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GLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE A CICLI ALTERNATI:
COME OTTIMIZZARNE IL FUNZIONAMENTO GRAZIE
ALL’IMPIEGO DI STRUMENTI DI ANALISI E SISTEMI DI
REGOLAZIONE
Ing. Maria Serena Gironi
Product Manager Process Division HACH LANGE
Introduzione
Il mercato delle acque reflue ha visto negli
ultimi anni una continua evoluzione non soltanto
per l’innovazione tecnologica che lo ha
caratterizzato in termini di disponibilità di
apparecchiature e strumenti di controllo sempre
più affidabili e performanti, nonché di
nuovi protocolli e tecnologie di comunicazione,
ecc. ma anche e soprattutto per il cambiamento
di approccio che si è verificato nella
stessa dell’impianto di depurazione. Si è
infatti gradualmente passati da una filosofia
che prevedeva il semplice monitoraggio dei
vari parametri chimico/fisici in uscita dall’impianto
per avere la sicurezza del rispetto
dei limiti legislativi (peraltro sempre più
restrittivi perché associati alla definizione e
ri-classificazione delle aree sensibili) ad una
filosofia che cerca di avere una comprensione
e consapevolezza più approfondita dei
meccanismi del processo a monte, nel cuore
del trattamento di depurazione, ovvero nel
processo biologico dove la rimozione dell’azoto
rappresenta sicuramente una delle fasi
più critiche in termini di costi gestionali e
qualità del trattamento. L’utilizzo di strumenti
in linea affidabili che forniscono una misura
in continuo di questi parametri e soprattutto
la loro integrazione in sistemi completi di
controllo, verifica e regolazione degli stessi
consente di ottenere una gestione più razionale
delle singole fasi del processo di depurazione,
un incremento dell’efficienza globale
dell’impianto nel suo complesso (anche in
presenza di elevate fluttuazioni nel carico
entrante) ed un’importante riduzione dei
costi gestionali dell’impianto in termini di
risparmio energetico.
La rimozione dell’Azoto in un impianto
funzionante con logica a Cicli alternati
Generalmente, l’Azoto, che può arrivare
all’impianto di depurazione sotto diverse
forme, viene eliminato attraverso un processo
che prevede rispettivamente l’ossidazione
biologica dei composti inorganici dell’azoto
(fase di nitrificazione) e la successiva riduzione
biologica dell’azoto nitrico e nitroso
Fig. 1
Sistema WTOS
(fase di denitrificazione). Tale processo si
concretizza in diversi schemi di impianto:
1) Impianti con pre-denitrificazione ovvero
quelli in cui la fase di nitrificazione e denitrificazione
avvengono in comparti diversi:
l’acqua reflua in ingresso, dopo i trattamenti
preliminari, viene immessa in un primo
reattore mantenuto in condizioni anossiche
dove avviene la fase di denitrificazione; da
qui passa poi alla vasca di ossidazione
dove, in condizioni aerobiche, avviene la
fase di nitrificazione. In uno schema di questo
tipo, è necessario avere il ricircolo della
miscela areata dal reattore nitrificante al
comparto anossico ed, in alcuni casi, prevedere
l’aggiunta di una fonte di carbonio
esterna al comparto di denitrificazione.
2) Impianti a Cicli Alternati ovvero quelli in
cui la fase di nitrificazione e rispettivamente
di denitrificazione avvengono nel medesimo
comparto. Il processo ad aerazione
intermittente permette infatti, attraverso l’utilizzo
di un ciclo di accensione e spegnimento
dell’aria all’interno della vasca, la
formazione di condizioni aerobiche ed
anossiche adeguate per far avvenire
sequenzialmente la nitro e denitro; in schemi
di questo tipo, il fattore determinante per
aumentare la resa complessiva di rimozione
dell’azoto, è quello di ottimizzare la durata
delle due fasi. Tradizionalmente la logica di
alternanza nitro/denitro è una logica di tipo
temporale: l’accensione dei meccanismi di
aerazione per creare condizioni aerobiche e
il loro spegnimento con l’attivazione contemporanea
dei dispositivi di miscelazione
avvengono in base a fasce orarie prestabilite.
Un passo in avanti è sicuramente rappresentato
dalla strategia che invece consente
di comandare i sistemi di aerazione basandosi
sull’impiego di analizzatori on-line:
basandosi sull’informazione in tempo reale
della concentrazione dei 2 parametri chiave
del processo di eliminazione dell’azoto
(NH 4 -H e NO x -N) permette di avere una
logica più flessibile, razionale e rapida nell’alternanza
delle rispettive fasi e quindi,
conseguentemente, di ottenere un notevole
risparmio energetico.
Wastewater Treatment Optimisation Solutions
N/DN Real Time Controller: la soluzione
HACH LANGE per l’ottimizzazione
dell’Impianto a Cicli Alternati
Nella presente relazione verrà preso in considerazione
lo schema di impianto a cicli alternati
(tipologia 2) per il quale HACH LANGE
– società specializzata nell’analisi delle
acque – ha sviluppato e realizzato un sistema
di controllo ed automazione ad hoc che, integrato
con gli strumenti di analisi on-line per
la determinazione in continuo dei parametri
evidenziati, consente realmente di ottimizzarne
il funzionamento e quindi di ottenere i
benefici ed i risparmi sopra descritti.
Logica di Funzionamento del Modulo WTOS
N/DN-RTC
Il sistema di regolazione automatica WTOS
N/DN RTC è stato sviluppato appositamente
per ottimizzare il funzionamento dell’impianto
con schema ad aerazione intermittente
poiché determina l’alternanza delle fasi di
nitro/denitro sulla base dell’informazione in
tempo reale ed in continuo della concentrazione
di azoto ammoniacale e di quello nitrico
e nitroso (vedi Fig. 2).
Gli strumenti di analisi HACH LANGE misurano
in continuo la concentrazione di NO x -N e
NH 4 -N presenti in vasca: sulla base di set
point definiti per questi due parametri, il
modulo WTOS, tramite relè come segnali di
output, darà l’informazione al sistema PLC di
automazione di attivare / disattivare i dispositivi
di ossidazione. In pratica, nella fase di

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Fig. 2
Logica di funzionamento del
sistema WTOS N/DN RTC
nitrificazione, l’ossigenazione verrà mantenuta
accesa fino a quanto si raggiunge il limite
superiore definito della concentrazione di
NO x -N e quello inferiore dell’NH 4 -N (il contenuto
di ossigeno disciolto, che non interviene
direttamente nella logica di automazione, è
comunque monitorato in continuo per essere
sicuri che ne sia dato a sufficienza e venga
mantenuto costante); successivamente, l’areazione
verrà disattivata e, tramite miscelatori
per omogeneizzare il fango attivo, si verranno
a creare in vasca condizioni anossiche; tale
situazione viene mantenuta fino a che le nuove
condizioni comportano il raggiungimento
degli altri set point definiti per gli stessi parametri;
inviato, tramite contatto, il segnale alle
soffianti, si avrà di nuovo l’attivazione della
nitrificazione e così via. I vantaggi applicativi
che derivano da una strategia di controllo di
questo tipo, sono considerevoli e si possono
riassumere affermando che l’attivazione ad
hoc dei dispositivi di areazione consente un
notevole risparmio energetico ed una maggiore
efficienza del processo di rimozione globale
dell’azoto che si traduce in una più elevata
qualità dell’effluente; infine, non meno importante,
un controllo di questo tipo, essendo
caratterizzato da un’enorme flessibilità, consente
un notevole miglioramento della gestione
di impianto nel caso in cui si abbia una
rapida variabilità del carico entrante.
Il sistema WTOS N/DN RCT è poi caratterizzato
dal fatto che è in grado di:
• adattarsi alle diverse condizioni/struttura
degli impianti a cicli alternati;
• essere configurato sulle base delle singole
esigenze in termini di tipologia, numero e
posizionamento degli strumenti di analisi;
• adattarsi a variazioni repentine del parametro
input attivando automaticamente
ed in tempo reale strategie di controllo
alternative (vedi Fig. 3): il sistema passa
cioè automaticamente da un controllo
pre-selezionato alla migliore alternativa
disponibile in modo da avere la totale
sicurezza di un’affidabilità continua di
funzionamento.
La regolazione automatica del processo:
l’importanza di avere strumenti affidabili,
semplici e versatili
I vantaggi che derivano da una gestione ottimizzata
del processo si riflettono inevitabilmente
nell’importanza di avere a disposizione
degli strumenti affidabili (poiché ad essi
viene deputata la responsabilità della conduzione
del processo) e altresì caratterizzati da
facilità di funzionamento e da condizione di
esercizio con manutenzione ridotta. Per questo
motivo, grazie alla continua evoluzione
della tecnologia per la strumentazione da
processo, si è passati dai misuratori tradizionali
(che richiedono una preparazione del
campione con prelievo, pompaggio, filtrazione
e condizionamento in particolari condizioni
ambientali del campione stesso) a nuovi
analizzatori caratterizzati da una tecnologia
on-situ: lo strumento viene cioè posizionato
direttamente a bordo vasca e non più all’interno
di cabine appositamente costituite e
mantenute a condizioni particolari di umidità
e temperatura per l’alloggiamento degli analizzatori.
In tal modo, non solo vengono eliminati
gli errori dovuti a percorsi di trasporto
del campione troppo lunghi ma soprattutto
si riducono i costi iniziali di investimento,
quelli di esercizio e i tempi richiesti per le
operazioni di manutenzione.
Analizzatore on-line AMTAX SC
L’analizzatore di Azoto Ammoniacale Amtax
Sc è proprio caratterizzato da una tecnologia
di misura on-situ: lo strumento viene posizionato
a bordo vasca, vicino al punto di misura
ed il campione viene analizzato immediatamente,
assicurando risultati rapidi e precisi.
Vengono eliminati in questo modo gli svantaggi
e le problematiche legate ai misuratori
tradizionali di NH 4 -N in termini di:
• Installazione. L’analizzatore non richiede
l’installazione in condizioni controllate di
umidità e temperatura (all’interno di cabine
di analisi corredate di sistemi di campionamento),
essendo caratterizzato da una
robusta scocca coibentata che consente di
montarlo direttamente all’esterno. Tutto
ciò permette un’enorme flessibilità installativa,
potendo l’analizzatore essere installato
ovunque.
• Affidabilità della misura. L’analizzatore
situato a bordo vasca, vicino al punto di
misura, ha il vantaggio di fornire una
misura estremamente affidabile dal
momento che il campione viene trasportato
per brevissimi tratti in apposita linea
anti-gelo. Tutte le possibili cause di interferenza
della misura (degradazione del
Fig. 3
Strategie di controllo WTOS
N/DN RTC
campione dovuta a un trasferimento troppo
lungo) vengono eliminate.
• Manutenzione: Sono assenti tubazioni e
unità di ultrafiltrazione esterne che tendono
ad intasarsi; sono assenti le cabine di
analisi che richiedono determinati accorgimenti
manutentivi.
Caratteristiche tecniche
Lo strumento determina la concentrazione di
Azoto Ammoniacale (NH 4 -N) mediante il
metodo Gas Elettrodo Sensibile (GSE). L’analizzatore
è dotato di ampie funzioni di
auto-diagnostica e di un sistema di auto-pulizia
(con soluzione detergente) la cui frequenza
può essere selezionata a piacimento a
seconda delle esigenze.
Prelievo del campione
Il campionamento del fluido avviene grazie
ad un elemento filtrante a membrana che può
operare anche con elevate concentrazioni di
solidi sospesi. A differenza delle tradizionali
unità di filtrazione che richiedono un’elevata
manutenzione, i due moduli che compongono
l’unità filtrante di prelievo sono sottoposti
ad un ciclo di pulizia in continuo con un
sistema a bolle d’aria: mentre il modulo filtro
ad immersione continuamente preleva il
campione, il sistema di autopulizia ad aria
previene la formazione di depositi.
Da quanto sopra descritto, emerge chiaramente
il fatto che l’analizzatore Amtax SC ha
le specifiche tecniche e le caratteristiche
ideali (elevata velocità di risposta e ottima
riproducibilità del segnale) per soddisfare le
esigenze di una strategia di controllo che prevede
la regolazione automatica del processo.
La serie Nitratax SC
Le sonde Nitratax SC consentono di determinare
la concentrazione dei nitrati direttamente
nei fanghi attivi, ma anche nelle acque di
scarico, superficiali e potabili. Il principio su
cui si basa la misura è quello per cui il nitrato,
disciolto nell’acqua, assorbe la luce UV;
tale caratteristica permette di determinare

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Fig. 4
Gestione ottimizzata dell’impianto nella sua globalità
Fig. 5 Rete digitale Sc1000
immediatamente, tramite misura fotometrica,
la concentrazione di NO x -N nel campione da
analizzare – senza reagenti, campionamento
o pretrattamento del fluido da analizzare. Le
sonde della serie Nitratax SC vengono quindi
direttamente immerse in vasca e, proprio
per questo motivo, si contraddistinguono per
un esercizio a ridotta manutenzione; inoltre,
la misura fotometrica a due diverse lunghezze
d’onda (220 e 250 nm), la compensazione
automatica della torbidità e un esclusivo tergicristallo
bilaterale nell’area di lettura
garantiscono un’elevata affidabilità e precisione
della misura.
• La lettura a 250 nm consente di quantificare
l’interferenza dovuta alla sostanza organica,
correggendo la concentrazione della
misura dei nitrati. Grazie a questa caratteristica,
è possibile effettuare letture con concentrazioni
di fango fino a 8 kg SST/m 3 .
• Non richiede nessun materiale di consumo.
• La manutenzione è ridotta al minimo.
• Lo strumento è dotato di un sistema automatico
di pulizia che mantiene la camera
di lettura sempre nelle migliori condizioni
di funzionamento.
• La lettura della lampada UV ha una frequenza
di analisi impostabile a piacimento
(acquisizione del dato analitico temporale
a seconda delle esigenze).
Per rispondere alle diverse esigenze applicative,
la serie Nitratax SC si configura in diverse
versioni: le varianti di modello Nitratax
plus SC, Nitratax eco SC e Nitratax clear SC
rispondono ai più svariati requisiti.
Tutte le sonde sono integrabili e gestibili dal
sistema con tecnologia digitale Sc: grazie ai
controller universali, le sonde ed analizzatori
sopra descritti possono essere abbinati a
qualsiasi altro sensore per il monitoraggio
dei parametri di maggior interesse, allo
scopo di creare interi network di gestione
per gli impianti di depurazione industriali e
civili.
I sensori di misura, del tipo Smart sensor
(sensori intelligenti), sono caratterizzati da
comunicazione digitale (esente da disturbi su
elevate distanze) con la centralina di acquisizione
Sc1000; sono il prodotto di una tecnologia
avanzata che permette di evitare tutti gli
svantaggi tipici della tecnologia tradizionale,
essendo caratterizzati da una minor necessità
di manutenzione e lunga durata che si traducono,
in quanto tali, in minori costi operativi
e maggiore affidabilità nel monitoraggio
Fig. 6 Sistema WTOS a 360°
stesso. Sono inoltre integrabili nella piattaforma
universale digitale Sc1000 che si
presenta come la soluzione ottimale laddove
sia richiesta la necessità di avere un insieme
di strumenti, integrati in un sistema modulare
e scalabile, customizzabile sulle esigenze
delle singole stazioni di misura.
Sviluppi futuri
È vero che i maggiori costi gestionali di un
impianto sono legati al risparmio energetico
ma è anche vero che la tendenza è sempre più
quella di affrontare le problematiche gestionali
di un impianto di depurazione nella loro
globalità. Per questo motivo in HACH
LANGE sono in fase di sviluppo e futura
implementazione nuovi sistemi integrati e
controllori/regolatori in tempo reale dei
diversi meccanismi legati alla rimozione dei
nutrienti e trattamento fanghi:
• N-RTC consentirà la gestione ottimizzata
dell’ossidazione con set point variabile
dell’ossigeno grazie ad un controllo in
tempo reale dell’ammoniaca e ossigeno
disciolto;
• SD-RTC permetterà di ottenere una diminuizione
del consumo di polimero utilizzato
nella fase di Sludge Dewatering;
• SRT-RTC consentirà di calcolare ed ottimizzare
lo Sludge Retention Time.
Per ulteriori informazioni rivolgersi a:
HACH LANGE
Via Riccione, 14 – 20156, Milano
Tel. 02.3923141 – Fax 02.39231439
Web: www.hach-lange.it