Come ridurre i costi energetici per un sistema di aerazione delle acque reflue

By: Tom Frankel
Post Date: Agosto 21st 2023

Sommario

1. COME RIDURRE I COSTI ENERGETICI PER UN IMPIANTO DI AERAZIONE
2. PERCHÉ L’AREAZIONE È IMPORTANTE PER IL TRATTAMENTO DELLE ACQUE REFLUE?
3. COME AUMENTARE L’EFFICIENZA DEL SISTEMA DI AERAZIONE
4. SCEGLI I DIFFUSORI GIUSTI
5. COME AUMENTARE L’OSSIGENO DISCIOLTO NELLE ACQUE REFLUE
6. QUALI SONO I TIPI DI SISTEMI DI MONITORAGGIO DELLE ACQUE REFLUE?
7. TIPOLOGIE DI AERATORI NEL TRATTAMENTO DELLE ACQUE REFLUE
8. QUAL È IL MIGLIOR SISTEMA DI AERAZIONE DELLE ACQUE REFLUE?

La maggior parte degli impianti di trattamento delle acque reflue sono operazioni enormi e complesse, che trattano un milione di litri o più al giorno. Tutto quel lavoro si traduce in un elevato consumo energetico. L’energia necessaria per far funzionare gli impianti di trattamento delle acque reflue negli Stati Uniti ammonta a 100 miliardi di kWh all’anno, ovvero il 3% del consumo energetico annuo in tutti gli Stati Uniti. Questo elevato consumo energetico costa 7,5 miliardi di dollari all’anno.

I costi energetici degli impianti di trattamento delle acque reflue sono aumentati negli ultimi due decenni. Nel 1996, la spesa energetica annuale era di 75 miliardi di kWh all’anno, mentre ora arriva a 100 miliardi di kWh all’anno. L’aumento si è verificato per diversi motivi, tra cui requisiti più severi per gli effluenti, una migliore rimozione di alcuni nutrienti, un migliore trattamento dei biosolidi, sistemi di raccolta delle acque reflue obsoleti e inefficienti e tariffe elettriche più elevate.

L’aerazione è uno degli strumenti primari per il trattamento delle acque reflue, in particolare la fase di trattamento secondario. L’aerazione ei suoi sistemi elettrici consumano dal 25 al 60% dell’energia di un impianto. La domanda può variare notevolmente da impianto a impianto a seconda delle circostanze specifiche del sito. In un impianto di grandi dimensioni o con elevate esigenze di miscelazione, banchi di soffianti di molti aeratori di superficie assorbono molti kilowatt all’ora di consumo di elettricità.

L’elevato costo monetario e ambientale dell’energia elettrica significa che la riduzione dei costi è una considerazione prioritaria per la progettazione e il funzionamento di un sistema di aerazione diffusa.

Come ridurre il costo energetico di un sistema di aerazione

Il modo migliore per ridurre i costi energetici di un sistema di aerazione è aumentare l’efficienza del sistema.

Le piante possono aumentare l’efficienza di un sistema di aerazione e ridurre i costi del sistema di aerazione in diversi modi. Possono modificare o aggiornare il tipo di attrezzatura che utilizzano. Possono personalizzare i propri sistemi di aerazione in modo da calibrarli con precisione in base alle dimensioni dell’impianto e agli obiettivi di trattamento. Possono utilizzare sistemi di monitoraggio per ottenere informazioni di sistema in tempo reale con un semplice clic del mouse e prendere decisioni informate sulla manutenzione regolare o affrontare problemi emergenti.

Descriveremo alcune soluzioni di riduzione energetica in modo più dettagliato di seguito.

Perché l’aerazione nel trattamento delle acque reflue è importante?

Nel trattamento primario e soprattutto secondario delle acque reflue, è comune utilizzare l’aerazione come metodo per rimuovere la materia organica. L’aerazione fa sì che l’ossigeno si mescoli con le acque reflue e faciliti il lavoro dei batteri aerobici nell’abbattimento dei rifiuti organici. Poiché è rapido ed efficiente e causa odori minimi, l’aerazione è la tecnologia preferita di oggi e del futuro per gli impianti di trattamento delle acque reflue.

In un impianto di trattamento delle acque reflue di aerazione, i microbi aerobici utilizzano l’ossigeno per abbattere i rifiuti organici contenenti carbonio in anidride carbonica e acqua. Senza ossigeno, i rifiuti si decompongono molto più lentamente. Produce anche metano e idrogeno solforato, che emanano odori forti e sgradevoli.

Gli impianti possono utilizzare l’aerazione in tutti i punti del processo di trattamento delle acque reflue, dall’equalizzazione e dalla camera di sabbiatura alla post-aerazione. È più comune, tuttavia, utilizzare l’aerazione durante il trattamento secondario, specialmente nel processo a fanghi attivi. Durante il processo a fanghi attivi, l’aria viene pompata nel serbatoio delle acque reflue. Dopo che i batteri aerobici crescono e digeriscono il materiale organico, questo si deposita e viene incubato in una vasca di decantazione dove i batteri continuano a svolgere il loro lavoro. Il fango attivo risultante, pieno di batteri, ritorna quindi nella vasca di aerazione per aumentare la velocità di aerazione e renderla più efficiente.

Come forma di trattamento delle acque reflue, l’aerazione è economica e rapida. Richiede un’adeguata fornitura di ossigeno, la corretta distribuzione dell’ossigeno e attrezzature sofisticate e durevoli per massimizzare la capacità di miscelazione e l’efficienza di trasferimento dell’ossigeno (OTE).

Come aumentare l’efficienza del sistema di aerazione

Le piante possono massimizzare l’efficienza dei loro sistemi di aerazione utilizzando uno o una combinazione di questi metodi:

Installa diffusori a bolle fini

Installare diffusori a bolle fini piuttosto che diffusori a bolle grosse o diffusori meccanici. Le membrane dei diffusori a bolle fini contengono fori più piccoli, tipicamente da 1 a 3 mm di diametro, e quindi una maggiore densità di fori per diffusore. Le bolle piccole salgono più lentamente di quelle più grandi, ottimizzando il tempo di ritenzione delle bolle e consentendo il trasferimento di più ossigeno per volume d’aria fornito. Molte piccole bolle forniscono anche una superficie molto maggiore rispetto a poche bolle più grandi. Questa maggiore superficie porta anche a un migliore trasferimento di ossigeno. L’utilizzo di diffusori a bolle fini può ridurre il consumo di energia fino al 75%, anche se i risparmi dal 30 al 40% sono più comuni.

Prendi in considerazione un sistema di aerazione ad alta densità/basso flusso

Esistono diffusori a membrana progettati per funzionare a portate d’aria molto basse. Il vantaggio di utilizzare questo tipo di sistema di aerazione include un OTE molto elevato e una distribuzione uniforme dell’ossigeno in tutto il serbatoio. Lo svantaggio principale è l’elevato costo del capitale. SSI ha lavorato per ridurre il costo del capitale; dai un’occhiata ai nostri modelli ECD215a e ECT70.

Utilizzare un sistema di aerazione di dimensioni adeguate

Il corretto dimensionamento è importante nella progettazione di efficienti aeratori di superficie per il trattamento delle acque reflue. L’uso di più diffusori distribuisce l’ossigeno in modo più uniforme in tutto il serbatoio e porta a una maggiore efficienza. L’utilizzo di un minor numero di diffusori comporta una riduzione dell’efficienza e costi più elevati.

Azionare soffianti di dimensioni corrette

I ventilatori di un sistema di aerazione devono essere sufficientemente grandi in modo che il sistema possa funzionare a piena potenza senza danneggiare i diffusori. In modo ottimale il sistema dovrebbe avere un rapporto di turndown minimo di 5:1. Per aumentare il turndown, un impianto può sostituire una soffiante più grande con una o più soffianti più piccole, utilizzare azionamenti a frequenza variabile (VFD) o utilizzare la regolazione dell’ingresso per alterare il flusso d’aria delle soffianti esistenti. La città di Waukesha, nel Wisconsin, ad esempio, ha ridotto il proprio consumo energetico di 1.000.000 kWh/anno passando a soffianti più piccoli. Il cambiamento ha portato a una riduzione del 9% del consumo energetico ea un risparmio annuo sui costi energetici di $ 65.000.

Scegli i Diffusori Corretti

Il tipo di materiale necessario varierà con la pressione dell’aria, il volume delle acque reflue e la composizione delle acque reflue. Le acque reflue che contengono un’alta concentrazione di biosolidi o determinate sostanze chimiche necessitano di diffusori più resistenti. Alcune acque reflue richiedono anche diffusori con uno speciale rivestimento come il PTFE di SSI per resistere alle incrostazioni e prolungare la durata delle membrane.

Prevenire le incrostazioni

Pulire periodicamente o lavare a pressione i diffusori oppure pulire i diffusori flessibili aumentando temporaneamente il flusso d’aria nel sistema. L’aumento temporaneo del flusso d’aria rimuove i depositi dai pori e aiuta i diffusori a continuare a essere flessibili.

Prendi in considerazione i sistemi supplementari di aumento dell’ossigeno

Questi iniettano ossigeno diretto direttamente nell’acqua invece di pompare grandi volumi d’aria. Poiché l’aria contiene solo circa il 21% di ossigeno, i sistemi booster di ossigeno sono cinque volte più efficienti dei processi di aerazione standard. Use the boosters during high-volume times, for waste with a lot of solids or pollutants in it, or for a slowly increasing load. Aiutano a ottimizzare il trasferimento di ossigeno, hanno poche parti mobili e non richiedono molta manutenzione.

Utilizzare la corretta configurazione del diffusore

È importante distribuire l’ossigeno dove sarà più efficace in tutta la colonna d’acqua. Una configurazione efficace comune è una configurazione affusolata che posiziona più diffusori all’imboccatura del bacino dove il carico organico è più alto e meno diffusori lungo la lunghezza del bacino dove la richiesta di ossigeno è minore. L’ossigeno distribuito con precisione porta a una maggiore efficienza.

Prova l’aerazione intermittente

Per alcune strutture, l’aerazione intermittente è una possibilità. Risparmia energia e costi, sebbene non sia fattibile per gli impianti che operano vicino alla capacità. Gli impianti devono considerare la potenziale sedimentazione dei solidi quando decidono se e per quanto tempo disattivare l’aerazione. Per alcune strutture, tuttavia, potrebbe essere un’opzione praticabile.

Evitare l’aerazione eccessiva

Troppa aerazione aumenta l’ossigeno disciolto (DO). Sebbene l’ossigeno disciolto nelle acque reflue sia fondamentale per un’aerazione efficace, i livelli di DO vicini alla saturazione abbassano l’OTE e contribuiscono a una scarsa sedimentazione dei fanghi.

Investi in turbo soffianti ad alta velocità

Questi soffiatori gearless funzionano a velocità più elevate e richiedono meno energia rispetto ai soffiatori standard. I turbo soffianti con cuscinetti ad aria creano una pellicola d’aria tra l’albero e i cuscinetti per un funzionamento quasi privo di attrito. I turbo soffianti con cuscinetti magnetici contengono un albero controllato magneticamente per ridurre l’attrito. Questi sono entrambi dal 10 al 20% più efficienti rispetto ai soffiatori standard.

Usa sistemi di monitoraggio

I sistemi di monitoraggio sono fondamentali per tenere d’occhio i sistemi di trattamento delle acque reflue, assicurandosi che funzionino in modo efficace e individuando potenziali problemi prima che si trasformino in problemi più grandi. Consentono ai gestori e al personale dell’impianto di effettuare meno ispezioni fisiche, invece di controllare elettronicamente i sistemi. Sapere come calcolare l’efficienza dell’aeratore in base all’OTE e alle informazioni sulla potenza in uscita ottenute dai sistemi di monitoraggio aiuta a mantenere l’impianto al massimo livello.

Come aumentare l’ossigeno disciolto nelle acque reflue

Per aumentare il DO nelle acque reflue e consentire un’aerazione più efficiente, è utile affrontare i seguenti fattori:

• Migliore miscelazione: sebbene l’aerazione a bolle fini sia eccezionalmente efficiente ed economica, uno svantaggio dei diffusori a bolle fini è che le bolle più piccole forniscono una miscelazione meno efficace rispetto ai diffusori a bolle grossolane o all’aerazione meccanica. Se la miscelazione potente e le alte concentrazioni di DO sono una priorità assoluta, l’aerazione a bolle fini da sola potrebbe non rivelarsi sufficiente.
• Utilizzare diffusori a bolle grossolane o aerazione superficiale meccanica: l’aerazione a bolle grossolane consente una miscelazione sostanziale. Le bolle più grandi prodotte dai diffusori a bolle grosse hanno più volume, spostano più liquido di scarto e di conseguenza forniscono una maggiore potenza di miscelazione. I biosolidi sono tenuti in sospensione ed è meno probabile che formino fanghi indesiderati. L’efficace miscelazione dei diffusori a bolle grossolane facilita la scomposizione dei rifiuti organici grazie alla sua potente combinazione di ossigeno, batteri e materiale di scarto. Gli aeratori di superficie agitano le acque reflue per una miscelazione ad alta potenza. Questi metodi possono essere combinati con un’aerazione a bolle fini più efficiente.
• Aumento dell’OTR: l’aumento della velocità di trasferimento dell’ossigeno (OTR) aumenta la concentrazione di ossigeno disciolto nella colonna d’acqua. Investi in membrane con rivestimento in PTFE o fEPDM per respingere la formazione di fanghi e depositi, ridurre al minimo le incrostazioni e mantenere i diffusori funzionanti in modo efficace per un migliore trasferimento e concentrazione di ossigeno.

Sistemi di monitoraggio dell’efficienza

I gestori degli impianti possono monitorare l’efficienza dei loro impianti di trattamento delle acque reflue utilizzando alcuni strumenti gratuiti:

• Il gestore del portafoglio ENERGY STAR dell’EPA: questo strumento consente agli utenti di monitorare il consumo di energia e confrontarlo con il consumo energetico e l’efficienza di impianti di dimensioni simili. Può aiutare a individuare le aree problematiche ad alto consumo energetico.
• MotorMaster+: questo sistema aiuta a gestire motori e soffianti. Gli utenti possono gestire l’inventario, registrare la manutenzione, tenere traccia del consumo energetico e valutare l’efficienza.
• Strumento di valutazione del sistema di pompaggio (PSAT) del Dipartimento dell’energia: questo strumento DOE aiuta i gestori degli impianti a determinare l’efficienza dei sistemi di pompaggio esistenti. Può anche aiutare a capire quali potenziali aggiornamenti fornirebbero in termini di risparmio energetico e sui costi. [EPA 20]

Quali sono i tipi di sistemi di monitoraggio delle acque reflue?

Gli impianti di trattamento delle acque reflue possono monitorare le operazioni della loro struttura utilizzando questi sofisticati sistemi:

Telemetria

I sistemi di telemetria implicano il trasferimento di dati wireless via radio o talvolta reti di computer. Gli operatori dell’impianto possono monitorare l’impianto di trattamento delle acque reflue da qualsiasi luogo, in qualsiasi momento, purché dispongano di accesso a Internet. Possono programmare la manutenzione, tenere d’occhio eventuali sviluppi e osservare i punti problematici prima che si trasformino in grossi problemi. I sistemi di telemetria remota monitorano la temperatura, le vibrazioni, l’umidità, il ribaltamento dei tubi e la pressione. Gli operatori possono utilizzare le telecamere per vedere all’interno delle griglie e tracciare i modelli di bolle superficiali. Il dashboard online di facile utilizzo semplifica la ricerca di problemi e la pianificazione della manutenzione.

Controllo di supervisione e acquisizione dati (SCADA)

Il software SCADA è un’architettura di sistema di controllo che utilizza computer e dati di rete per operazioni di monitoraggio e supervisione di alto livello. Le unità terminali remote (RTU) utilizzano un sistema di telemetria per consentire ai sistemi di monitoraggio fisico dell’impianto di comunicare con la rete di computer. I controllori logici programmabili (PLC) possono essere impostati nell’impianto per controllare una determinata variabile, come il flusso d’aria. Gli operatori possono utilizzare il sistema SCADA per modificare i set point. Il sistema SCADA utilizza display diagnostici di facile utilizzo per mostrare e registrare i dati del sistema e attivare gli allarmi se necessario.

Tipi di aeratori nel trattamento delle acque reflue

Quali sono i tipi di sistemi di aerazione delle acque reflue? Sono disponibili alcune diverse opzioni di aeratore. Quali vengono utilizzati da una pianta dipenderà dai suoi specifici obiettivi di trattamento.

Aeratori Meccanici/di Superficie

Gli aeratori meccanici di superficie agitano le acque reflue e producono spruzzi di goccioline appena sopra la superficie delle acque reflue. Questa azione di agitazione crea un’ampia superficie per il trasferimento dell’ossigeno dall’aria attraverso le goccioline liquide. L’aerazione si verifica anche quando l’attrezzatura meccanica aspira l’ossigeno nelle acque reflue. Il livello più alto di ossigeno disciolto è più vicino alla superficie e all’attrezzatura di aerazione. Soprattutto nei modelli più vecchi, l’attrezzatura di aerazione esegue anche la miscelazione. Questi aeratori sono più facili da installare sulle acque reflue e possono essere installati come una singola unità.

Non sono adatti per serbatoi profondi poiché l’ossigeno agitato in superficie non può raggiungere il fondo di serbatoi profondi. Hanno anche una minore efficienza di aerazione. Consentono la formazione di aerosol maleodoranti nella parte superiore del liquido, possono gelare alle basse temperature e le loro parti meccaniche rotanti richiedono un’elevata manutenzione.

Aeratori a bolle fini

I vantaggi degli aeratori a bolle fini includono fino al doppio dell’efficienza dell’aerazione meccanica, una maggiore capacità di miscelazione rispetto all’aerazione superficiale, un elevato trasferimento di ossigeno, un basso odore perché non ci sono attrezzature che agitano in superficie e bassa manutenzione. Hanno un costo di installazione più elevato rispetto agli aeratori di superficie a causa della complessità del sistema, ma comportano minori costi di manutenzione. Poiché sono sommersi, non si ghiacciano a basse temperature. Contribuiscono a un ambiente di lavoro più sicuro perché le squadre di manutenzione non devono lavorare sopra l’acqua. I diffusori a bolle fini sono disponibili in una gamma di diametri.

Aeratori a bolle ultra fini

Questi aeratori, le cui bolle sono tipicamente comprese tra 0,2 e 1 mm, forniscono un’efficienza eccellente. Con questi modelli, tuttavia, vi è preoccupazione per la bassa velocità delle bolle e la miscelazione inadeguata.

Aeratori a bolle grossolane

Le bolle più grandi prodotte da questi aeratori forniscono un’efficienza inferiore rispetto agli aeratori a bolle fini. Forniscono una miscelazione superiore, tuttavia, e sono più adatti per serbatoi profondi rispetto agli aeratori a bolle fini a causa del loro potere di miscelazione.

Qual è il miglior sistema di aerazione delle acque reflue?

L’aerazione diffusa offre la migliore efficienza, combinando prodotti di alta qualità con lunga durata e prezzi accessibili. Il design del prodotto tecnologicamente avanzato offre un valore ottimale e l’elevata durata significa che i diffusori continueranno a funzionare come nuovi, fornendo un trasferimento di ossigeno ottimale. I sistemi di aerazione diffusa sono progettati per supportare i sistemi municipali e industriali in tutto il mondo.

Membrane incapsulate sigillate con protettivi all’avanguardia come il rivestimento brevettato in PTFE o la fluorurazione a gas aiutano le membrane del diffusore a sporcarsi e durano più a lungo. Molte piante si accontentano di 5-7 anni di vita della membrana, ma è possibile ottenere 10 anni o più. SSI controlla ogni membrana per una profondità di perforazione uniforme per garantire bolle uniformi e fornisce una gamma di opzioni di rivestimento brevettate come rivestimento in PTFE, EPDM antistatico e fEPDM.

Riduci i costi energetici dell’impianto di trattamento con l’aerazione SSI

SSI Aeration offre diffusori a disco e diffusori a tubo per una varietà di usi municipali e industriali. Alcuni dei numerosi vantaggi dell’utilizzo dei diffusori SSI includono quanto segue:

• Tecnologia e qualità all’avanguardia. Questi si traducono in alta efficienza, bassi costi di manutenzione e lunga durata, il che significa che gli impianti di trattamento delle acque reflue possono soddisfare facilmente i requisiti degli effluenti.
• La massima efficienza di trasferimento dell’ossigeno possibile con una perdita di carico con cui puoi convivere.
• Tubazioni più spesse del 38% rispetto alla concorrenza per la massima durata.
• Installazione rapida e semplice con sella, occhiello o supporto “Snappy Saddle” per una persona per una giornata di lavoro più facile.
• L’opzione per il design a stampo singolo, che consente un prezzo inferiore per diffusore.
• Abbastanza plastificante per evitare lo scorrimento, ma non così tanto da far fuoriuscire il plastificante e causare restringimento e indurimento.
• Un esperto dipartimento di progettazione e ingegneria con capacità 3D, CAD e animazione. I membri del personale sono pronti ad aiutare gli operatori dell’impianto con la progettazione, l’installazione e l’assistenza.
• Sistemi di spurgo dell’umidità per rimuovere la condensa dal sistema di tubazioni. La rimozione della condensa aiuta a garantire una distribuzione uniforme dell’aria a tutti i diffusori della griglia.
• L’opzione per installare un intero sistema di diffusori a disco in modo rapido e semplice come un unico pod.
• Sistemi di monitoraggio della pressione opzionali per aiutare a determinare i tempi di pulizia ottimali e semplificare la manutenzione.
• Sistemi di dosaggio dell’acido opzionali, utili per alcuni tipi di sistemi di acque reflue soggetti a forti incrostazioni. Aiutano a rimuovere l’accumulo all’interno dei pori della membrana in modo che le membrane continuino a funzionare in modo efficace.
• Sistemi di aerazione recuperabili opzionali che le piante possono installare e pulire senza dover svuotare l’intero serbatoio.

Contatta SSI Aeration oggi stesso

I team leader del settore di SSI sono pronti ad assistervi per aumentare l’efficienza del vostro impianto di trattamento delle acque reflue e ridurre i costi energetici e monetari. Contattaci oggi stesso.

Tom Frankel

Mr. Frankel co-founded SSI in 1995 with experience in design and distribution of engineered systems. He is in charge of sales, marketing and operations in the company. Mr. Frankel holds multiple US patents related to diffusers. He is a graduate of Washington University in St. Louis.