Marco Leoncavallo

“Ottimizzazione dei sistemi di
aerazione”
Marco Leoncavallo
ITT Water & Wastewater
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
1
Dove occorre l’aerazione ?
Stabilizzazione
aerazione
aerobica Fanghi
Trattamento
secondario ossinitrificazione
Dissabbiatura
Disoleatura
Bacino di
Ritenzione
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
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 filamentoso o da
rigonfiamento).
 Solitamente garantisce da sola anche la miscelazione e
l’assenza di depositi in vasca.
 Energetica: da sola consuma la maggior parte dell’energia
elettrica dell’impianto di depurazione.
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
3
Importanza dell’aerazione nei consumi elettrici
Aerazione
Pompaggi
40-60 %
Illuminazione
Miscelazione
HVAC
…
Impianto 50000 A.E. ~ 250 kW in aerazione meccanica… in un anno:
> efficienza in aerazione del 30 %  - 650000 kWh
risparmio > 80.000 € …e ~ 450 T CO2 in meno.
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
4
Come si valuta l’efficienza.
Parametro per giudicare l’efficienza di un sistema di aerazione:
kgO2 / kWh
I kWh sono quelli assorbiti ai morsetti dal sistema di aerazione.
I kgO2 forniti dal sistema possono essere riferiti a:
- Condizioni reali (A.O.R.)
- Condizioni standard (S.O.R.)  S.A.E.
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
5
Efficienza di diversi sistemi di aerazione in kgO2/kWh
riferita sia a condizioni Standard che Reali
Diffusori a disco / piastra bolle fini
Diffusori tubolari

Aeratori meccanici
3.4 ÷ 5.2 kgO2/kWh
2.3÷3.6 kgO2/kWh
1.4÷3.0 kgO2/kWh
1.1÷2.0 kgO2/kWh
0.7÷2.2 kgO2/kWh (S.A.E.)
0.5÷1.5 kgO2/kWh
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
6
Per risparmiare energia elettrica:
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
7
Orientandomi su questi sistemi, come li ottimizzo ?
Cercando di incrementare:
S.A.E. = kgO2 (S.O.R.) / kWh
Standard Aeration Efficiency
S.O.R. = Standard Oxygen Requirement
Ossigeno fornito in acqua pulita (=1,00; =1,00), a livello
mare; T=20 o 10°C; O.D.= 0 mg/l.
I COSTRUTTORI DI AERATORI GARANTISCONO
QUESTO VALORE RIFERITO A UNA
METODOLOGIA DI TEST STD
kWh consumati, dipendono da Q / dP aria +
dall’efficienza delle soffianti.
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
8
S.O.R. = Std Test diversi  S.O.R. ?
 Standard ASTM-ASCE 2-91, riferito ad acqua pulita a 20 °C,
posizionamento sonde a livelli prefissati, prova fino al raggiungimento
della max solubilità.
 Standard Europeo (derivante da ATV 209M) riferito ad acqua pulita a
10 °C, posizionamento a livelli più vantaggiosi delle sonde, prova fino
a una certa % della max solubilità stimata: più rapido, meno preciso
ed ammette > tolleranze sui risultati.
?
=
 Esiste una differenza nei risultati e nei risultati considerati accettabili
tra i due standard, di qualche punto % o più.
 Le garanzie secondo ASCE sono mediamente più cautelative, ovvero
avremo un SOR maggiore e quindi anche un AOR fornito superiore.
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
9
Cosa influenza la S.A.E. ?
Diversi fattori concorrono al risultato di ottenere e di
mantenere un elevato S.A.E.:
1. S.O.T.E. % (legame tra Q aria e S.O.R.)
2. D.W.P.
3. Mantenimento nel tempo delle caratteristiche elastiche
delle membrane (della D.W.P. e del S.O.T.E. %).
4. Altre perdite di carico nel sistema (tubazioni, valvole).
5. Tipo di soffianti e loro efficienza nel campo di impiego.
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
10
Cosa influenza il S.A.E. ?
1. S.O.T.E. %
2. D.W.P.
3. Mantenimento nel tempo delle caratteristiche elastiche
delle membrane (della D.W.P. e del S.O.T.E. %).
4. Altre perdite di carico nel sistema (tubazioni, valvole).
5. Tipo di soffianti e loro efficienza nel campo di impiego.
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
11
Definizione: Standard Oxygen Transfer Efficiency
Contenuto di ossigeno trasferito
S.O.T.E. % =
Contenuto di ossigeno in aria
S.O.R. in kg/h
S.O.T.E. % =
S.O.R. x 100
Nm3/h x 0.299
Nm3/h @ 0 °C
Sm3/h @ 20 °C
S.O.T.E. % =
S.O.R. x 100
Sm3/h x 0.278
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
12
SOTE % si incrementa con... la Sommergenza e Tr
One Particular Grid Arrangement & Air Flow
70
S O T E (% ) // T o p o f D ro p L e g P re s s u re (k P a g )
dP
60
50
40
SOTE
30
20
10
0
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
6,5
Water Depth (m)
SOTE
Top of Drop Leg Pressure
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
13
SOTE % si incrementa con... Bolle più piccole
Bolle piccole, ottenibili mediante:
- > AD quindi < Qd
Bolle grosse
1 cm
(comporta anche < DWP)
600 m2/m3
Bolle
fini
1 mm
6000 m2/m3
- fori più piccoli
(comporta > DWP)
~ 1,9 milioni
bolle/m3
~ 1,9 miliardi
bolle/m3
- membrane meno elastiche
(comporta > DWP)
Oltre un certo livello di dimensione di
bolla il vantaggio come SOTE% è scarso
e non giustifica lo svantaggio come DWP
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
14
SOTE % si incrementa con... Alta densità di diffusori
in vasca
singola particella
Vs = 0.24 m/s
V > vs
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
15
SOTE % si incrementa con... Alta densità di diffusori
in vasca
Effetto della copertura a tutto fondo (regolare, densa)
• controbilancia e contrasta l’effetto di accelerazione delle bolle
• Riduce la V di risalita

Migliora il S.O.T.E.
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
16
SOTE % si incrementa con... Distribuzione
omogenea di AD in vasca
 A parità di AT/AD, sommergenza, tipo di diffusori e portata
specifica si possono avere delle differenze di S.O.T.E. %
se i diffusori sono distribuiti poco omogeneamente sul
fondo vasca: in particolare per distanze > 1,2 m tra le linee
portadiffusori.
 I diffusori con diametri maggiori o le piastre a grande
sezione possono comportare una distribuzione meno
omogenea (meno diffusori più distanti)… andrebbero
quindi usati solo per alti valori di AD
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
17
SOTE % si incrementa con... Distribuzione
omogenea di AD in vasca
Diametro dei diffusori: 7” → 9” →12” → 15” ?…
A parità di Superficie (AD) diffusori con < diametro significa:
 Migliore distribuzione dell’aria in vasca e mediamente
maggiore contrasto ai moti acceleratori a spirale (> resa);
 Limitare gli effetti della perdita di elasticità nel tempo e di
funzionamento poco uniforme alle basse portate (flusso
pulsante sulla membrana): diametro inferiore → minori
dilatazioni o restringimenti in termini assoluti (> durata e
resa nel tempo);
 Costi leggermente superiori (montaggio).
9”: il compromesso ottimale!
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
18
SOTE % si incrementa con... Membrane Sanitaire
di ultima generazione
Le membrane Sanitaire in EPDM Silver2
sono ancora più efficienti delle precedenti
grazie ad uno spessore non omogeneo
sul diametro e a una ottimizzazione della
distribuzione dei fori sulla membrana
 > S.O.T.E. %
+
-
+
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
19
Cosa influenza il S.A.E. ?
1. S.O.T.E. %
2. D.W.P.
3. Mantenimento nel tempo delle caratteristiche elastiche
delle membrane (della D.W.P. e del S.O.T.E. %).
4. Altre perdite di carico nel sistema (tubazioni, valvole).
5. Tipo di soffianti e loro efficienza nel campo di impiego.
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
20
D.W.P. e pressione di esercizio dP
Il sistema di aerazione lavora insufflando aria ad una pressione
determinata da:
- Sommergenza membrane (FISSA)
- Perdite nelle tubazioni / nella rete / nelle valvole di regolazione
- Dynamic Wet Pressure di attraversamento della membrana
[KPa] o [mH2O]
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
21
Pressione di lavoro totale e DWP
Totale (esclusa sommergenza)
P.d.C.
m H2O
Perdite sist.
DWP
Q
Nm3/h
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
22
Efficienza e D.W.P.
 La D.W.P. può essere alta a causa di fori di minori
dimensioni (bolle più piccole e maggiore S.O.T.E.%) e/o
per membrana con minore o nessuna elasticità o con
maggiore spessore.
 Diffusori con S.O.T.E. % migliore (con che standard ?) ma
con D.W.P. elevate possono non essere vantaggiosi in
termini di S.A.E.
 Particolarmente importante è l’andamento della D.W.P.
nel tempo, dopo invecchiamento e fouling sul diffusore.
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
23
Cosa influenza il S.A.E. ?
1. S.O.T.E. %
2. D.W.P.
3. Mantenimento nel tempo delle caratteristiche elastiche
delle membrane (di D.W.P. e S.O.T.E. %).
4. Altre perdite di carico nel sistema (tubazioni, valvole).
5. Tipo di soffianti e loro efficienza nel campo di impiego.
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
24
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 soffianti)
 Fouling esterno (biologico, chimico)  sono più soggetti i diffusori con
membrane rigide o semi-rigide (dischi porosi, piastre) che già da nuovi
hanno D.W.P. maggiori.
 Le membrane elastiche tendono ad pulirsi variando le condizioni di
alimentazione (Qd), le membrane rigide semirigide o porose hanno
bisogno di procedure particolari e di lavaggi frequenti.
 Le membrane Sanitaire Silver hanno una mescola di EPDM molto
stabile fisicamente e chimicamente, la vita media è raddoppiata
rispetto alle precedenti, gli effetti di perdita di elasticità dimezzati.
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
25
Sostituzione membrane per la massima efficienza
Specialmente sui vecchi impianti, la sostituzione delle membrane, in
particolare con le membrane in EPDM Silver 2, è molto vantaggiosa:
- Membrane con un SOTE % migliore da nuove (+ 5 ÷ 10 %);
- 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".
Il tempo di ritorno
dell’investimento è
spesso inferiore a
1 anno !
Risparmio annuo stimato
€ 1.000.000,00
€ 100.000,00
€ 0,16 per kWh _____
€ 10.000,00
€ 0,14 per kWh _____
€ 0,12 per kWh _____
€ 0,10 per kWh _____
€ 1.000,00
€ 100,00
100
€ 0,08 per kWh _____
1000
10000
Numero dei diffusori installati
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
26
Cosa influenza il S.A.E. ?
1. S.O.T.E. %
2. D.W.P.
3. Mantenimento nel tempo delle caratteristiche elastiche
delle membrane (di D.W.P. e S.O.T.E. %).
4. Altre perdite di carico nel sistema (tubazioni, valvole).
5. Tipo di soffianti e loro efficienza nel campo di impiego.
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
27
Altre perdite di carico
 Dimensionare generosamente le tubazioni di adduzione.
 Dimensionare generosamente le tubazioni delle reti
(Sanitaire utilizza 110 mm come minimo).
 Cercare di limitare le regolazioni attive (valvole modulanti).
 Sfruttare distribuzioni disomogenee dei diffusori nelle
vasche a pistone (soluzioni tapered o a regolazione
passiva).
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
28
Cosa influenza il S.A.E. ?
1. S.O.T.E. %
2. D.W.P.
3. Mantenimento nel tempo delle caratteristiche elastiche
delle membrane (di D.W.P. e S.O.T.E. %).
4. Altre perdite di carico nel sistema (tubazioni, valvole).
5. Tipo di soffianti e loro efficienza nel campo di impiego.
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
29
Soffianti e S.A.E.
Aumentando il S.O.T.E., riducendo D.W.P. e perdite di
sistema  Abbiamo ottimizzato il consumo d’aria, ovvero:
 la Q aria richiesta
 la Pressione richiesta alla fonte di produzione
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 (controllo).
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
30
Accordo commerciale Atlas Copco - ITT
• Dal 2009 è attivo un accordo globale tra ITT e Atlas Copco,
con lo scopo di “promuovere soluzioni efficienti al mercato del
trattamento delle acque di scarico”.
• ITT Water & Wastewater ha la responsabilità di vendita delle
soffianti a bassa pressione di AC nel mercato municipale,
inclusi gli installatori e le società operanti in tale mercato.
• AC dispone di diversi tipi di soffianti adatte ed efficienti nelle
diverse condizioni di impiego.
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
31
ZL = soffianti volumetriche a Lobi (aspi rotanti)
 Tecnologia semplice
 Conosciute nel ns . mercato
 Bassa efficienza, accettabile solo x
basse pressioni (trafilamenti) e
portate modeste
 Piuttosto rumorose, pulsazioni.
 Problemi nel funzionamento sotto
inverter.
 Pressione limitata, < 1 bar.
 Riscaldamento aria.
PRODUZIONE DISMESSA DAL 2010
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
32
ZS / ZS+ = Soffianti volumetriche a vite
 Tecnologia nota e collaudata, specie su
pressioni maggiori
 Alta efficienza, sempre più vs. le lobi al
salire delle pressioni.
 Poco rumorose, pulsazioni ridottissime
e < riscaldamento dell’aria
 Può essere fornita con inverter e modulo
elettronico integrato (versione ZS+)
 Diverse taglie (da 18 a 160 kW) da 300
a 4.600 m3/h, in arrivo altre taglie.
 Pressione fino a 1.2 bar
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
33
ZB = Turbosoffiante ad alta velocità variabile
 Motore a induzione raffreddato dalla
stessa aria in compressione
 Cuscinetti ad aria pressurizzata
 Accoppiamento diretto & alta velocità
 Sempre con inverter integrato e
completa di modulo elettronico
 Poco rumorose
 Ingombro ridotto
 Minimi costi di manutenzione: LCC
 Potenze per ora tra 5 e 120 kW
 Portate 200 – 6.600 m3/h, fino a 1,3 bar
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
34
ZB+ = Turbosoffiante ad alta velocità variabile
 Tecnologia innovativa e rivoluzionaria
 Motore sincrono a magneti
permanenti con altissima efficienza.
 Cuscinetti magnetici lievitativi.
 Accoppiamento diretto & alta velocità
 Bassi costi di manutenzione: LCC
 Sempre con inverter (VSD integrato)
 Poco rumorose, < riscaldamento aria
 Ingombro ridotto
 Fornitura completa di accessori
 Portate 2.500 – 5.500 m3/h, fino a 1,6
bar
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
35
HA = Soffiante centrifuga a velocità fissa
 Con riduttore e un singolo stadio
di compressione
 Fornita completa su skid, con
sistema di lubrificazione e
controllo
 Portate 8.200 – 85.000 m3/h
 Modulazione di portata dal 100%
al 45% (70% per il modello più
piccolo).
 Pressioni fino a 2 bar
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
36
Impianti virtuosi in aerazione
1. Parma Ovest
2. Lariana Depur - Bulgaro Grasso
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
37
Parma W – 9972 diffusori Sanitaire (2005)
Sostituzione 40 aeratori meccanici radiali (>1 MWh) in 4 vasche di nitrificazione
con diffusori operanti a basse portate specifiche e distribuzione tapered.
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
38
Parma W – 9972 diffusori 9” Sanitaire Silver 2
Dopo l’intervento il consumo totale dell’impianto è sceso da 10,5 Milioni a
6,5 Milioni KWh/Y, eliminando tutti i problemi precedenti: scarso O.D.
stagionale e frequenti e costose riparazioni agli aeratori meccanici.
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
39
LarianaDepur - Bulgaro Grasso – 4816 d. (1992)
Impianto tessile + civile.
Regolare monitoraggio dei:
- carichi
- D.W.P.
- dP
- consumi elettrici.
Calcoli di convenienza
economica per la
sostituzione membrane:
prima ogni 4 anni, con le
Silver ogni 6 anni.
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
40
[email protected]
Ottimizzazione dei sistemi di aerazione
Water & Wastewater
41