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Ottimizzazione energetica e funzionale dei sistemi di aerazione nel trattamento delle acque reflue

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 G3, G4) e fouling esterno. Le più recenti mescole EPDM sono molto più stabili fisicamente e chimicamente, con vita media allungata, ed 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.

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Intevento a Risparmio energetico ed efficienza gestionale negli impianti di sollevamento e trattamento delle acque, Pescara 2012

Pubblicato
da Alessia De Giosa
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04 Aprile, 2012 ''Ottimizzazione dei sistemi di
aerazione' MARCO LEONCAVALLO Dove occorre aerare ' aerazione 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). ' Solitamente garantisce da sola anche la Miscelazione e
l''assenza di depositi in vasca. p ' Energetica: da sola consuma la maggior parte dell''energia
elettrica dell''impianto di depurazione elettrica dell''impianto di . 3 Importanza nei consumi elettrici 50% 60% % Energy Cons. In WWTP 20% 30% 40% 50% 0% 10% 20% > efficienza in aerazione del 30 % ' 580000 kWh/Y Impianto 50000 A.E. ~ 220 kW in aerazione meccanica' > efficienza in aerazione del 30 % ' 580000 risparmio > 70.000 '/Y 'e ~ 400 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.) ' condizioni ripetibili ' S.A.E. 5 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 posizionamento sonde a livelli prefissati, prova fino al
della max solubilità.
EN 12255-15 (1999) riferito ad acqua pulita a 10 °C, posizionamento a
livelli più vantaggiosi delle sonde permette la prova fino a una certa % livelli più vantaggiosi delle sonde, permette la prova fino a una certa
della max solubilità stimata (più rapido, meno preciso) e ammette
tolleranze sui risultati. = ' Esiste una differenza nei risultati e nei risultati considerati accettabili tra i
due standard, tra il 0 % e il 15 %. , Le garanzie secondo ASCE sono mediamente più cautelative, ovvero
avremo un SOR maggiore e quindi anche un AOR fornito superiore. 6 Tipologie e scelta di
sistemi di aerazione 7 Sistemi di aerazione Superficiali Aeratori Meccanici Sommersi (ev. + Soffianti) A bolle Fini A bolle Sistemi di diffusione + Soffianti A bolle Grosse bo e G 8 Fattori da considerare nella scelta di un
aeratore
1. Efficienza e suo mantenimento nel tempo ' consumi 2. Affidabilità e necessità di manutenzione straordinaria 3. Frequenza di manutenzione programmata e complessità (l l di li i i ) (legata al numero di linee impianto 4. Complessità impiantistica e investimento iniziale ' costo (legata a dimensioni impianto) 5 Capacità di regolazione ' consumi 5. Capacità di regolazione ' 9 Aeratori meccanici, generalità Generalmente hanno rese in condizioni standard inferiori rispetto
ai sistemi di diffusione a bolle fini ai sistemi di diffusione a bolle . Hanno il vantaggio della possibile estrazione o riparazione diretta
i ( t i fi i li) in vasca (aeratori superficia . Hanno minori possibilità di regolazione rispetto a sistemi di p g p diffusione. Macchine in funzionamento continuo: usura e guasti sono sempre Macchine in funzionamento continuo: usura e guasti sono possibili. Occorre sempre considerare l''aspetto di miscelazione della vasca e
adattabilità dell''aeratore alla stessa. 10 Sistemi di diffusione, generalità I sistemi a bolle fini hanno alte rese in condizioni standard
superiori rispetto agli aeratori meccanici ed in generale rispetto a p p g g p qualsiasi altro sistema di aerazione. Sono generalmente fissi sul fondo vasca Sono generalmente fissi sul fondo . Hanno ampie possibilità di regolazione dell''aria, permettono
anche on/off (SBR). Sono possibili problemi di incrostazioni e deterioramento (molto Sono possibili problemi di incrostazioni e deterioramento (molto
ridotti rispetto al passato). Ben adattabili alla maggior parte delle vasche con fondo piano, a
flussi a pistone ecc. 11 Efficienza di diversi sistemi di aerazione (kgO 2/kWh) in condizioni Standard e Reali in condizioni Standard e Diff. disco / piastra bolle fini  Diffusori tubolari Aeratori meccanici 3.4 ÷ 6 kgO 2/kWh 1.7 ÷ 3 kgO 2/kWh 2.4÷3.8 kgO 2/kWh (S.A.E.) 1.3 ÷ 2 kgO 2/kWh 0.8 ÷ 2.2 kgO 2/kWh (S.A.E.) 0 6 ÷ 1 5 kgO 2/kWh 12 0.6 ÷ 1.5 kgO 2 Efficienza = sistemi a bolle fini 13 Ottimizzazione dei
sistemi a bolle fini 14 La missione è'' Incrementare quanto più possibile il S.A.E. kgO 2 (S.O.R.) / kWh - 15 Cosa influenza il S.A.E. Diversi fattori concorrono al risultato di ottenere e di mantenere un elevato S.A.E.: 1. S.O.T.E.% ( ' Q aria necessaria per S.O.R. richiesto) ( p 2. D.W.P. e mantenimento nel tempo delle caratteristiche elastiche delle membrane ( ' pressione) ( p 3. Altre perdite di carico nel sistema ( ' pressione) 4 Tipo di soffianti, regolazione e efficienza nel campo di 4. Tipo di soffianti, regolazione e efficienza nel campo di impiego ( ' range effettivo, kWh per Q/dP richiesta) 16 1. SOTE = Standard Oxygen Transfer Efficiency Contenuto di ossigeno trasferito S.O.T.E. % = g Contenuto di ossigeno in aria Contenuto di ossigeno in S.O.T.E. % = S.O.R. x 100 Nm3/h x 0 299 S.O.R. in kg/h Nm3/h x 0. S O R x 100 Nm3/h @ 0 °C
Sm3/h @ 20 °C S.O.T.E. % = S.O.R. x Sm3/h x 0.278 @ 17 1. SOTE % si incrementa con... ' Sommergenza ' Bolle piccole (') ' Alta densità di diffusori in vasca ' Alta densità di diffusori in ' Distribuzione omogenea di AD in vasca ' Membrane di ultima generazione 18 1. Sommergenza e SOTE % S O T E cresce con sommergenza > T bolle (ma > dP); è quasi lineare One Particular Grid Arrangement & Air Flow S.O.T.E. cresce con sommergenza, > T r bolle (ma > dP); è quasi per battenti non troppo alti, poi decresce. 60 70 ag ) 40 50 e g P ressu re ( k P 30 To p of D rop L e 10 20 S O T E ( % ) // 0 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 Water Depth (m) SOTE T f D L P 19 SOTE Top of Drop Leg ressure 1. SOTE e Bolle piccole (area specifica di contatto) 1 910 828 bolle/m3 1 910 828 025 bolle/m3 Bolle grosse Bolle fini '''10 mm '''1 mm 6000 2/ 3 bolle/m bolle/m 600 m2/m3 6000 m2/m3 Ottenibili mediante: > Area Diffusione e < Qd (=> < DWP) '; - > Area Diffusione e < Qd (=> < DWP) ' - fori più piccoli (=> > DWP) '; b l ti h ( > > DWP) ' - membrane meno elastiche (=> > DWP) . Le bolle rilasciate cambiano rapidamente dimensione nei primi 30 cm di risalita' 20 1. SOTE e AD: Tempo di Ritenzione e velocità
di risalita
di v ~0,23 m/s => 17 s v ~0,4-1,0m/s => 5 s 4 m 4 Bolla singola Bolle multiple (aumento V risalita) 21 (au e to sa 1. Densità di diffusori sul pavimento vasca,
AT/AD
Effetto della copertura a tutto fondo ' controbilancia l''effetto di accelerazione delle bolle AT/AD ' controbilancia l effetto di accelerazione delle ' Riduce la V di risalita ' Mi li l O T f Effi i ' Migliora la Oxygen Transfer Effic ency 22 Distribuzione e dimensioni dei diffusori Con pari AT/AD, sommergenza, tipo di diffusori e portata specifica
si possono avere differenze di S.O.T.E. % se i diffusori sono
distribuiti poco omogeneamente sul fondo vasca: in particolare
quando si superano distanze di 1 2 m tra le linee portadiffusori o quando si superano distanze di 1,2 m tra le linee portadiffusori
piastre. I diff i di t i i i l i t d i I diffusori con diametri maggiori o le piastre a grande sez one
possono comportare una distribuzione meno omogenea (meno
diffusori più distanti)' p ) Le piastre di diffusione possono comportare una alta densità di
diffusione quindi alzare le rese di trasferimento diffusione, quindi alzare le rese di ' 23 Alta densità di diffusione... Alte rese! ' Con diffusori a disco Silver Series II Sanitaire ' Ancora maggiore con diffusori Gold Series Sanitaire Gold Series 2. Definizione: D.W.P. e 3 pressione di esercizio dP Il sistema di aera ione la ora ins fflando aria ad na pressione 3. pressione di esercizio dP Il sistema di aerazione lavora insufflando aria ad una di esercizio determinata da: - Sommergenza membrane (FISSA) - Dynamic Wet Pressure di attraversamento della membrana - Perdite nelle tubazioni / nella rete / valvole di regolazione [KPa] o [mH 2O] 25 2. Efficienza e D.W.P. La D.W.P. può essere alta a causa di fori di minori dimensioni a può esse e a a a causa d o d o d e s o (bolle piccole e maggiore S.O.T.E.%) e/o per membrana con
minore elasticità o 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. p gg Particolarmente importante è l''andamento della D.W.P. nel tempo,
dopo invecchiamento e fouling sul diffusore dopo invecchiamento e fouling sul diffusore. 26 2. 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 G3, G4)
Fouling esterno (biologico chimico) ' sono più soggetti i diffusori con Fouling esterno (biologico, chimico) ' sono più soggetti i diffusori membrane rigide o semi-rigide (dischi porosi, piastre) che già da nuovi
hanno D.W.P. maggiori. Le più recenti mescole EPDM sono molto più stabili fisicamente e
chimicamente, con vita media allungata, ed effetti di perdita di elasticità
dimezzati. d e at Le membrane elastiche tendono ad pulirsi variando le condizioni di
alimentazione (Qd), le membrane rigide hanno bisogno di procedure
particolari e di lavaggi frequenti. p gg q 27 2. Sostituzione membrane = massima efficienza Specialmente sui vecchi impianti, la sostituzione delle membrane, in
particolare con modelli più recenti, è molto vantaggiosa: - Membrane con un SOTE % migliore (+ 5 ÷ 10 % nuove vs. precedenti);
- 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 ' 100.000,00 u o s ti m a to Il tempo di ritorno ' 1.000,00 ' 10.000,00 R is p ar m io an n u ' 0,16 per kWh _____ ' 0,14 per kWh _____ ' 0,12 per kWh _____ ' 0,10 per kWh _____ ' 0,08 per kWh _____ dell''investimento è
spesso inferiore a
1 anno ! ' 100,00 100 1000 10000 Numero dei diffusori installati 28 3. Perdite di carico Ogni sistema di diffusione e piping di trasporto aria ha perdite di carico,
distribuite e localizzate: importante non sottodimensionare le tubazioni distribuite e localizzate: importante non sottodimensionare le tubazioni
delle reti (D110!) e del piping. 29 4. Soffianti e S.A.E. Aumentando il S.O.T.E., riducendo D.W.P. e perdite di sistema ' Abbi i i il d'' i Abbiamo ottimizzato il consumo d''ar a, ovvero: ' la Q aria richiesta (SOTE%) la Q aria richiesta (SOTE% ' la Pressione richiesta alla fonte di produzione (DWP, dP') 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. 30 4. Tipologie di soffianti possibili 31 4. Soffianti e S.A.E. S ffi t l bi Soffiante a viti Soffiante a lobi Soffiante a 32 4. Scegliere l''ottimale sistema di aerazione,
di produzione aria compressa e di controllo
33 Sistema di telecontrollo e interfaccia soffiante '' sistema
di aerazione '' processo (es per due vasche)
di aerazione '' processo (es. per due Blower control Aeration control F M Tank 1 Tank 2 F M DO DO P Modbus, COM port 4 COM port 3 COM port 1 Ethernet port ComBox-S CAN WWTP Central SCADA Local AQV Remote AQV Panel PC OR ALARM DISTRIBUTION 34 (SMS) Sistemi a bolle fini
Sanitaire 35 Sistemi di diffusione a bolle fini a disco Il sistema attualmente più utilizzato ed affermato in assoluto al mondo,
referenze su depuratori di tutte le taglie in tutto il mondo referenze su depuratori di tutte le taglie in tutto il . 36 Sviluppo membrane Sanitaire® Original material - EPDM Vit tt 5 i ' Vita attesa: > 5 ann EPDM Silver Series ' Resistenza chimico fisica migliorata ' Resistenza chimico-fisica ' Vita attesa > 10 anni EPDM Silver Series II EPDM Silver Series ' Miglioramenti nel design e nella geometria ' SOTE superiore p EPDM Silver Series II LP ' Pressione (DWP) ridotta 37 Evoluzione della membrana : EPDM Silver 2 Le membrane Sanitaire EPDM Silver 2
sono più efficienti delle precedenti sono più efficienti delle grazie a uno spessore non omogeneo
sui diametri e a una ottimizzazione della
distribuzione dei fori sulla membrana. + - + Fustellature
a taglio
Valvola di controllo centrale O ring integrato antiscalzamento 38 Welcome to the gold standard in
aeration
Sanitaire Gold Series membrane diffusers SANITAIRE ''GOLD SERIES' Rese elevate! Sono possibili S.A.E. fino a 7 kgO2/kWh. L l Le rese sa gono per: - la maggiore superficie di diffusione possibile - la bassa portata specifica (Nm3/h per m2) - il mantenimento di DWP su valori bassi In realtà a parità di superficie le rese sono simili ai diffusori a disco. 40 p p Dati tecnici Lunghezza tot. Peso tot. Area Diffusione Portata Lunghezza tot.
diffusore
Peso tot. Area Diffusione
m2
Min - Max 700 mm 5.6 kg 0.065 0.2 '' 2.2 1 00 8 4 k 0 206 0 0 1500 mm 8.4 kg 0.206 0.7 '' 7. 2286 mm 10 kg 0.347 1.15 '' 11.5 Campo
funzionale
Campo GS Campo Silver 2 Campo Silver LP funzionale AT/AD 2 '' 18 4 - 40 4 - 40 Flusso Specifico 3.35 '' 33.5 22 - 170 40 - 265 Nm3/h/m2 41 Efficienza energetica
attraverso installazioni ad alta densità
Performance GS 43 Semplicità di installazione e affidabilità. ' Sistema modulare, necessita di poche calate.
' Simile alle reti a disco con cui condivide staffe di supporto regolabili, giunti,
attacchi, ecc.
' E'' dotato di sistema di spurgo della condensa per ogni rete.
' Intercambiabilità, permette di essere riutilizzato e combinato
con reti a disco Sanitaire.
' Viene fornito completamente pre-assemblato (next) Intercambiabilità Supporti l bili regolabili e
collaudati Unità completa Sistema di tubazioni e giunti Tubazione di grande diametro 4/24/2012 44 Sistema di tubazioni e giunti
collaudato 44 Tutte le parti pre-assemblate 45 Test e prove indipendenti dimostrano fino al
22% di
i li t ll'' ffi i di hi 22% di miglioramento nell''efficienza vs dischi Grazie a: - maggiore superficie di diffusione ' SOTE% > - bassa portata specifica - mantenimento di DWP su valori bassi ' DWP contenuta 46 marco.leoncavallo@xyleminc.com 47


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