Qualità On-Line delle Acque Reflue: il Sistema di Controllo “EarlyWarning” WPR (Water Pollution Rate index)

Applicazione di Soft Computing per il controllo “On-Line/Early Warning” della Qualità delle Acque Reflue  e del Trend dell’indicatore WPR, sulla base di misure on-line convenzionali (nei canali, in ingresso/uscita impianti, ecc.).

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Principio di Funzionamento: WPR (Water Pollution Rate Index) si ispira al più noto WQI (Water Quality Index), che è uno degli indici di qualità più usati, messo a punto nel 1970, da un centinaio di esperti della qualità dell’acqua, provenienti dall’EPA (Environmental Protecion Agency) e dall’NFS (National Sanitation Foundation). Infatti, con il WQI si misurano i cambiamenti della qualità dell’acqua in particolari tratti di un fiume e per paragonare la qualità delle acque anche in fiumi diversi. Su tale indice si basa anche il progetto globale di monitoraggio delle acque dei fiumi proposto dal GREEN (Global Rivers Enviroment Education Network).

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Esempio di campionamento on-line e monito-raggio automatico delle acque in ingresso ed in uscita da impianti di depurazione. Nella figura a sinistra si evidenziano i campioni di acqua collocati in un area XY tra il rosso (bassa qualità) e il verde (buona qualità); nella figura a destra è evidenziato il confronto tra la traccia verde (acque reflue in ingresso) e la traccia azzurra (acque depurate in uscita) rispetto ad un riferimento normalizzato (linea rossa).

Componenti del Sistema WPR:

  1. Strumentazione analitica di misura on-line di parametri di qualità delle acque (pH, redox, OD, T, EC, torbidità, portata, ecc.);
  2. Centralina PLC/PC di elaborazione segnali e collegamento alla rete di Telecontrollo (SCADA);
  3. Accessori funzionali di installazione e funzionamento.

In generale, l’applicabilità dell’indice WPR si basa sul seguente approccio: per quanto riguarda le acque reflue civili o industriali, si è esteso il concetto dell’indice WQI (Water Quality Index) per le acque primarie,  tenendo conto che per queste ultime, l’attributo del Grado di Qualità non si riferisce solo al bilancio di concentrazione di sostanze più o meno indesiderate presenti (es. acque destinate all’utilizzo umano), ma anche al concetto di Idoneità all’Uso che se ne vuol fare, fermo restando la necessità di stabilire il “limite”di accettabilità rispetto al quale generare stati di allerta in tempo reale (Early Warning).

Per la caratterizzazione delle acque reflue sia grezze, che depurate, è quindi possibile utilizzare il tracciamento dei campioni on-line di acqua in termini di WPR su un piano di controllo XY (v. Fig.) nel quale sull’asse delle Y (WQI) vi è tracciata la qualità dell’acqua secondo il contenuto stimato di carico di sostanze inquinanti (SST, BOD, TDS, ecc.); lungo l’asse X (Qualità Complementare) la compatibilità ad es. rispetto alla trattabilità (se si tratta di acqua all’ingresso di un impianto di depurazione), piuttosto che sua alla immissione in un corpo idrico recettore (se si tratta di acqua depurata in uscita dall’impianto di depurazione) rispetto ai limiti normativi di riferimento. Con riferimento alla Fig. , il sistema di rilevazione della qualità delle acque proposto, riassume in un’unica traccia (verde per le acque in ingresso, azzurro per le acque in uscita) lo scostamento dal valore di riferimento (normalizzato) indicata da una linea rossa: in questo modo è possibile rilevare tempestivamente (Early Warning) situazioni perduranti di scarico anomalo.

In generale, l’applicabilità del concetto di “indice WPR” si basa sullo sviluppo dei seguenti principi:

  • I principio: acque appartenenti ad una “classe nota” (acque civili depurate): per la valutazione dell’intera gamma di parametri di qualità delle acque, si considera che tra i parametri di qualità delle acque naturali o pseudo-naturali esista un sottoinsieme di valori tali che, se sono fuori limite alcuni di essi, lo sono anche altri.
  • II principio: “indice di qualità” delle acque WQI applicabile alla classe di riferimento: si utilizza l’NSF-WQI (Water Quality Index), sviluppato negli Stati Uniti nel 1970 dalla Fondazione Nazionale della Sanità (NSF) per le acque naturali, apportando alcune correzioni attraverso l’introduzione di un Indice di Qualità Complementare che tiene conto di eventuali valori anomali dei parametri fondamentali, quali, ad esempio, il pH e la percentuale di ossigeno disciolto in condizioni di saturazione. In tal modo si è definito un Indice Bidimensionale di Qualità con carattere di oggettività. Per le acque reflue viene utilizzato il WPR (Water Pollution Rate index), indice derivato da un’appropriata base di conoscenza e che permette una misura on-line multi-clustering.
  • III principio: “individuabilità di un livello di qualità minima di riferimento”: attraverso i primi due principi è possibile individuare un insieme di riferimento rispetto al quale confrontare lo scostamento della qualità dell’acqua in ingresso e lo scostamento della qualità dell’acqua in uscita rispetto ad un valore minimo accettabile. In particolare lo scostamento dell’acqua in uscita è valutato rispetto ai limiti di legge.

La scala normalizzata utilizzata per il WQI (nel WPR) per la valutazione della qualità dell’acqua, va da 0 a 100, dove acqua di qualità max assumerà valore 100.

L’indice può essere valutato mediante rilevazione on-line di 9 parametri (otto chimici e uno batteriologico): BOD5, DO, pH, Temperatura (T), TDS, Torbidità, Azoto Totale (TN), Fosforo Totale (TP) and Coliformi Fecali (FC). Vista l’eterogeneità dei modi di esprimere i dati e la diversità delle unità di misura è impossibile un confronto tra questi e risulta altresì difficoltoso valutare l’importanza da attribuire ad ogni singolo parametro. Viene effettuata così una procedura di Normalizzazione che consiste nel trasformare i dati rilevati in valori confrontabili (Valore Q). Una volta calcolato l’indice WPR per l’acqua in uscita dall’impianto di depurazione verrà effettuato un confronto con i limiti di legge.

Operatività Target del Sistema WPR: sulla base delle misure on-line dei parametri analitici (di tipo elettrochimico, nefelometrico, ISE, ecc.) disponibili sul mercato a costi sostenibili, il Sistema WPR elabora l’indice bidimensionale  qualità, tracciando il trend su piano XY quotato (v.Fig.). In particolare, l’applicazione di WPR per le acque reflue grezze richiede in generale, l’utilizzo di misure on-line di potenziale redox (ORP), pH, temperatura dell’acqua, torbidità, livello nel collettore e/o portata idraulica), eventualmente (anche se più costosi) misure on-line di ammoniaca e nitrati (sensori ISE):

  • Monitoraggio delle Acque Reflue Grezze (in ingresso all’impianto di depurazione):

    WPR_in = Fuzzy [ORP, pH, T, EC, NTU, LV, Q]

L’applicazione di WPR per le acque reflue depurate richiede in generale, l’utilizzo di misure on-line di potenziale redox (ORP), torbidità, portata idraulica, eventualmente misure on-line di ammoniaca e nitrati (sensori ISE):

  • Monitoraggio delle Acque Reflue Depurate (in uscita dall’impianto di depurazione):

     WPR_out = Fuzzy [ORP, NTU, Q]

Le funzioni operative principali del Sistema WPR sono:

  • restituzione grafica e numerica dei valori degli indici di qualità delle acque;
  • confronto continuo tra gli indici di qualità e i limiti di riferimento;
  • segnalazione stati di pre-allarme (Early Warning) e allarme per superamento continuato dei limiti di riferimento;
  • archiviazione e gestione dei dati storici;
  • guida/Trouble Shooting  sul sistema WPR.

ASWR-Fuzzy-Logic-Water-Quality-Index-and-Importance-of-Water-Quality-Parame.pdf_2189

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Per Info:

SWT-MBR: Modello di Calcolo/Verifica/Simulazione di Processi di Depurazione Nitro-Denitro con MBR (i) – BioReattori a Membrane Immerse

MBR MBRinterfRep

Reattori Nitro-Denitro a Membrane immerse: Modello Software di Calcolo, Verifica e Simulazione: + Caratterizzazione COD e Qualità Effluente; Capacità Depurativa Residua; + Risparmio Energia Aerazione con ODmin; + Report di Stampa Calcoli di Processo

Con l‘introduzione, nell‘ultimo decennio, di limiti normativi sempre più restrittivi per lo scarico dei reflui trattati (D. Lgs. 152/2006) o il loro riutilizzo per scopi irrigui e industriali (D. Lgs. 185/2003), si è reso necessario operare interventi di up-grade o di adeguamento degli impianti di depurazione esistenti e l‘utilizzo di tecnologie innovative in grado di assicurare maggiori efficienze depurative. Sono molti infatti, gli impianti di depurazione esistenti che necessitano di un potenziamento per rientrare nei nuovi limiti allo scarico o perché sovraccaricati o per entrambe le cause. Soprattutto dove lo spazio disponibile è limitato, la scelta va orientata verso tecnologie che permettano di ottenere elevate rese depurative con ingombri limitati, come nel caso delle tecnologie dei Bioreattori a membrana MBR (Membrane Biological Reactor): si tratta di sistemi costituiti in sintesi, dall’accoppiamento di un sistema biologico a fanghi attivi con un sistema di filtrazione su membrana, per la separazione della biomassa. L’alta efficacia filtrante delle membrane permette il mantenimento di concentrazioni di fanghi notevolmente superiori ai valori possibili nei sistemi tradizionali, accrescendo quindi la capacità depurativa del sistema con l’aumento dell’età del fango e conseguente riduzione della quantità di fango da smaltire. Altresì consente il rispetto dei limiti batteriologici senza dover ricorrere ai trattamenti di disinfezione.

In generale, l’impianto MBR è particolarmente indicato quando:

  • è richiesta un’elevata qualità dell’effluente (es. scarico in aree sensibili),
  • è necessario un basso contenuto di SST,
  • s’intende riutilizzare l’acqua depurata (ad esempio per scopi irrigui),
  • vi è la disponibilità di uno spazio ridotto.

Il sistema MBR può essere facilmente integrato in uno schema di impianto tradizionale in sostituzione della fase di sedimentazione e disinfezione. Il ciclo standard di trattamento si svolge attraverso vari comparti quali: sedimentazione primaria, aerazione, filtrazione liquami. Il funzionamento automatizzato delle varie apparecchiature elettromeccaniche è gestito da un pannello di controllo locale.

Gli MBR trovano oggi sempre maggior applicazione nel trattamento di reflui civili e industriali, grazie anche alla progressiva riduzione dei costi delle membrane, ma la progettazione di impianti a scala reale resta piuttosto empirica, a causa della complessità nell’interpretazione delle interazioni tra la biomassa e le membrane filtranti.  Ciò si traduce inevitabilmente in maggiori costi d’investimento ed operativi rispetto agli impianti convenzionali a fanghi attivi, principalmente a causa della necessità di provvedere al contenimento del fouling delle membrane.

I vantaggi della tecnologia MBR rispetto ai tradizionali sistemi a fanghi attivi si possono così sintetizzare:

  1. migliore qualità dell’effluente finale, dato che la membrana agisce come una barriera per solidi sospesi e microrganismi, eliminando la necessità di ulteriore filtrazione e della disinfezione dell’effluente finale;
  2. poter raggiungere e mantenere nei reattori concentrazioni di biomassa molto più alte (fino a 20 g/L) rispetto a quelle normalmente possibili con i trattamenti convenzionali. Ciò riduce in maniera sostanziale il volume del reattore biologico e migliora l’efficienza del trattamento, dato che una maggiore concentrazione di biomassa e un SRT (Solids Retention Time) più alto determina una degradazione più rapida e completa dei nutrienti e dei substrati organici;
  3. gestire il processo biologico in maniera totalmente indipendente dalle fluttuazioni di carico idraulico entro il massimo flusso ammesso dalla membrana;
  4. età del fango più alta implica una minore produzione di biomassa, dato che la crescita dei microrganismi è inversamente proporzionale all’età del fango (produzione di fango nell’ordine di 0,04-0,1 kg per ogni kg COD rimosso) mentre lo stesso parametro per il processo dei fanghi attivi tradizionale varia nell’intervallo 0,6-1,0 kgSS/kgCOD;
  5. minori impegni di superficie per il trattamento dei reflui, data la possibilità di sviluppare in altezza l’unità biologica e l’eliminazione del sedimentatore secondario, normalmente di notevoli dimensioni;
  6. separazione dei solidi su membrana non influenza da eccesso di batteri filamentosi (bulking), fenomeni di risalita dei fanghi (bulking) e altri problemi di sedimentabilità.

Gli svantaggi della tecnologia MBR rispetto al trattamento biologico tradizionale sono costituiti da:

  1. maggiori costi di investimento e più elevati consumi energetici a causa soprattutto della necessità di aerazione delle membrane (per la configurazione submerged) e di riciclo del ritenuto (per la configurazione side-stream). La differenza risulta molto meno significativa a parità di qualità dell’effluente finale, cioè se si confronta il processo MBR con un trattamento tradizionale secondario e terziario (entrambi gli stadi vengono di fatto sostituiti dal sistema MBR);
  2. necessità di grigliare il refluo in ingresso con microstacci di dimensioni 1-2 mm per evitare intasamenti delle membrane da parte di materiale fibroso, capelli, ecc.;
  3. marcata diminuzione del fattore di scambio dell’ossigeno tra fase gassosa e fase liquida a causa della elevata concentrazione di solidi in vasca. Se si considera che il sistema di aerazione utilizzato per la pulizia delle membrane sommerse fornisce bolle d’aria grossolane, la cui efficienza di trasferimento è bassissima, risulta evidente che il consumo energetico viene ulteriormente incrementato;
  4. conoscenze relative ridotte sulla vita della membrana (7-10 anni), e quindi dei costi derivanti dalla sostituzione periodica della stessa;
  5. perdita di efficienza della membrana con il tempo di filtrazione con incremento della resistenza a causa dei fenomeni di fouling. Ciò rende necessaria una periodica pulizia delle membrane, anche mediante impiego di reattivi chimici, con conseguente aumento dei costi operativi e di gestione. Altri problemi possono derivare dal fouling biologico, ovvero crescita batterica incontrollata sulla superficie filtrante, che non solo riduce momentaneamente le prestazioni della membrana, ma contribuisce col tempo anche alla sua degradazione.

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Per INFO sul software di Calcolo SWT-MBR compilare il seguente modulo o inviare una emal a info@anovastudi.com

 

 

SWT APPs: Nuove Applicazioni del Modello SWater per il Calcolo/Verifica/Simulazione dei Processi di Trattamento delle Acque Reflue

SWTappIl 2015 inizia per l’applicativo software SWATER (Pro/Mix) come un anno di rinnovamento e differenziazione, finalizzato a soddisfare sempre più le esigenze specifiche di calcolo dei professionisti della depurazione delle acque reflue; ciò si traduce in: 

  1. maggiore specificità applicativa e orientamento alle nuove soluzioni tecnologiche per il trattamento  delle acque reflue di tipo civile e industriale;
  2. chiarezza delle procedure di calcolo, simulazione e automazione dei report di stampa per far fronte alle necessità di documentazione tecnica (partecipazione a gare d’appalto, verifica di fattibilità per la gestione, ecc.);
  3. possibilità di personalizzare i modelli e gli algoritmi di calcolo per meglio seguire le richieste dei capitolati tecnici, ovvero per meglio adattarsi alle esigenze di ciascun professionista della depurazione acque.

Nella vastissima casistica di impianti di trattamento e di tecnologie di depurazione delle acque reflue (civili e industriali), un unico strumento software di calcolo che operi contemporaneamente su molteplici fasi di trattamenti/tecnologie non è più sostenibile dal punto di vista del rapporto investimenti/risultati. Ciò è legato all’evoluzione che si sta verificando negli ultimi tempi nel settore della depurazione delle acque, ma soprattutto al fatto che il tempo utile richiesto all’utente per l’apprendimento, unitamente al maggior costo di acquisto della licenza d’uso, porta ad allontanare l’obiettivo dell’ottenimento rapido di risultati operativi (v. report di calcolo e simulazione), rispetto alle opportunità di mercato (gare d’appalto progetto/gestione), che sono in genere, contingenti e quasi mai ripetitive negli schemi e nelle tecnologie. Questa è la ragione principale per cui si è deciso di “frantumare” SWATER in una serie di applicazioni software (APP) specifiche per ciascuno dei trattamenti e delle tecnologie più rilevanti, consentendo un aggiornamento continuo ed una espansione di casistiche potenzialmente illimitate.

Il Modello di Calcolo/Verifica SWATER  (by ANOVA,1999) utilizzato dalla stragrande maggioranza degli studi tecnici di progettazione di impianti di depurazione delle acque, ovvero da società di costruzione e gestione degli impianti in Italia (e non solo), si trasforma in specifiche applicazioni software (SWT APPs) per le esigenze di calcolo, di simulazione e di verifica di processo, tra le quali:

  • SWT-CAS (Conventional Activated Sludge) – Modello di Calcolo/Verifica Processi di Depurazione Acque Nitro-Denitro convenzionali (Den-OxNit-SS) con Report di Stampa Calcoli di Processo.
  • SWT-MBR (Membrane BioReactor) – Modello di Calcolo/Verifica BioReattori Nitro-Denitro a Membrane Immerse (Den-OxNit-MB) con Report di Stampa Calcoli di Processo.
  • SWT-ALT (Intermittently Aerated Process) – Modello di Calcolo/Verifica Processi di Depurazione Acque Nitro-Denitro a Cicli Intermittenti di Aerazione in bacino unico, con Report di Stampa Calcoli di Processo.
  • SWT-SBR (Sequencing Batch Reactor)  Modello di Calcolo/Verifica Processo Sequenziale Batch di Depurazione Acque Nitro-Denitro ad alimentazione discontinua, con Report di Stampa Calcoli di Processo.
  • SWT-IFS (MBBR/IFAS Moving Bed Biofilm Reactor) – Modello di Calcolo/Verifica (Up-Grading) di Processi di Depurazione Acque Nitro-Denitro con tecnologia MBBR/IFAS, con Report di Stampa Calcoli di Processo.
  • SWT-CHF (Chemical-Physical Treatments) – Modello di Calcolo/Verifica Processi di PreTrattamento Chimico-Fisico, con Report di Stampa Calcoli di Processo.
  • SWT-FNT (FENTON Chemical-Oxidation ) – Modello di Calcolo/Verifica Processi di Pre-Ossidazione Chimica FENTON, con Report di Stampa Calcoli di Processo.

RepCiascuna applicazione SWT è un modello (ASM1,ASM2, KMA) supportato da funzionalità di calcolo e grafiche, finalizzato alla verifica/dimensionamento e simulazione del processo depurativo in esame, nelle varie possibili condizioni o dati di funzionamento. Inoltre, è possibile ottenere report di stampa “in chiaro”, ovvero con gli algoritmi di calcolo con i relativi dati di input/output evidenziati nel contesto in esame, come in una relazione di calcolo di processo.

N.B.: oltre alla flessibilità dei parametri di calcolo già prevista negli applicativi SWT, è possibile richiedere versioni personalizzate (formule, grafica, ecc.) con un piccolo contributo aggiuntivo.

N.B.: per i Professionisti che occasionalmente si occupano di depurazione acque o per chi vuol sperimentare strumenti di supporto alla progettazione o gestione degli impianti, è possibile inoltre, richiedere versioni SWT  con licenza a tempo (a scadenza) o con licenza a numero prefissato di utilizzi,  con un sensibile risparmio sul prezzo di acquisto.

Sono già disponibili gli applicativi SWT (Workbook + software) per i trattamenti di depurazione biologica Nitro-Denitro del tipo CAS, MBR, ALT, e SBR.

CASMBRALTSBRLibroFNT-COD-MBAS

Per INFO: email: info@anovastudi.com – tel.: +39.348.3366137

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