EWE WASSER GmbH (EWE) è una delle principali aziende attive nella gestione delle acque reflue nella Germania nord-occidentale. L’azienda è responsabile del convogliamento e del trattamento dei reflui attraverso 23 moderni impianti di depurazione. A Cuxhaven gestisce un grande impianto municipale, dimensionato per una capacità massima di 400.000 abitanti equivalenti.
La sfida
Come avviene nella maggior parte dei sistemi idrici urbani, anche a Cuxhaven il pompaggio e il trattamento delle acque reflue rappresentano le attività a maggiore consumo energetico. In un impianto di depurazione, la sola aerazione può incidere per oltre il 50% sui consumi complessivi.
EWE era quindi alla ricerca di un sistema in grado di ridurre il fabbisogno energetico dell’aerazione, aumentare l’affidabilità operativa e ottimizzare l’impiego dei reagenti chimici. La riduzione dei costi di esercizio doveva però avvenire senza compromettere le prestazioni depurative e garantendo in ogni momento il rispetto dei limiti di legge allo scarico.
La soluzione
Il progetto è stato avviato all’inizio 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 in grado di ottimizzare il funzionamento complessivo del processo.
L’intervento si è quindi concentrato sulla regolazione dell’aerazione nel comparto biologico mediante simulazioni in tempo reale, con l’obiettivo di ridurre i consumi energetici e l’impiego di reagenti, migliorando al tempo stesso la qualità dell’effluente. EWE ha adottato l’applicazione Xylem Vue Plant Management, che utilizza modelli basati su reti neurali ad alte prestazioni per rappresentare i processi di rimozione del carbonio, dell’azoto e del fosforo.
L’applicazione acquisisce in tempo reale i dati dal sistema di controllo esistente e crea un gemello digitale dell’impianto. Attraverso questo modello, il sistema calcola le condizioni operative ottimali e regola l’aerazione e il dosaggio dei reagenti in funzione dei carichi in ingresso, considerando la domanda chimica e biologica di ossigeno e le concentrazioni di azoto e fosforo.
Poiché non erano disponibili strumenti online per misurare direttamente tutte le concentrazioni in ingresso, sono stati introdotti alcuni sensori virtuali, o soft sensor, in grado di stimare e prevedere in tempo reale i carichi di carbonio e azoto. Queste informazioni hanno permesso di ricostruire le condizioni in ingresso e di gestire il processo di aerazione nel modo più efficiente possibile. Dopo alcuni mesi di esercizio manuale e di messa a punto del modello, Xylem Vue Plant Management è entrato in servizio per calcolare i setpoint ottimali dell’aerazione nel comparto biologico.
Risultati
Alla fine del 2017, i risultati ottenuti durante la prima fase di ottimizzazione sono stati confrontati con i dati relativi alla precedente gestione manuale dell’impianto di Cuxhaven. Uno degli indicatori utilizzati per valutare le prestazioni è stato il consumo energetico specifico necessario per trattare il carico organico in ingresso. Pur non essendo una variabile direttamente utilizzata per il controllo del processo, questo parametro consente di valutare gli effetti delle oscillazioni e dei picchi di carico sul funzionamento dell’impianto. L’ottimizzazione della conduzione ha ridotto sensibilmente le oscillazioni operative e limitato i picchi di consumo energetico associati alle variazioni delle condizioni operative.
Dall’implementazione di Xylem Vue Plant Management, il fabbisogno energetico dell’aerazione presso l’impianto di Cuxhaven è diminuito di oltre il 26%. Il risparmio annuo è pari a circa 1,1 milioni di kWh, equivalente al consumo di energia elettrica di 275 famiglie composte da quattro persone. Il miglioramento dell’efficienza non ha compromesso le prestazioni dell’impianto: tutti i requisiti previsti per la qualità dell’effluente continuano a essere rispettati in modo costante.