Analisi dei processi biologici per la gestione, il controllo e l'automazione degli impianti di depurazione acque reflue

Wastewater treatment plants are complex systems, where a large amount of information should be known to prevent failures and keep the plant running regularly. Some variables and parameters in wastewater treatment plants (WWTPs) may be conveniently monitored to gather information that helps in monitoring and controlling the bioprocess that occur in the plant. Up to recent years, automation has been considered costly in WWTP design, and it has been often neglected in the initial design of these plants. However, an adequate use of ICA (Instruments, Control and Automation) can make a plant run consistently and economically. Although process control in SBR plants has been widely studied and implemented based on simple and roust indirect signals such as pH, ORP and DO, the same does not apply for CAS (Conventional Activated Sludge) plants. The aim of this research is to study the indirect signals (pH and ORP) and biological process performance in continuous-flow activated-sludge plants in order to verify how these signals can be used to monitor and control the biological processes. Especially this research has evaluated the effects of the implementation of an efficiency control strategy for the aeration system in the nitrification tank (cascade control for dissolved oxygen-ammonia nitrogen). It also studied the feasibility of control strategies implementation based on indirect signals (pH, ORP) for the pre-denitrification tank in conventional activated sludge plant. The research activities have been carried out on two conventional activated sludge pilot plants based on Ludzack-Ettinger modified scheme (predenitrification-nitrifcation with internal recycle). One of them, the lab-scale, was fed with a synthetic feed and the other one, the pilot scale, installed on Trebbo di Reno (BO) was fed with the real incoming influent. This study indicates that there is the possibility to achieve important information about the denitrification process by monitoring pH and ORP in the anoxic tank. In particular ORP characterizes typical operational conditions (e.g.: excess carbon and lack of nitrate, or vice versa, or, finally, a balanced ratio of the two), while pH trend indicates possible transitions between two different conditions (e.g. due to variable influent COD/N ratios) and the Pearson’s coefficient shall be used to monitoring the transition.

Gli impianti di trattamento acque reflue (WWTP, Waste Water Treatment Plant) sono sistemi non lineari, spesso soggetti grandi a perturbazioni in termini di portata e di carico, e risentono dell’incertezza legata alla composizione del refluo in ingresso e delle variazioni giornaliere e stagionali delle condizioni ambientali. Nonostante questo, devono lavorare in continuo, soddisfacendo regolamentazioni sempre più stringenti. Fino a qualche anno fa l’automazione per gli impianti di depurazione è stata considerata costosa e sono stati spesso trascurati nella fase di progettazione. Tuttavia un adeguato utilizzo degli strumenti offerti dal controllo automatico basato su segnali acquisiti dalle vasche di trattamento (ICA, Instrumentation Control and Automation) può diventare una risorsa economicamente vantaggiosa. I sistemi di controllo richiedono misure affidabili e precise per implementare politiche di controllo efficaci ed adeguate, quali una strumentazione dedicata, oltre che sensori per nutrienti on-line e in-situ. Per impianti di piccole dimensioni (<50.000A.E) il costo dela strumentazione del sistema di controllo può comportare un rapporto costi/benefici sfavorevole. Lo scopo di questa attività di ricerca è stata ala definizione di una relazione tra i segnali indiretti (pH e ORP) ed i processi biologici negli impianti di depurazione a fanghi attivi a flusso continuo, al fine di verificare se ed in che modo questi segnali possano essere utilizzati per monitorare e controllare i processi in modo economicamente sostenibile. L’attività di ricerca nasce da una collaborazione tra il Politecnico di Milano, l’ENEA di Bologna e di HERA S.p.A, nell’ambito di un progetto avente come obiettivo l’automazione ed il controllo di impianti di depurazione a fanghi attivi. In particolare lo studio ha valutato gli effetti di una efficiente strategia di controllo dell’aerazione per la vasca di nitrificazione (controllo a cascata ossigeno disciolto – azoto ammoniacale) e la fattibilità di attuare il controllo del processo biologico di denitrificazione in reattori a flusso continuo mediante l’elaborazione dei segnali indiretti. Le attività sono state svolte su due impianti pilota a flusso continuo con schema Ludzack-Ettinger modificato (MLE, predenitrificazione-nitrificazione con ricircolo interno), uno a scala di laboratorio installato presso i laboratori dell’ENEA alimentato con refluo sintetico e l’altro in scala pilota, installato presso l’impianto reale di Trebbo di Reno (BO), alimentato con refluo reale. I risultati di questa ricerca indicano che è possibile acquisire informazioni importanti sul processo di denitrificazione mediante il monitoraggio dei segnali pH e ORP in vasca anossica. In particolare il segnale ORP identifica delle specifiche condizioni operative (es. eccesso di carbonio e carenza di nitrati e viceversa, o l’equilibrio dei due); mentre l’andamento del pH indica la possibile transizione tra due differenti condizioni e il coefficiente di Pearson può essere utilizzato nel monitoraggio della transizione.