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

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La maggior parte degli impianti di trattamento delle acque reflue sono operazioni enormi e complesse, che trattano un milione di galloni o più al giorno. Tutto questo lavoro si traduce in un elevato consumo energetico. L'energia necessaria per il funzionamento degli impianti di trattamento delle acque reflue negli Stati Uniti ammonta a 100 miliardi di kWh all'anno, pari al 3% dell'utilizzo annuale di energia elettrica negli interi Stati Uniti. L'elevato consumo di energia 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 annua per l'energia elettrica era di 75 miliardi di kWh all'anno, mentre ora è di 100 miliardi di kWh all'anno. L'aumento è dovuto a diverse ragioni, tra cui requisiti più severi per gli effluenti, una maggiore rimozione di alcuni nutrienti, un migliore trattamento dei biosolidi, l'invecchiamento e l'inefficienza dei sistemi di raccolta delle acque reflue e l'aumento delle tariffe elettriche.

L'aerazione è uno degli strumenti principali per il trattamento delle acque reflue, soprattutto nella fase di trattamento secondario. L'aerazione e i relativi 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 requisiti di miscelazione elevati, i gruppi di soffianti di molti aeratori di superficie consumano molti kilowatt all'ora di elettricità.

L'elevato costo monetario e ambientale dell'energia elettrica fa sì che la riduzione dei costi sia una considerazione prioritaria per la progettazione e la gestione di un sistema di aerazione diffusa.

Come ridurre i costi energetici di un sistema di aerazione

Il modo migliore per ridurre i costi energetici di un sistema di aerazione è aumentarne l'efficienza.

Gli impianti possono aumentare l'efficienza di un sistema di aerazione e ridurne i costi in diversi modi. Possono cambiare o aggiornare il tipo di attrezzatura utilizzata. Possono personalizzare i loro sistemi di aerazione in modo da calibrarli con precisione in base alle dimensioni dell'impianto e agli obiettivi di trattamento. Possono utilizzare i sistemi di monitoraggio per ottenere informazioni in tempo reale sul sistema con un semplice clic del mouse e prendere decisioni informate sulla manutenzione regolare o sui problemi emergenti.

Di seguito illustreremo in dettaglio alcune soluzioni per la riduzione dell'energia.

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 di rimozione della materia organica. L'aerazione fa sì che l'ossigeno si mescoli alle acque reflue e faciliti il lavoro dei batteri aerobici nella scomposizione dei rifiuti organici. Poiché è rapida ed efficiente e provoca 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 ad aerazione, i microbi aerobici utilizzano l'ossigeno per scomporre 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 a sabbia alla post-aerazione. È più comune, tuttavia, utilizzare l'aerazione durante il trattamento secondario, soprattutto nel processo a fanghi attivi. Durante il processo dei 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. I fanghi attivi risultanti, pieni di batteri, ritornano poi nella vasca di aerazione per aumentare il tasso 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, una 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

Gli impianti possono massimizzare l'efficienza dei loro sistemi di aerazione utilizzando uno o una combinazione di questi metodi:

Installare 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, in genere da 1 a 3 mm di diametro, e quindi una maggiore densità di fori per diffusore. Le bolle piccole salgono più lentamente di quelle grandi, ottimizzando il tempo di ritenzione delle bolle e consentendo il trasferimento di una maggiore quantità di ossigeno per volume d'aria fornito. Molte piccole bolle offrono inoltre una superficie molto più ampia rispetto a poche bolle più grandi. L'aumento della superficie porta anche a un maggiore trasferimento di ossigeno. L'uso di diffusori a bolle fini può ridurre il consumo energetico fino al 75%, anche se i risparmi sono più comuni e vanno dal 30 al 40%.

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Considerare un sistema di aerazione ad alta densità/basso flusso

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

Utilizzare un sistema di aerazione di dimensioni adeguate

Il dimensionamento corretto è importante nella progettazione di aeratori di superficie efficienti per il trattamento delle acque reflue. L'utilizzo di più diffusori distribuisce l'ossigeno in modo più uniforme in tutta la vasca e garantisce una maggiore efficienza. L'utilizzo di un numero inferiore di diffusori comporta una riduzione dell'efficienza e un aumento dei costi.

Utilizzare soffiatori di dimensioni corrette

Le soffianti di un sistema di aerazione devono essere sufficientemente grandi da permettere al sistema di funzionare a piena potenza senza danneggiare i diffusori. In modo ottimale, il sistema dovrebbe avere un rapporto di turndown di almeno 5:1. Per aumentare il turndown, un impianto può sostituire una soffiante più grande con una o più piccole, utilizzare azionamenti a frequenza variabile (VFD) o utilizzare la strozzatura in ingresso per modificare il flusso d'aria delle soffianti esistenti. La città di Waukesha, Wisconsin, ad esempio, ha ridotto il consumo energetico di 1.000.000 kWh/anno passando a soffiatori più piccoli. Il cambiamento ha portato a una riduzione del 9% del consumo di energia e a un risparmio annuo di 65.000 dollari.

Scegliere i diffusori giusti

Il tipo di materiale necessario varia in base alla pressione dell'aria, al volume delle acque reflue e alla loro composizione. Le acque reflue che contengono un'elevata concentrazione di biosolidi o di alcune sostanze chimiche necessitano di diffusori più resistenti. Alcune acque reflue richiedono anche diffusori con un rivestimento speciale, come il PTFE di SSI, per resistere alle incrostazioni e prolungare la durata delle membrane.

Prevenire le incrostazioni

Pulire o lavare a pressione i diffusori periodicamente, 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 rimanere flessibili.

Considerate i sistemi supplementari di aumento dell'ossigeno

Questi iniettano ossigeno puro direttamente nell'acqua, invece di pompare alti volumi di aria. Poiché l'aria è solo il 21% circa di ossigeno, i sistemi di aumento dell'ossigeno sono cinque volte più efficienti dei processi di aerazione standard. Utilizzare i booster durante i periodi di alto volume, per i rifiuti con molti solidi o inquinanti o per un carico che aumenta lentamente. Contribuiscono a ottimizzare il trasferimento dell'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 comunemente efficace è quella conica, che prevede un numero maggiore di diffusori all'imboccatura del bacino, dove il carico organico è maggiore, e un numero minore di diffusori lungo la lunghezza del bacino, dove la richiesta di ossigeno è minore. La distribuzione precisa dell'ossigeno porta a una maggiore efficienza.

Provate l'aerazione intermittente
Per alcuni impianti, l'aerazione intermittente è una possibilità. Risparmia energia e costi, anche se non è 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 interrompere l'aerazione. Per alcune strutture, tuttavia, potrebbe essere un'opzione valida.

Evitare l'eccessiva aerazione

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

Investite in turbosoffianti ad alta velocità

Queste soffianti senza ingranaggi funzionano a velocità più elevate e richiedono meno energia rispetto alle soffianti standard. I turbocompressori a cuscinetto d'aria creano un velo d'aria tra l'albero e i cuscinetti per un funzionamento quasi privo di attrito. I turbosoffiatori a cuscinetti magnetici contengono un albero controllato magneticamente per ridurre l'attrito. Entrambi hanno un'efficienza superiore del 10-20% rispetto ai soffiatori standard.

Utilizzare sistemi di monitoraggio

I sistemi di monitoraggio sono fondamentali per tenere sotto controllo i sistemi di trattamento delle acque reflue Sistemi di trattamento delle acque reflue industriali e commerciali , assicurarsi che funzionino in modo efficace e individuare potenziali problemi prima che si trasformino in problemi più gravi. Consentono ai responsabili e al personale dell'impianto di effettuare meno ispezioni fisiche, invece di controllare i sistemi elettronicamente. Sapere come calcolare l'efficienza dell'aeratore in base alle informazioni sull'OTE e sulla potenza erogata 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:

Migliorare la miscelazione: Sebbene l'aerazione a bolle fini sia eccezionalmente efficiente ed economica, un inconveniente dei diffusori a bolle fini è che le bolle più piccole forniscono una miscelazione meno efficace rispetto ai diffusori a bolle grosse o all'aerazione meccanica. Se una forte miscelazione e alte concentrazioni di DO sono una priorità, la sola aerazione a bolle fini potrebbe non essere sufficiente.
Utilizzare diffusori a bolle grosse o aerazione meccanica di superficie: L'aerazione a bolle grosse consente una miscelazione sostanziale. Le bolle più grandi prodotte dai diffusori a bolle grosse hanno un volume maggiore, spostano una quantità maggiore di liquido di scarto e di conseguenza forniscono una maggiore potenza di miscelazione. I biosolidi vengono mantenuti in sospensione e hanno meno probabilità di formare fanghi indesiderati. L'efficace miscelazione dei diffusori a bolle grossolane facilita la disgregazione dei rifiuti organici grazie alla potente combinazione di ossigeno, batteri e materiale di scarto. Gli aeratori di superficie agitano l'acqua di scarico per una miscelazione ad alta potenza. Questi metodi possono essere combinati con una più efficiente aerazione a bolle fini.
Aumento dell'OTR: L'aumento della velocità di trasferimento dell'ossigeno (OTR) aumenta la concentrazione di ossigeno disciolto nella colonna d'acqua. Investite in membrane con rivestimento in PTFE o fEPDM per respingere la formazione di fanghi e depositi, ridurre al minimo le incrostazioni e far funzionare efficacemente i diffusori per migliorare il trasferimento e la 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 tenere traccia del consumo energetico e di confrontarlo con il consumo energetico e l'efficienza di impianti di dimensioni simili. Può aiutare a individuare le aree 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.
Lo strumento di valutazione dei sistemi di pompaggio del Dipartimento dell'Energia (PSAT): Questo strumento del DOE aiuta i responsabili degli impianti a determinare l'efficienza dei sistemi di pompaggio esistenti. Può anche aiutare a capire quali sono le potenziali migliorie da apportare in termini di risparmio energetico e di costi. [EPA 20]

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

Gli impianti di trattamento delle acque reflue possono monitorare le loro attività grazie a questi sistemi sofisticati:

Telemetria

I sistemi di telemetria prevedono il trasferimento di dati senza fili via radio o, talvolta, tramite reti informatiche. Gli operatori dell'impianto possono monitorare l'impianto di trattamento delle acque reflue da qualsiasi luogo e in qualsiasi momento, purché abbiano accesso a Internet. Possono programmare la manutenzione, tenere d'occhio eventuali sviluppi e osservare i punti critici prima che si trasformino in problemi gravi. I sistemi di telemetria remota monitorano la temperatura, le vibrazioni, l'umidità, il rollio dei tubi e la pressione. Gli operatori possono usare le telecamere per vedere all'interno delle griglie e seguire i modelli di bolle superficiali. Il cruscotto online, di facile utilizzo, facilita la ricerca dei guasti e la programmazione 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 informatica. I controllori logici programmabili (PLC) possono essere impostati nell'impianto per controllare una determinata variabile, come il flusso d'aria. Gli operatori possono quindi 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 diverse opzioni di aeratori. La scelta dei trattamenti dipende dagli obiettivi specifici dell'impianto.

Aeratori meccanici/di superficie

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

Non sono adatti per le vasche profonde, poiché l'ossigeno sprigionato in superficie non può raggiungere il fondo delle vasche profonde. Inoltre, hanno un'efficienza di aerazione inferiore. Permettono la formazione di aerosol maleodoranti nella parte superiore del liquido, possono diventare ghiacciati a basse temperature e le loro parti meccaniche rotanti richiedono una manutenzione elevata.

Aeratori a bolle fini

I vantaggi degli aeratori a bolle fini includono un'efficienza fino a due volte superiore a quella dell'aerazione meccanica, una maggiore capacità di miscelazione rispetto all'aerazione superficiale, un elevato trasferimento di ossigeno, un basso livello di odori grazie all'assenza di agitazione in superficie e una manutenzione ridotta. Hanno un costo di installazione più elevato rispetto agli aeratori di superficie a causa della complessità del sistema, ma comportano minori costi di manutenzione. Essendo sommersi, non si ghiacciano alle basse temperature. Contribuiscono a rendere più sicuro l'ambiente di lavoro perché le squadre di manutenzione non devono lavorare sopra l'acqua. I diffusori a bolle fini sono disponibili in diversi diametri.

Aeratori a bolle ultrafini

Questi aeratori, le cui bolle sono in genere comprese tra 0,2 e 1 mm, offrono un'efficienza superiore. Con questi modelli, tuttavia, si teme la lentezza delle bolle e l'inadeguatezza della miscelazione.

Aeratori a bolle grossolane

Le bolle più grandi prodotte da questi aeratori offrono un'efficienza minore rispetto agli aeratori a bolle fini. Tuttavia, essi forniscono una miscelazione superiore e sono più adatti alle vasche profonde rispetto agli aeratori a bolle fini, grazie al 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 un'elevata durata e prezzi accessibili. Il design tecnologicamente avanzato dei prodotti offre un valore ottimale e l'elevata durata significa che i diffusori continueranno a funzionare come nuovi, garantendo un trasferimento ottimale dell'ossigeno. I sistemi di aerazione diffusa sono progettati per supportare sistemi municipali e industriali in tutto il mondo.

Le membrane incapsulate e sigillate con protettivi all'avanguardia, come il PTFE brevettato, aiutano le membrane dei diffusori a non sporcarsi e a durare più a lungo. Molti impianti si accontentano di 5-7 anni di vita della membrana, ma è possibile ottenere 10 anni o più. SSI controlla che ogni membrana abbia una profondità di perforazione uniforme per garantire bolle uniformi e fornisce una gamma di opzioni di rivestimento brevettate come rivestimento in PTFE, antistatico EPDM e PEEK.

Riduzione dei costi energetici dell'impianto di trattamento con l'aerazione SSI

SSI Aeration offre diffusori a disco e diffusori a tubo per diversi usi municipali e industriali. Tra i numerosi vantaggi dell'utilizzo dei diffusori SSI vi sono i seguenti:

Tecnologia e qualità all'avanguardia. Queste caratteristiche 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 di effluenza.
La massima efficienza di trasferimento dell'ossigeno con una perdita di carico accettabile.
Tubi più spessi del 38% rispetto alla concorrenza per la massima durata.
Installazione rapida e semplice con sella, grommet o montaggio "Snappy Saddle" per una giornata di lavoro più semplice.
L'opzione del design monostampo, che consente un prezzo inferiore per diffusore.
Una quantità di plastificante sufficiente a evitare lo scorrimento, ma non tale da provocare la fuoriuscita del plastificante e il conseguente ritiro e indurimento.
Un reparto di disegno e progettazione esperto con capacità di 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 contribuisce a garantire una distribuzione uniforme dell'aria a tutti i diffusori della griglia.
La possibilità di installare un intero sistema di diffusori a disco in modo rapido e semplice come un'unica capsula.
Sistemi di monitoraggio della pressione opzionali che aiutano a determinare i tempi di pulizia ottimali e facilitano la manutenzione.
Sistemi opzionali di dosaggio degli acidi, utili per alcuni tipi di sistemi di acque reflue soggetti a forti incrostazioni. Aiutano a rimuovere gli accumuli all'interno dei pori delle membrane, in modo che queste continuino a funzionare efficacemente.
Sistemi di aerazione a scomparsa opzionali che gli impianti possono installare e pulire senza dover svuotare l'intera vasca.

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