Nel contesto dei cambiamenti climatici, città e amministrazioni locali sono chiamate a garantire che impianti e processi funzionino nel modo più efficiente e sostenibile possibile. Stadtentwässerung Celle, l’azienda municipale che gestisce il servizio di depurazione della città, ha individuato un significativo margine di miglioramento nel proprio impianto e ha avviato un progetto per ridurre i consumi energetici e l’impiego di reagenti chimici.
La sfida
Stadtentwässerung Celle è responsabile della gestione delle acque reflue della città di Celle e conduce un impianto di depurazione dimensionato per 120.000 abitanti equivalenti (AE).
Nell’ambito del proprio impegno per la sostenibilità e la tutela del clima, la città intendeva ottimizzare i consumi del sistema di aerazione del comparto biologico, aumentare l’affidabilità operativa e la stabilità del processo e introdurre una regolazione predittiva del dosaggio dei reagenti. L’obiettivo era dotare l’impianto di un sistema intelligente capace di ottimizzare i processi, ridurre i costi di esercizio e garantire il rispetto costante dei limiti allo scarico.
Una gestione più efficiente avrebbe inoltre permesso di diminuire sensibilmente le emissioni di CO2, contribuendo agli obiettivi ambientali e climatici della città.
La soluzione
Il progetto è stato avviato a metà del 2017 con lo sviluppo di un sistema di supporto decisionale in tempo reale per la gestione dei processi di depurazione. L’impianto disponeva già di sensori tradizionali e sistemi di automazione, ma mancava una strategia integrata capace di coordinare e ottimizzare le diverse regolazioni.
Il progetto si è quindi concentrato sul miglioramento dell’aerazione del comparto biologico attraverso simulazioni in tempo reale, con l’obiettivo di ridurre i consumi energetici e il dosaggio dei reagenti, mantenendo elevata la qualità dell’effluente.
In collaborazione con Xylem è stata implementata una soluzione per l’ottimizzazione dei processi di depurazione, successivamente integrata in Xylem Vue Plant Management. La tecnologia utilizza modelli basati su reti neurali ad alte prestazioni per rappresentare i processi di rimozione del carbonio e di trasformazione dell’ammonio e dei nitrati.
Il sistema acquisisce in tempo reale dal PLC esistente tutti i dati necessari. Attraverso un gemello digitale dell’impianto, sviluppato sulla base dei dati operativi, calcola le condizioni di esercizio ottimali e regola l’intensità e la distribuzione dell’aerazione, oltre al dosaggio dei reagenti, in funzione del carico organico in ingresso.
Poiché non tutti i parametri in ingresso potevano essere misurati mediante sensori online, sono stati introdotti alcuni sensori virtuali, o soft sensor, in grado di stimare e prevedere in tempo reale i carichi di carbonio e azoto. Questi valori hanno consentito di ricostruire le concentrazioni in ingresso anche in assenza di misure dirette, permettendo al sistema di aerazione di operare nelle condizioni di massima efficienza.
Dopo alcuni mesi di esercizio sperimentale, alla fine del 2017 la soluzione è entrata definitivamente in servizio e ha iniziato a calcolare i setpoint ottimali per il sistema di aerazione dei tre bacini biologici.
Risultati
All’inizio del 2018, i risultati ottenuti durante la prima fase di ottimizzazione sono stati confrontati con i dati relativi alla precedente gestione manuale dell’impianto. Uno dei principali indicatori considerati è stato il consumo energetico specifico necessario per trattare il carico organico in ingresso. Pur non rappresentando una variabile direttamente utilizzata per il controllo del processo, questo parametro permette di valutare gli effetti delle oscillazioni e dei picchi di carico sul funzionamento dell’impianto. L’introduzione del sistema di ottimizzazione ha reso la conduzione del processo più stabile, riducendo le oscillazioni operative e limitando i picchi di consumo energetico associati alle variazioni del carico.
Dall’entrata in funzione della soluzione, il consumo energetico del sistema di aerazione è diminuito del 22%, mentre l’impiego di etanolo si è ridotto del 56%. Rispetto alla precedente configurazione non ottimizzata, questi risultati corrispondono a risparmi annui dell’ordine di alcune decine di migliaia di euro. Il miglioramento dell’efficienza non ha compromesso le prestazioni depurative: tutti i requisiti previsti per la qualità dell’effluente hanno continuato a essere rispettati in ogni condizione di esercizio.