Transcript Balducci

Workshop “INNOVAZIONE TECNOLOGICA NELLA DEPURAZIONE
DELLE ACQUE: BEST PRACTICES EUROPEE”
Festival dell’Acqua, L’ Aquila 10 Ottobre 2013
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
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:
Partner del progetto:
Finanziatore del progetto:
- 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 operative al fine di garantire il massimo stato di efficienza del sistema.
(Stenstrom et al., 2008)
Il metodo off-gas è una tecnica per monitorare l’efficienza dei sistemi di
aerazione ad aria diffusa in condizioni di processo (Redmon et al., 1983).
Bilancio di massa in fase gassosa
Ossigeno privato al gas = ossigeno trasferito al liquido
1. Sistema di raccolta off-gas
2. Tubo di collegamento
3. Sonda LDO
4. Ossimetro
5. Analizzatore off-gas
STRUMENTAZIONE
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
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):
TIPOLOGIE DI INDAGINE:
I.
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 Guidelines for In-Process Oxygen 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
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)
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.
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
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
1. VALUTARE LO SPORCAMENTO DEL SISTEMA DI AERAZIONE:
Test
Condizioni dei diffusori
Qaria
[Nm3/h]
DO
[mg/l]
OTE
[%]
αSOTE
[%]
α
Giugno 2010
Nuovi
583
4.62
9.7
18.0
0.5
Maggio 2012
2 anni di funzionamento
290
0.01
9.4
9.5
0.3
Luglio 2012
Puliti
370
3.70
9.1
15.7
0.4
Gennaio 2013
6 mesi di funzionamento
400
0.07
14.7
14.5
0.4
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
CAMBIO DI GESTIONE OPERATIVA
UTILIZZO SOFFIANTE DI POTENZIALITA’ MINORE
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
1. VALUTARE LO SPORCAMENTO DEL SISTEMA DI AERAZIONE:
Test
Condizioni dei diffusori
Qaria
[Nm3/h]
DO
[mg/l]
OTE
[%]
αSOTE
[%]
α
Giugno 2010
Nuovi
583
4.62
9.7
18.0
0.5
Maggio 2012
2 anni di funzionamento
290
0.01
9.4
9.5
0.3
Luglio 2012
Puliti
370
3.70
9.1
15.7
0.4
Gennaio 2013
6 mesi di funzionamento
400
0.07
14.7
14.5
0.4
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 sporcamento dei
diffusori
- la pulizia ha prodotto un incremento
dell’efficienza di trasferimento del 60%.
1. VALUTARE LO SPORCAMENTO DEL SISTEMA DI AERAZIONE:
Test
αSOTE
(%)
Qaria necessaria*
(Nm3/h)
Consumo energetico
(kWh/year)
kWh
CODrem
Costo aerazione
(€/years)
€
CODrem
Giugno 2010
18.0
290
42048
0.65
6307
0.10
Maggio 2012
9.5
545
71832
1.11
10774
0.17
Luglio 2012
15.8
330
43800
0.68
6570
0.10
Gennaio 2013
14.5
360
45000
0.70
6830
0.11
* 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
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
USATI
Per ciascuna vasca sono stati effettuati:
- 2 test secondo la Modalità I;
- 1 test secondo la Modalità II, arco
temporale di riferimento 16h
2. CONFRONTO FRA DIFFUSORI NUOVI E USATI:
Dai risultati delle prove svolte sulla vasca con i diffusori usati, è emerso:
αSOTE
[%]
Portata d’aria media
giornaliera
[Nm3/h]
Assorbimento
[kWh/year]
Costo
aerazione
[€/year]
Diffusori usati
7.0-10.3
900
163377
24506
Diffusori nuovi
19.4
370
75194
11279
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
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
3. GESTIONE OTTIMALE DELLA PORTATA D’ARIA:
CONTROLLO PORTATA ARIA SU DO
CONTROLLO PORTATA ARIA SU NH4
OTE ≈22-30%
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
3. GESTIONE OTTIMALE DELLA PORTATA D’ARIA:
Il cambio di gestione della portata d’aria ha provocato una netto aumento
dell’aeration efficiency:
O 2  QAIR  OTE
OTR
AE 


P
P
O 2  QAIR   SOTE    CS , pwT  DO

P
CS , 20    20 TW 
DO
AE
Per l’impianto considerato, un aumento del 10% nell’OTE in media all’anno
corrisponde ad un risparmio di circa 500MWh/anno
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.
Workshop “INNOVAZIONE TECNOLOGICA NELLA DEPURAZIONE
DELLE ACQUE: BEST PRACTICES EUROPEE”
Festival dell’Acqua, L’ Aquila 10 Ottobre 2013
Ing. Riccardo Gori
Università di Firenze
[email protected]
Ing. Alice Balducci
PHYSIS srl
[email protected]
Ing. Cecilia Caretti
Università di Firenze
[email protected]
PHYSIS-Ingegneria per l’Ambiente srl
Via B.Lupi 1, Firenze
Tel: 055.484206