Conoscendo l’αSOTE dei diffusori nuovi è stato possibile ricalcolare, a parità di OTR, gli stessi parametri. • La sostituzione dei diffusori permette, per ciascuna vasca, di: • Risparmiare circa il 60% dell’aria fornita • Ridurre di oltre il 50% i consumi energetici legati all’aerazione • Diminuire di circa 13.000,00 €i costi annui dovuti al sistema di aerazione

18. Esempi applicativi 3. GESTIONE OTTIMALE DELLA PORTATA D’ARIA: • E’stato testato più volte uno stesso impianto: • PRIMO TEST: • gestione della portata d’aria in modo proporzionale alla concentrazione di ossigeno disciolto in vasca • SECONDO TEST: • gestione della portata d’aria in funzione della concentrazione di N-NH4 in uscita dalla vasca di ossidazione

19. Esempi applicativi 3. GESTIONE OTTIMALE DELLA PORTATA D’ARIA: • CONTROLLO PORTATA ARIA SU DO • OTE ≈22-30% • CONTROLLO PORTATA ARIA SU NH4 • OTE ≈24-35% • - Il controllore sull’NH4 permette di limitare le fluttuazioni della portata d’aria e di mantenere per la maggior parte del tempo un valore prossimo a quello minimo • miglioramento in termini di efficienza di trasferimento • - E’ stato inoltre osservato che il controllore sull’ NH4 permette di mantenere in vasca, a parità di efficienza depurativa, livelli di ossigeno disciolto molto più bassi

20. Esempi applicativi 3. GESTIONE OTTIMALE DELLA PORTATA D’ARIA: • Il cambio di gestione della portata d’aria ha provocato una netto aumento dell’aerationefficiency: DO AE • Per l’impianto considerato, un aumento del 10% nell’OTE in media all’anno corrisponde ad un risparmio di circa500MWh/anno

21. Conclusioni • La strumentazione e il protocollo di misura messi a punto durante il progetto AERE si sono dimostrati versatili ed utilizzabili su impianti di tutte le taglie. • Il sistema di misura consente: • conoscenza più approfondita del sistema di distribuzione dell’aria nel suo complesso; • un significativo risparmio energetico ed economico legato ad una migliore e più consapevole gestione del processo di aerazione; • di acquisire di informazioni utili per effettuare investimenti sul sistema di aerazione (sostituzione dei diffusori o pulizia); • di individuare il legame tra portata d’aria ed efficienza di trasferimento dell’ossigeno, utile nei casi di controllo avanzato del sistema di aerazione. • L’esecuzione delle misure non preclude il normale funzionamento dell’impianto, possono quindi essere previste prove periodiche senza mettere a rischio l’efficienza dell’impianto.

22. Workshop “INNOVAZIONE TECNOLOGICA NELLA DEPURAZIONE DELLE ACQUE: BEST PRACTICES EUROPEE” Festival dell’Acqua, L’ Aquila 10 Ottobre 2013 Grazie per l’attenzione! Ing. Riccardo Gori Università di Firenze riccardo.gori@dicea.unifi.it Ing. Alice Balducci PHYSIS srl a.balducci@physis.net Ing. Cecilia Caretti Università di Firenze cecilia@dicea.unifi.it PHYSIS-Ingegneria per l’Ambiente srl Via B.Lupi 1, Firenze Tel: 055.484206