Secondo uno studio dell'Agenzia tedesca per l'ambiente, gli impianti di depurazione sono responsabili di circa l'1% del consumo totale di elettricità in Germania. Quella che a prima vista sembra una percentuale molto bassa, offre tuttavia un potenziale di risparmio molto interessante nell'ottica degli operatori dei singoli impianti di depurazione. Un esempio tipico di potenziale di risparmio negli impianti di depurazione è l'aerazione delle vasche. Ad esempio, le più moderne tecnologie di soffiaggio e di controllo guidato dalla domanda possono ottimizzare a livello energetico il processo di aerazione delle vasche, di per sé molto energivoro, e aumentare significativamente l'efficienza economica di una vasca di depurazione a fronte di uno sforzo comparativamente modesto.
Questo punto di partenza è particolarmente interessante per le città e i comuni. Uno sguardo al fabbisogno energetico degli operatori delle vasche di depurazione urbane mostra che gli impianti di depurazione delle città e dei comuni rappresentano una quota considerevole (circa il 20%) del consumo totale di elettricità. Il trattamento delle acque svolge quindi un ruolo cruciale rispetto a scuole, ospedali, sistemi di approvvigionamento idrico o altre utenze energetiche municipali e urbane.
Tuttavia, il potenziale di risparmio energetico degli impianti di depurazione è spesso sottovalutato. Molti impianti di depurazione funzionano ancora oggi con sistemi di aerazione non regolamentati e inefficienti, responsabili di gran parte del consumo totale di elettricità. Dal punto di vista odierno, tuttavia, l'aerazione non regolamentata e non guidata dalla domanda negli impianti di depurazione è tecnicamente superata. Da diversi anni sono disponibili sul mercato sistemi altamente efficienti come turbosoffianti, soffiatori a lobi e compressori ibridi, che non solo offrono una maggiore efficienza e possono essere utilizzati in un ampio range di carico parziale, ma possono anche essere utilizzati insieme per ottenere un'efficienza complessiva ottimale. Ciò consente di rispondere in modo ottimale alle variazioni di carico nel profilo di domanda di una vasca e di ridurre in maniera duratura i costi energetici.
Nella nostra guida non solo analizzeremo l'importanza della tecnologia di aerazione per l'efficienza economica degli impianti di depurazione, ma evidenzieremo anche il potenziale delle tecnologie di soffiaggio guidato dalla domanda. Mostreremo inoltre come gli operatori di vasche di depurazione possono ottimizzare le loro vasche di ossidazione, dall'analisi iniziale fino ai controlli sincronizzati.
Importanza della tecnologia di aerazione per l'efficienza economica delle vasche di depurazione
Ogni anno, gli impianti di depurazione consumano una quantità enorme di elettricità, pari a circa 4.400 gigawattora (GWh) di energia elettrica. Questo valore corrisponde all'incirca alla produzione annua di una moderna centrale elettrica a carbone ed equivale a una produzione annua di CO2 di circa 3 milioni di tonnellate. L'aumento dell'efficienza energetica degli impianti di depurazione quindi non va solo a vantaggio degli operatori - spesso le città o i comuni - ma anche dell'ambiente.
Quando si tratta di rendere i processi degli impianti di depurazione più efficienti dal punto di vista energetico, l'aerazione è l'aspetto principale da prendere in considerazione. In molti casi, il fabbisogno energetico dei soffiatori installati nella vasca di ossidazione ammonta al 60-80% del fabbisogno totale. Ma qual è l'importanza della tecnologia di aerazione per gli impianti di depurazione?
Levasche di ossidazione rappresentano il principale stadio di pulizia degli impianti di depurazione. Utilizzano sistemi di aerazione per introdurre ossigeno dall'aria nella vasca e favorire lo sviluppo di microrganismi aerobici. Questi microrganismi decompongono gli inquinanti organici e formano fanghi attivi in grado di assorbire gli inquinanti; questi fanghi attivi vengono poi separati dalle acque di scarico trattate nei bacini di decantazione finale e reimmessi nella vasca dei fanghi attivi o utilizzati come fanghi di depurazione. Inoltre, l'ossigeno introdotto è responsabile dell'ossidazione dell'azoto ammonico presente nelle acque di scarico e della sua trasformazione in nitrato, preparandolo così per la rimozione da parte dei microrganismi.
Il consumo energetico degli impianti di depurazione è generalmente espresso in chilowattora annui per AE, dove AE sta per abitante equivalente. Solitamente questo valore diminuisce con l'aumentare delle dimensioni dell'impianto di depurazione, in quanto è possibile sfruttare le economie di scala. L'Agenzia tedesca per l'ambiente fornisce degli ordini di grandezza per il consumo di elettricità degli impianti di depurazione da usare a scopo orientativo:
| ABITANTE EQUIVALENTE | CONSUMO SPECIFICO DI ENERGIA Classe di grandezza 1 | < 1.000 | 75 kWh/(EW x a) Classe di grandezza 2 | 1.000 – 5.000 | 55 kWh/(EW x a) Classe di grandezza 3 | 5.000 – 10.000 | 44 kWh/(EW x a) Classe di grandezza 4 | 10.000 – 100.000 | 35 kWh/(EW x a) Classe di grandezza 5 | > 100.000 | 32 kWh/(EW x a) |
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È interessante notare che, nonostante il minore fabbisogno energetico specifico, gli impianti di depurazione delle classi 4 e 5 sono responsabili dell'87% circa del consumo totale di elettricità. Gli impianti di depurazione di queste dimensioni rappresentano solo il 22% circa dei circa 10.000 impianti di depurazione, ma sono responsabili di oltre il 90% dei consumi per abitante equivalente.
In un tipico impianto di depurazione, il trattamento biologico e il trattamento secondario costituiscono la maggior parte del fabbisogno energetico. Tuttavia, anche altre fasi del processo richiedono energia elettrica:
- Pulizia biologica e trattamento secondario 67%
- Trattamento dei fanghi 11%
- Filtrazione a flocculazione 8%
- Infrastrutture e altre utenze 6%
- Sistemi di pompaggio delle acque di scarico 5%
- Fase di pulizia meccanica 3%
Per questo motivo, l'ottimizzazione energetica del trattamento delle acque reflue si concentra principalmente sulla fase di trattamento biologico. Un'analisi completa di 85 impianti di depurazione presenti nella Renania Settentrionale-Vestfalia ha dimostrato che le misure di ottimizzazione nella vasca di ossidazione sono state particolarmente efficaci: hanno creato circa il doppio dei risparmi rispetto alle misure adottate in altri settori.
Le possibilità di ottimizzare la fase di pulizia biologica a livello tecnico ed energetico sono molteplici. Si va dalla sostituzione del sistema di soffiatori al miglioramento mirato della gestione operativa e alla prevenzione delle perdite di pressione, fino agli investimenti in una tecnologia di pompaggio altamente efficiente e poco soggetta a intasamenti.
Carico medio, picco di carico e basso carico - alimentazione secondo necessità con la moderna tecnologia di ventilazione
Le vasche di ossidazione degli impianti di depurazione urbani e industriali sono caratterizzate in larga misura da un profilo di carico fluttuante. Le quantità variabili di acque reflue nel corso della giornata, le variazioni dei livelli di precipitazioni, gli effetti stagionali e i diversi gradi di inquinamento delle acque di scarico determinano un profilo di domanda fluttuante, che a volte può presentare improvvisi cambiamenti di carico. Inoltre, è necessario tenere conto delle differenze di temperatura stagionali, che influiscono anch'esse sulla quantità di ossigeno atmosferico necessaria nella vasca dei fanghi attivi.
I moderni programmi di aerazione delle vasche a fanghi attivi mirano quindi a rispondere alle fluttuazioni del profilo di domanda di ciascun impianto di depurazione adottando la tecnologia di aerazione più efficiente per ogni caso specifico. I vantaggi delle turbosoffianti, dei soffiatori a lobi e dei compressori ibridi possono quindi essere sfruttati in modo mirato per far funzionare il sistema di ventilazione in modo efficiente, sia a carico medio sia in caso di picchi di carico e a basso carico.
Mentre la turbosoffiante ha per esempio un'efficienza eccellente in termini di progettazione, il soffiatore a lobi può essere utilizzato con buoni livelli di efficienza in un ampio range di carico parziale. Se si sfruttano i vantaggi di entrambe le tecnologie, si crea un programma di aerazione che può essere perfettamente adattato ai requisiti specifici dell'impianto di depurazione e che rappresenta la migliore soluzione possibile per il cliente.
Per questo motivo, AERZEN ha sviluppato un programma composito che permette una fornitura di ossigeno su misura e altamente efficiente in qualsiasi momento. La gamma di tre prodotti, nota anche con il nome accattivante di "Performance³", permette agli operatori degli impianti di depurazione di combinare la migliore efficienza possibile con il massimo livello di sicurezza operativa, affidabilità ed economia.
Le tre serie sono state progettate appositamente per fornire ossigeno in funzione della domanda sia a carico medio che in caso di picchi di carico o a basso carico. Le serie di turbosoffianti AT e TB sono caratterizzate da un'efficienza eccezionale in termini di progettazione e sono quindi utilizzate principalmente nel range di carico medio. Per generare picchi di carico e carichi bassi, AERZEN utilizza i soffiatori a lobi regolabili della serie Delta Blower e i compressori ibridi del tipo Delta Hybrid.
I dati tecnici del portafoglio Performance³ in sintesi:
| Tecnologia | Serie | Portata | Range di pressione | Range di controllo Turbosoffiante | AT e TB | 300 – 16.200 m³/h | 400 – 1.000 mbar | 40 – 100% Soffiatore a lobi | Delta Blower | 30 – 15.000 m³/h | -500 – 1.000 mbar | 25 – 100% Compressore ibrido | Delta Hybrid | 110 – 9.000 m³/h | -900 – 1.500 mbar | 25 – 100% |
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Creare una vasca di depurazione efficiente, passo per passo
Per poter valutare su basi solide il potenziale di miglioramento energetico della tecnologia di aerazione nelle vasche di depurazione, è necessario innanzitutto effettuare un'analisi dettagliata della tecnologia di aerazione esistente e del profilo di carico. Misure e analisi approfondite permettono di identificare e quantificare il potenziale delle misure di modernizzazione energetica. Grazie all'innovativo servizio AERaudit di AERZEN è possibile ottimizzare l'utilizzo e l'efficienza delle stazioni di soffiaggio in modo mirato.
Dopo questa fase di analisi, viene implementato il concetto di ventilazione con l'aiuto di un sistema di controllo di livello superiore. Sistemi come l'innovativo sistema di controllo delle macchine AERsmart di AERZEN sono in grado di distribuire in modo ideale i volumi d'aria tra le tecnologie e i singoli livelli di efficienza, aumentando così in modo durevole l'efficienza dell'impianto e portandola a valori prossimi a quelli teorici ottimali. Ottimizzando semplicemente il sistema di controllo è possibile realizzare un notevole potenziale di risparmio, fino al 15%. Oltre alla serie proprietaria Performance³, è possibile controllare anche prodotti di terzi.
La caratteristica unica del sistema di controlli interconnessi AERsmart è la capacità di distribuire in qualsiasi momento ai macchinari la quantità di ossigeno richiesta, in modo tale che ogni punto di carico possa essere azionato al punto operativo più efficiente. Il controller utilizza le rispettive mappe caratteristiche e i livelli di efficienza dei soffiatori e seleziona la combinazione di tecnologie di soffiaggio più adatta al punto operativo attuale.
Trattamento delle acque reflue basato sul risparmio delle risorse seguendo l'esempio di Holzkirchen
L'esempio dell'impianto di depurazione di Holzkirchen dimostra in modo straordinario come sia possibile effettuare un trattamento completo delle acque reflue anche nel rispetto dell'ambiente e delle risorse. L'impianto di depurazione vicino a Monaco di Baviera è responsabile di circa 50.000 AE e consuma circa 500.000 kWh di elettricità ogni anno. Grazie all'integrazione del sistema di controllo integrato AERsmart, l'impianto di depurazione di Holzkirchen è riuscito a sfruttare al meglio i vantaggi delle varie tecnologie di soffiaggio. Il risultato: un risparmio energetico del 10% circa e una riduzione del fabbisogno annuo di elettricità di circa 50.000 kWh.
