Verifica dei processi biologici degli impianti di depurazione delle acque di Lecco e Valmadrera e proposte di bilanciamento dei carichi in ingresso

This work of thesis is part of a rationalization study regarding the collection and purification system of the province of Lecco that the waterboard Lario Reti Holding, has entrusted to the Politecnico di Milano. The thesis work consisted in evaluating the possibility of balancing wastewater flows between the Lecco plant (currently overloaded) and the Valmadrera Rio Torto plant (at present oversized). Mathematical modelling of the bioprocesses was used for simulating the functioning of the biological processes of the two wastewater treatment plants (WWTPs) of Lecco and Valmadrera. The models were calibrated against average daily values of the outgoing concentrations available from the Si.Re.Acque database, which reports only one per week. In particular, the most severe conditions for the WWTPs (e.g. high inlet nitrogen loads and winter temperatures) were tested for the verification step by using data of the winter period. The limited data availability oriented the verification towards steady state modelling. Twofold approach was used: (i) a spreadsheet mass balance according to "Wastewater Engineering" manual guidelines (Metcalf & Eddy, 5th edition); (ii) a final verification step using a more detailed kinetic modelling approach by means of EnviroSim's BioWin® software. The results obtained by the two methods are consistent and the methodology shows the potential for applicability to other similar cases in the future. To date, the Lecco plant serves about 50.000 population equivalents (PE). During winter conditions, with elevated incoming nitrogen loads and low temperatures (12°C), effluent concentrations exceeded discharge limits (Regional Regulation of 29 March 2019 n. 6). Simulations were calibrated so that both summer and winter simulated effluent concentrations with a standard deviation lower than 20%.. The analysis of the Valmadrera plant showed that the biological process does not use all its potential. The input load is much lower than the maximum design value corresponding to the present configuration (65 000 PE). Furthermore, the planned upgrade of the plant to convert the conventional activated sludge process to a Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) process, would bring the maximum design load up to 99,000 AE. The calibrated models successfully simulated effluent concentrations matching the actual average effluent concentration values in winter conditions (12 ° C), with total nitrogen lower than 6 mgN/L, with ammonia nitrogen lower than 1 mg/L. Finally, the feasibility of conveying part of the flow entering the Lecco plant to the Valmadrera plant was verified. The simulation results showed that the WWTP of Lecco has the ability to comply with the regulatory discharge limits during maximum winter load conditions only if 20% of the incoming load would be directed to the Valmadrera plant. On the other hand, the WWTP of Valmadrera could absorb this extra load, maintaining excellent treatment performances, although higher energy consumption and higher sludge production would be an obvious consequence. However, with the great advantage of a better and more efficient use of the present technological resources and a more effective treatment of the waste water of the area.

Il lavoro di tesi si colloca nell'ambito di uno studio di razionalizzazione del sistema di collettamento e depurazione della provincia di Lecco che l’azienda che gestisce il servizio idrico, Lario Reti Holding, ha affidato al Politecnico di Milano. Il lavoro di tesi è consistito nel valutare la possibilità di bilanciamento dei carichi tra l’impianto di Lecco (sovraccaricato) e quello di Valmadrera Rio Torto, sovradimensionato per gli scarichi ad esso oggi afferenti. E’ stato quindi sviluppato un modello che simuli il funzionamento del processo biologico dei due impianti di depurazione di Lecco e Valmadrera, calibrandolo sui valori medi giornalieri delle concentrazioni in uscita disponibili dalla banca dati Si.Re.Acque, che ne riporta solo uno per settimana. Sono stati analizzati, in particolare, i dati del periodo invernale, in cui si verificano le condizioni più gravose per l’impianto, ossia carichi di azoto in ingresso elevati e temperature invernali. La mancanza d’informazioni sulle dinamiche giornaliere dei carichi in ingresso ha orientato la verifica su simulazioni allo stato stazionario, cercando soluzioni che simulassero i valori medi di concentrazione in uscita, con i dati medi in ingresso disponibili. Si è proceduto utilizzando due metodi di verifica. Il primo, basato più strettamente su di un bilancio di materia costruito con fogli di calcolo utilizzando criteri e cinetiche desunti dal manuale "Wastewater Engineering" (Metcalf&Eddy, 5a edizione). Il secondo metodo ha utilizzato modelli descrittivi dei processi biologici più complessi per validare il precedente punto, utilizzando il software BioWin® di EnviroSim. I risultati ottenuti attraverso i due metodi sono coerenti tra loro ed hanno evidenziato limiti e possibilità di adeguamento. Inoltre, la metodologia mostra una promettente applicabilità anche ad altri impianti in cui si necessita una ripartizione efficiente delle potenzialità di trattamento. L’impianto di Lecco serve oggi circa 50.000 abitanti equivalenti (AE). Dalle analisi dei dati disponibili è emerso che, in condizioni invernali, con elevati carichi di azoto in ingresso, il limite massimo di azoto in uscita supera il valore massimo consentito sulla base del Regolamento Regionale del 29 marzo 2019 n. 6. Il valore in uscita ha raggiunto valori superiori al limite normativo di 15 mgN/L, di cui al massimo 3 mg/L di azoto ammoniacale (NH4-N). Le simulazioni sono state calibrate in modo che le concentrazioni simulate dell’effluente, sia estive che invernali, fossero prossime ai valori misurati effettivi con uno scarto quadratico medio inferiore al 20%. Dall’analisi dello stato attuale dell’impianto di Valmadrera si è verificato l’effettivo sovradimensionamento del depuratore rispetto all’attuale portata da trattare. Il carico in ingresso è infatti sensibilmente inferiore a quello nominale di progetto nella configurazione attuale (65.000 AE). Anche senza il potenziamento previsto per l’impianto con processo MBBR, che porterebbe il carico trattabile a 99.000 AE, è possibile incrementare sensibilmente il carico in arrivo sfruttando le potenzialità attualmente disponibili. Il calcolo di verifica ha consentito di calibrare le procedure confermando una concentrazione media di azoto totale in uscita in condizioni invernali (12°C) inferiore a 6 mg/L, con NH4-N inferiore a 1 mg/L. Si è quindi verificata la fattibilità di convogliare parte della portata in ingresso all'impianto Lecco verso l’impianto di Valmadrera. Le simulazioni hanno dimostrato che, se si riducesse il carico in ingresso del 20%, l'impianto di trattamento delle acque reflue di Lecco sarebbe in grado di rispettare con sicurezza i limiti di legge allo scarico anche in condizioni di massimo carico invernale (T = 12°C). L'impianto di trattamento delle acque reflue di Valmadrera potrebbe assorbire questo carico aggiuntivo mantenendo eccellenti prestazioni di trattamento. Ovviamente tale cambiamento risulterebbe in un maggior consumo di energia e produzione di fanghi presso l’impianto di Valmadrera, ma con il grande vantaggio di un miglior e più efficiente utilizzo delle risorse tecnologiche presenti ed un più efficace trattamento delle acque reflue dell’area.