Soluzioni Innovative per
il Telecontrollo degli
Impianti di Depurazione
delle acque reflue
Ing. Paolo Ratini
Ing. Nicola Fiocchi
Monitoraggio e Controllo di impianti di depurazione
La riduzione dell’inquinamento generato dalla rete diffusa di scarichi civili
ed industriali rappresenta uno degli obiettivi principali delle politiche di
salvaguardia dell’ambiente e conservazione del territorio.
Le acque reflue hanno un importante impatto ambientale in Italia ed in
generale in Europa. La maggior parte di questi scarichi vengono trattati
da impianti di dimensioni medio piccole e rappresentano una fonte più
che potenziale di inquinamento.
Monitoraggio e Controllo di impianti di depurazione
Gli obiettivi principali sono:
• fornire un insieme di strumenti per rendere possibile il monitoraggio e il
controllo locale e remoto di un impianto di depurazione, anche attraverso
l’utilizzo della rete Internet
• realizzare un sistema dedicato alle piccole e medie imprese e quindi
caratterizzato da bassi costi, facile installazione (plug and play) e gestione
d’uso
• ridurre i costi di depurazione attraverso la riduzione degli investimenti
iniziali, dei costi di manutenzione e di esercizio.
Monitoraggio e Controllo di impianti di depurazione
Si propone un insieme di strumenti dedicati al monitoraggio e al controllo
di impianti per la depurazione delle acque reflue
• integrati in un sistema modulare e scalabile
• customizzabile sulle esigenze degli impianti di dimensioni medie e
piccole
• capace di migliorare la qualità dei processi di depurazione e ridurne i
costi di trattamento
Finalità
Migliorare l’affidabilità del processo di depurazione e del suo impatto sul
sistema territorio e sul bacino idrico di riferimento.
Monitoraggio e Controllo di impianti di depurazione
Aumentare la qualità nella gestione dell’impianto di depurazione
• Il sistema di telecontrollo garantisce il funzionamento ottimale del
processo di depurazione,
• Il sistema di supervisione genera avvisi ed allarmi in caso di guasti o
malfunzionamenti.
Il sistema perciò, nel suo complesso, supporta procedure integrate che
accrescono l’affidabilità dei processi.
Ottimizzazione rapporto costi/prestazioni
Monitoraggio e telecontrollo in tempo reale di un impianto di depurazione
consentono di gestire in maniera più efficiente ed economica sia la
manutenzione ordinaria che gli interventi di emergenza in caso di
guasti e malfunzionamenti e di intervenire in maniera tempestiva per
avere sempre la migliore resa in termini di qualità della
depurazione
Monitoraggio e Controllo di impianti di depurazione
Garantire uno strumento di gestione del sistema di depurazione adatto
alle esigenze degli impianti di dimensioni medie e piccole, caratterizzato
da:
• bassi costi
• installazione plug and play
Il sistema è progettato per limitare al minimo indispensabile l’intervento di
operatori esperti sia nella fase di installazione che durante il normale
funzionamento e consentire un facile utilizzo anche da parte di
personale non esperto
Monitoraggio e Controllo di impianti di depurazione
Garantire uno strumento di gestione del sistema di depurazione adatto
alle esigenze degli impianti di dimensioni medie e piccole, caratterizzato
da:
• scalarità e modularità per l’applicazione ad una vasta tipologia di
impianti e per update progressivi
Flessibilità
il sistema è pensato per un utilizzo sia su impianti nuovi, che per
l’ottimizzazione di impianti già esistenti dove e possibile realizzare
l’update dell’impiantistica già disponibile attraverso l’applicazione dei
dispositivi elettronici appositamente sviluppati
Modularità
il sistema può essere configurato sulla base delle specifiche esigenze
dell’utilizzatore (numero e tipo di sonde e attuatori presenti
sull’impianto) e può svilupparsi per successive implementazioni (si può
accrescere il numero e il tipo di sonde e attuatori presenti sull’impianto,
così come possono essere modificati gli algoritmi implementati)
Monitoraggio e Controllo di impianti di depurazione
Garantire uno strumento di gestione del sistema di depurazione adatto
alle esigenze degli impianti di dimensioni medie e piccole, caratterizzato
da:
• piena implementazione delle potenzialità di telecontrollo mediante
l’utilizzo della rete Internet
Introdurre, attraverso l’utilizzo del telecontrollo, basato sull’uso della rete
Internet, gli strumenti atti a prefigurare la realizzazione di una
infrastruttura a rete per il monitoraggio degli impianti di depurazione.
La Piattaforma Elettronica Digitale PLT_line
Il sistema è costituito da
• Unità di Monitoraggio e Controllo Locale da dislocarsi a bordo
dell’impianto e dedicata all’acquisizione di segnali in punti di misura
dislocati in zone diverse dell’impianto stesso e all’applicazione dei
comandi e dei controlli alle macchine elettriche presenti sull’impianto
• Unità Centrale (o Centro di Controllo Remoto), identificabile con una
macchina server.
La modularità del sistema consente in qualsiasi momento l’espansione del
numero e del tipo di segnali acquisiti e di macchine elettriche
controllate.
La Piattaforma Elettronica Digitale PLT_line
Unità Centrale
La Piattaforma Elettronica Digitale PLT_line
L’Unità di Monitoraggio e Controllo Locale è realizzata utilizzando tre
dispositivi:
• Il Modulo Analogico
• Il Modulo I/O
• Il Modulo Display
I moduli vengono montati su guide barra DIN e possono essere alloggiati
insieme ai componenti del quadro elettrico all’interno di una cassetta o
di un armadio con grado di protezione adeguato all’applicazione .
La Piattaforma Elettronica Digitale PLT_line
La Piattaforma Elettronica Digitale PLT_line
Modulo Analogico (acquisizione segnali)
Interfaccia analogica multicanale disponibile sul modulo:
• dotata di isolamento galvanico
• stadio separatore ad alta impedenza per ogni canale
• risoluzione di 24bit +/- 1LSB con velocità di acquisizione fino ad 1Ksample.
Modulo I/O
• attuazione dei comandi
• gestione delle macchine elettriche (più in generale)
• ogni singolo modulo rende disponibili 8 ingressi e 8 uscite digitali più 4 ingressi
e 4 uscite analogiche.
Modulo Display
interfaccia a tastiera e display per
• eseguire operazioni di configurazione e calibrazione dei canali analogici per
l’acquisizione dei segnali
• visualizzazione dei valori misurati e di fault e allarmi.
Tale modulo può essere applicato alla portella del quadro elettrico.
La Piattaforma Elettronica Digitale PLT_line
Modulo Master: ospita a bordo le applicazioni software per la gestione locale
dell’Unità di Monitoraggio e Controllo Locale, l’acquisizione dei dati e la loro
archiviazione su database relazionale implementato in tecnologia MySQL.
Dotazione modulo:
• 128Mb di memoria RAM
• Hard Disk da 40Gb
• sistema operativo Linux Embedded
e Web Server,
Il modulo Master può essere collocato all’interno dello stesso quadro elettrico
con il resto dei moduli in altra ubicazione
La Piattaforma Elettronica Digitale PLT_line
Collegando il Modulo Master mediante il link Ethernet ad una rete LAN o
utilizzando una linea telefonica cablata o mobile sarà possibile connettersi
al modulo stesso – anche da una postazione delocalizzata rispetto
all’impianto - mediante uno qualsiasi dei più comuni browser Internet
(Internet Explorer, Mozzilla, etc.) per accedere ad un’interfaccia operatore,
realizzata mediante interfacce grafiche.
In questo modo sarà possibile interagire in modo diretto e in tempo reale
con il sistema per effettuare le operazioni normalmente implementate
mediante l’utilizzo di un PC e di un software SCADA:
•riconfigurazione del sistema e/o dei parametri di acquisizione;
•rappresentazione del quadro sinottico dell’impianto;
•rappresentazione grafica o in forma tabellare di uno storico dei dati
acquisiti;
•export in formato testo o excel dello storico dei dati acquisiti mediante
filtri sugli intervalli di tempo e/o segnale.
La Piattaforma Elettronica Digitale PLT_line
La Piattaforma Elettronica Digitale PLT_line
L’Unità Centrale è una postazione di telecontrollo e supervisione
costituita da una macchina Server, capace di gestire una rete di
installazioni del sistema su diversi impianti.
L’Unità di Monitoraggio e Controllo Locale invia, a intervalli regolari
programmabili dall’utente, i dati contenuti nel database locale al database
remoto residente sulla macchina server dell’Unità Centrale. Il
trasferimento verrà effettuato utilizzando una rete LAN o un modem
GSM/GPRS o una linea telefonica commutata – ove disponibile – collegata
al modulo MASTER.
Mediante l’utilizzo del Web Server Apache, di software appositamente
sviluppato con tecnologia php e residente sulla macchina server dell’Unità
Centrale, l’informazione contenuta nel database remoto è resa accessibile
attraverso la rete Internet utilizzando un qualunque browser commerciale,
sia in ambiente Windows che Open Source (Internet Explorer, Mozzilla
ecc.).
La Piattaforma Elettronica Digitale PLT_line
Monitoraggio di reattori MBR
Segnali da acquisire tipici dei processi biologici a fanghi attivi:
• DO, pH, redox, QIN ecc..
• SST in vasca di ossidazione
Segnali da acquisire tipici dei processi MBR (oltre i precedenti):
• TMP (pressione trans-membrana)
•DO (per limitare fouling membrane)
•sensore di livello in vasca per attivare/disattivare pompe estrazione permeato
Alcune delle più comuni configurazioni impiantistiche
MBR con membrane immerse
MBR con membrane esterne
Esempio di MBR a membrane sommerse
Influente
Permeato
Permeato
Fango
Bioreattore
Membrana
Miscela Aerata
Retentato (fango)
P2>P1
P1
Miscela Aerata
Layout dei sensori e degli attuatori principali per
impianto MBR a membrane immerse
Esempi delle interazioni possibili tra segnali acquisiti e attuatori
Pompa carico
Livello in vasca
Pompa di
estrazione del
permeato
DO
TMP
Arrivo liquame
Vasca equalizzazione
Soffianti
Automazione di impianto MBR
Automazione di “basso livello”
•
DO in vasca a set-point
•
Valore soglia parametro TMP (valore fornito dal costruttore modulo a
membrana) per azionamento controlavaggio o relaxation
•
Flusso di aspirazione membrana
•
Controllo età del fango con utilizzo sensori per SST in vasca (necessario
sensore SST)
Automazione di “alto livello”
•
Interpretazione andamento TMP (previo filtraggio segnale) per gestione
adattativa delle fasi di controlavaggio/relaxation
•
correlazione TMP con parametri quali DO, QIN, SST per:
1.
Ottimizzazione cicli di controlavaggio o relaxation
2.
Minimizzazione consumi energetici
Automazione specifica per impianto MBR: controllo del
fouling in sistemi MBR sommersi
Strategie in uso (Judd, 2005)
1.
riduzione dell’estrazione di permeato
riduzione velocità di intasamento della membrana, ma richiesta di
superfici filtranti maggiori
2.
pulizia fisica e/o chimica
pulizia efficace, ma membrana non in uso durante manutenzione,
consumo di reagenti e produzione di rifiuti liquidi
3.
incremento dell’aerazione
riduzione velocità di intasamento della membrana, ma aumento
fabbisogno energetico
Possibile controllo dell’aerazione a bolle grosse per
ridurre consumo energetico
Incidenza controllo fouling su fabbisogno energetico MBR:
• 2/3 del totale (Cornel & Krause 2003)
• 50% del totale (Cui et al, 2003)
Monitoraggio della Pressione Trans-Membrana (TMP)
Tempo critico di filtrazione (Ognier et al., 2002, Brooks et al., 2003)
La geometra del profilo dell’evoluzione della TMP varia con il variare del
flusso di permeato
Andamenti di TMP per diversi flussi di
permeato
Tempo critico di filtrazione vs. flusso di
permeato
Il tempo critico di filtrazione può essere associato al volume filtrato critico
Monitoraggio della Pressione Trans-Membrana (TMP)
per sistemi sommersi
Flusso sostenibile: flusso che si può mantenere per lunghi periodi operativi
senza lavaggio chimico; tale flusso dipende principalmente da
• tipologia della membrana
• miscela da filtrare
• temperatura
Possibilità di auto-pulizia della membrana in condizioni di flusso sostenibile,
per periodi limitati (osservato da Ahn et al., 2000 su membrane MF)
Controllo filtrazione
•
Le fasi operative di filtrazione e di controlavaggio /relaxation
sono usualmente condotte con tempi prestabiliti
•
Monitorando la TMP è possibile operare le fasi
in modo da
ottimizzare la filtrazione in relazione alle reali necessità
dell’impianto (flusso o caratteristiche del miscela da filtrare)
Nota: Portata di filtrazione (QF) e gestione dei cicli di lavoro e
controlavaggio (o relaxation) hanno scarsa influenza sulla qualità
del permeato (Ahn et al., 2000)
Controllo filtrazione
Controllo filtrazione/aerazione
• L’aerazione è condotta in modo da limitare e ridurre lo
sporcamento (fouling) della membrana.
• il flusso di aria è solitamente mantenuto costante
• generalmente l’aerazione è molto superiore alle richieste
biologiche di ossidazione
Quindi:
• Monitorando TMP si potrebbe regolare l’aerazione in funzione del
suo andamento
• l’aerazione può essere modificata (diminuita) in relazione alle reali
necessità della membrana mantenendo un valore soglia minimo
necessario ai processi biologici.
Nota: elevate concentrazioni di ossigeno in vasca di ossidazione potrebbero
inoltre compromettere anche la fase di denitrificazione, se prevista, e se il
flusso idraulico non è progettato in modo adeguato.
Controllo filtrazione/aerazione
Strategia proposta da Chua et al., 2002
1) Elevate portate in ingresso: necessità di elevati flussi di
filtrazione
• Controllo fouling con alta portata d’aria – elevato
consumo energetico ma solo per necessità di trattare
elevate portate
2) Ridotte portate in ingresso
• Funzionamento membrana in condizioni di flusso
sostenibile – minimizzazione consumi energetici –
condizione di “no fouling”
Necessità di strumenti di monitoraggio per eseguire controllo su QF e QARIA:
• Flussimetro per misura QIN
e/o
• sensore per misura livello liquido in vasca
(ad es. per eseguire controllo tipo PID su QF e QARIA)
Controllo filtrazione/aerazione
tempo
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
TMP
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
TMP
Andamenti ideali e critici TMP
Caso ideale: QIN costante, impianto dimensionato correttamente
35
30
25
20
15
10
5
0
tempo
Caso critico: QIN costante, impianto non dimensionato correttamente
35
30
25
20
15
10
5
0
tempo
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
20
0.3
20
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
TMP
25
0.9
30
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
TMP
Andamenti reali TMP
Caso reale: QIN variabile, problema di superamento della TMPMAX
35
30
QIN
15
10
5
0
tempo
Caso reale: QIN variabile, impianto sovra-dimensionato
60
50
40
QIN
10
0
Controllo adattativo sistemi MBR
• QIN variabile
• Al superamento di valori soglia di QIN, TMP, si agisce su QF e QARIA
35
30
QIN
20
15
10
5
Air max
Risultato
tempo
Air min
• integrità membrana è preservata
• contenimento consumi energetici
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0.1
0.7
0.3
0.9
0.5
0
0.1
TMP
25
Si ringrazia per l’attenzione
Ing. Paolo Ratini
[email protected]
SPES scpa
Via L. Corsi Fabriano (AN)
www.spesonline.com
Ing. Nicola Fiocchi
[email protected]
AQUAVIS
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