SWater: lo strumento essenziale per la verifica funzionale degli impianti di depurazione acque reflue

Quando nel 1997 nasceva “SWater” per soddisfare una precisa richiesta di alcuni autorevoli e lungimiranti Operatori del mercato della depurazione acque, non era ancora chiaro quanto importante e ampia potesse essere l’esigenza di un nuovo approccio software al dimensionamento e verifica degli impianti. Nonostante infatti, una ricca varietà di offerta sul mercato di modelli matematici di provenienza per lo più accademica (ma non solo), gli Operatori lamentavano una scarsa adattabilità ed elasticità funzionale di questi modelli, oltre alla difficoltà intrinseca nell’analizzare alcuni dei parametri richiesti in input (ad es.: la % di COD solubile), non rientranti nella routine delle analisi effettuate dai laboratori preposti. La richiesta di adattabilità ed elasticità funzionale, non significava però accontentarsi di un approccio di calcolo più approssimato: al contrario! È certamente più approssimato un calcolo di dimensionamento o verifica effettuato con modelli molto sofisticati (realizzati con sistemi di equazioni differenziali esprimenti le cinetiche, i bilanci di biomassa, ecc.), quando poi si è costretti ad imporre, costanti cinetiche e parametri generici di “letteratura”. Viceversa, è molto più utile utilizzare un modello, anche allo stato stazionario, ma in grado di determinare non solo il “punto” di lavoro, soluzione del sistema di equazioni, ma intere ed effettive “aree di lavoro” di punti che soddisfano la funzionalità di una determinata sezione di trattamento. Ma SWater è molto di più di questo. SWater utilizza un approccio “Olistico” che consente di verificare la funzionalità di un processo osservandolo da più punti di vista e consentendo di verificarne la funzionalità rispetto all’obiettivo della rispondenza dei risultati rispetto ai limiti di legge (D.M. 152 e segg.). Immagine di avvio (splash) del software, figura 1. Idea Base: applicazione tecnico-algoritmica ideata e progettata dall’Ing. Giovanni Mappa (ANOVA), in occasione di un progetto di ricerca per la messa a punto di modelli matematici e algoritmi euristici basati sulla conoscenza, in grado di soddisfare maggiori requisiti di flessibilità e di operatività nella verifica e dimensionamento degli impianti di depurazione acque. SWater è il software di supporto alla progettazione/up-grading, verifica e simulazione dei processi di depurazione delle acque reflue urbane e/o assimilabili. Nato per soddisfare esigenze di “campo”, SWater consente di verificare, in tutte le condizioni possibili di funzionamento, le prestazioni operative e la capacità residua di ciascuna delle diverse sezioni di trattamento depurativo (fisico-chimico-biologico). La metodologia di calcolo utilizzata consente di considerare “dimensionamento e verifica” come due diversi "punti di vista" di uno stesso obiettivo, vale a dire la corretta funzionalità dell'impianto (esistente o di progetto), nel raggiungimento della continuità della qualità dell’effluente, in conformità alla normativa vigente. Caratteristiche Funzionali del Programma SWater utilizza un approccio olistico nell’analisi dei processi depurativi, basato sull’integrazione di modelli matematici di simulazione (allo stato stazionario) di tipo tradizionale e deterministico (IAWPRC) e i nuovi algoritmi di conoscenza di tipo “euristico” (Knowledge based). Ciò consente di individuare le “Aree di Lavoro” caratteristiche del funzionamento di ciascuna sezione di trattamento depurativo, rispetto alle quali definire degli opportuni Indicatori di Efficienza. Detti indicatori, insieme ad una visione completa dei parametri di processo, forniscono informazioni mirate circa la effettiva funzionalità del trattamento, non solo attraverso valori puntuali dei dati output di progetto o verifica (come da un tradizionale modello matematico), ma anche individuando i “range” di valori entro i quali il processo risulta in condizioni di funzionamento regolare. Per questo SWater: - dà possibilità di interagire contemporaneamente sia con i dati di dimensionamento, che di verifica, perché non vincolato a modelli matematici rigidi; - fornisce analisi rapide anche con pochissimi dati in input; - individua le “Aree di Lavoro” caratteristiche del funzionamento di ciascuna sezione di trattamento, rispetto alle quali ricava opportuni “Indicatori di Prestazione”, in grado di valutare se la progettazione/verifica della sezione di processo in esame, risulti “equilibrata” o “condizionata”. - fornisce informazioni globali sull’andamento del processo; - fornisce informazioni “puntuali” che guidano l’operatore nella scelta delle soluzioni impiantistiche più opportune in base alle reali esigenze di campo; - fornisce un controllo della qualità e della continuità della qualità dell’effluente finale; - fornisce una simulazione del trend di funzionamento dell’impianto in base ai dati giornalieri inseriti; - calcola i costi di costruzione e gestione degli impianti, con riferimento agli algoritmi utilizzati nel PRRA della Regione Lombardia e al COTR utilizzato nel calcolo della tariffa dei servizi di acque reflue; - fornisce una relazione di calcolo in automatico, in formato word, che consente all’operatore di aver chiare e documentate le operazioni di design e testing, al termine di ciascuna operazione. Progetto e verifica a portata di click! SWater è l’unico software che consente di passare dalla modalità “Progetto” a quella di “Verifica” e viceversa, con un semplice click! Supponiamo che si debba trasformare un impianto caratterizzato da un trattamento secondario di tipo tradizionale con la sola rimozione biologica del carbonio, in uno avanzato con rimozione dei nutrienti azoto e fosforo: in questo caso ci si trova a dover affrontare il problema “misto” di verifica e dimensionamento, difficilmente affrontabile con i tradizionali modelli di calcolo, anche molto sofisticati (e costosi) , presenti sul mercato! Dimensionare o verificare un processo sono solo i due aspetti di un medesimo problema: la corretta funzionalità dell'impianto nel raggiungimento degli obiettivi di depurazione. Campo di Applicazione SWater è implementato per impianti di depurazione delle acque reflue urbane o assimilabili costituiti dalle seguenti sezioni di trattamento: TRATTAMENTI PRELIMINARI: - Sollevamento - Grigliatura - Equalizzazione - Bacino di Pioggia TRATTAMENTI PRIMARI: - Flottazione - Sedimentazione Primaria TRATTAMENTI BIOLOGICI SECONDARI: - Rimozione del Carbonio - Rimozione dei Nutrienti (Denitro-Nitro) - Sedimentazione Secondaria TRATTAMENTI TERZIARI: - Defosfatazione chimica di emergenza - Filtrazione - Disinfezione UV-c - Clorazione LINEA FANGHI: - Ispessimento - Digestione Anaerobica - Digestione Aerobica - Post-ispessimento - Disidratazione Caso di Studio Un esempio applicativo di SWater è stata la verifica progettuale e funzionale dell’impianto di depurazione acque reflue urbane a servizio del comune di Bisceglie (BA), avvenuta nel 2004. Lo scopo è stato quello di fornire un parere tecnico circa le modalità di progettazione, esecuzione delle opere e di gestione dei processi depurativi riguardanti lo stesso impianto. E’ stata quindi analizzata l’eventuale esistenza di problematiche legate all’intero ciclo depurativo, a problemi legati agli odori, nonché al raggiungimento dei limiti imposti dalla normativa vigente, soprattutto per quanto riguarda l’azoto e il fosforo. Lo schema di trattamento adottato nel progetto dell’impianto di Bisceglie, è quello tipico degli impianti di potenzialità > 50.000 AE, con una linea acque costituita da pretrattamenti di grigliatura, dissabbiatura e disolezione, trattamenti primari di decantazione e chiariflocculazione di emergenza, equalizzazione, trattamenti secondari di pre-denitrificazione, ossidazione-nitrificazione, ricircolo del mixed-liquor, (defosfatazione), sedimentazione secondaria, ricircolo fanghi, trattamento terziario di filtrazione e disinfezione. La linea fanghi prevede una fase di pre-ispessimento, digestione anaerobica dei fanghi, post-ispessimento e disidratazione meccanica. In particolare, la linea acque è ripartita - dalla sedimentazione primaria a quella secondaria - su tre linee equivalenti, per quanto non risulta possibile by-passare del tutto la sedimentazione primaria. Tale possibilità può invece rendersi necessaria nei periodi dell’anno in cui il carico organico all’impianto risulta essere mediamente più basso, evitando così di sfavorire il rapporto COD/TKN nella fase di denitrificazione, ottenendo l’eliminazione di una delle fonti più importanti di odori molesti e migliorando il rapporto tra solidi volatili e solidi totali (SSV/SST) e la sedimentabilità del fango biologico in sedimentazione secondaria. Come esempio di funzionamento del software SWater, si pone l’attenzione in modo particolare sulla fase di pre-denitrificazione e ossidazione-nitrificazione. La sezione di pre-denitrificazione è stata dimensionata per un volume totale di 1.800 m³ ripartito in n°3 vasche uguali, corredata da n°3 elettroagitatori sommersi. La sezione di ossidazione e nitrificazione è stata dimensionata per un volume complessivo di 5.400 m³, ripartito in n°3 vasche uguali, corredata da un sistema di aerazione per una portata di aria totale di 11.840 m³/h, attraverso una serie di diffusori, distribuiti uniformemente sul fondo dei bacini di ossidazione, a bolle fini del tipo a membrana da 9”. Considerando una concentrazione di biomassa (MLSS) in ossidazione-nitrificazione di 4.000 mg/l, si ha una fattore di carico del fango complessivo (Denitro-Nitro): Fc = 24*Qm*BOD5/(Vtot*MLSS) = 24*400*200/((5400+1800)*4000) = 0,066 KgBOD/KgSS*d La portata di ricircolo del mix aerato viene ottenuta attraverso il sollevamento dei liquami all’interno di ciascuna dei tre bacini di ossidazione con una coppia di pompe uguali da circa 950 m³/h cad., ossia attraverso n°3+3R pompe che sono in grado di erogare una portata complessiva di 1.500 m³/h, con un rapporto di ricircolo aerato Rx = 3,75. La verifica di funzionamento effettuata con il modello di simulazione SWater, viene riportata nella figura 2. In tali condizioni, la fase di ossidazione-nitrificazione è in grado di operare con rendimenti di rimozione del BOD superiori al 94% (in grado di far ottenere valori di norma < 25 mg/l BOD nell’effluente), di nitrificazione dell’ammoniaca di oltre il 98% e, calcolando una rimozione di nitrati in denitrificazione (circa 309 Kg/d), si ha un rendimento di abbattimento globale dell’azoto totale superiore al 74%, in situazione limite rispetto ai 15 mg/l di Azoto Totale massimo consentiti dalla normativa. In condizioni di funzionamento medie nel trattamento biologico secondario (per BOD5in = 200 mg/l, TKN =63 mg/l; MLSS = 4000 mg/l, OD = 1,0 mg/l, Portata Qm= 400 m³/h), il valore limite di N  15 mg/l richiesto dalla normativa vigente, viene più facilmente rispettato con valori di temperatura del liquame superiori a 16°C, ovvero a temperatura di 15°C e a parità delle altre condizioni, per concentrazioni della biomassa MLSS in vasca di ossidazione-nitrificazione, superiori ai 4.500 mg/l. Per informazioni: ANOVA s.a.s. Centro Direzionale is.G1/c - 80143 Naples (Italy) TEL: 0039 081 750.25.35 - FAX: 0039 081 605.18.45 www.anovalab.eu