Di fronte al cambiamento climatico e alle incertezze legate ai costi e alla disponibilità delle risorse, città e comuni devono gestire impianti e processi nel modo più efficiente e sostenibile possibile. In questo contesto, la città di Kaufbeuren ha individuato un importante potenziale di ottimizzazione energetica nel proprio impianto di depurazione.
La sfida
La città di Kaufbeuren gestisce un impianto di depurazione dimensionato per 80.000 abitanti equivalenti, con processi di nitrificazione, denitrificazione e rimozione del fosforo. L’impianto integra un sistema a filtri percolatori con un processo a fanghi attivi. In questa particolare configurazione, la nitrificazione avviene nei filtri percolatori, collocati a valle della sezione aerata. La combinazione dei due processi comporta un consumo energetico specifico, espresso in kWh per abitante equivalente all’anno, relativamente elevato rispetto a quello riscontrato in altri impianti di depurazione municipali.
Negli impianti di depurazione basati sul processo a fanghi attivi, l’aerazione costituisce generalmente la principale voce di consumo energetico. Nell’impianto di Kaufbeuren, tuttavia, la nitrificazione avviene mediante filtri percolatori e non richiede quindi un’ulteriore aerazione. Il beneficio energetico così ottenuto è però in parte compensato dall’energia necessaria a sollevare l’acqua fino alla quota di alimentazione dei filtri. Inoltre, per garantire la denitrificazione, una quota significativa dell’effluente nitrificato deve essere ricircolata verso la sezione anossica posta a monte della fase aerata. Il processo comporta pertanto diversi flussi di ricircolo interno, ciascuno dei quali richiede energia per il pompaggio.
Il rapporto di ricircolo rappresenta quindi un parametro determinante per il contenimento dei consumi energetici complessivi dell’impianto. Un suo incremento comporta infatti un aumento sia dell’energia necessaria per alimentare i filtri percolatori, sia di quella richiesta per il ricircolo interno e per il sollevamento dei fanghi di ritorno dalla fase aerata. In questo caso, il massimo risparmio energetico si ottiene riducendo il rapporto di ricircolo al minimo valore compatibile con il mantenimento delle prestazioni e della qualità del trattamento.
La soluzione
Gli interventi più comuni per migliorare l’efficienza energetica degli impianti di depurazione prevedono generalmente la sostituzione delle apparecchiature meno performanti o l’introduzione di tecnologie a minor consumo. La città di Kaufbeuren ha scelto invece una strada diversa, adottando Xylem Vue Plant Management, una soluzione software basata su reti neurali artificiali.
L’applicazione consente di ottimizzare l’impiego delle risorse senza intervenire sull’hardware esistente. Il software può infatti essere integrato con le interfacce e le infrastrutture già presenti nell’impianto, evitando la sostituzione delle apparecchiature.
Il sistema regola automaticamente la portata di ricircolo e la adatta in modo continuo alle condizioni operative, senza richiedere l’installazione di strumentazione di misura aggiuntiva o particolarmente complessa. La rete neurale viene inizialmente addestrata sulla base dei dati storici dell’impianto e, una volta entrata in funzione, elabora previsioni in tempo reale per aggiornare i parametri di regolazione. L’esperienza e le competenze degli operatori restano fondamentali per garantire una conduzione sicura ed efficace. Tuttavia, soprattutto nelle ore notturne, non è possibile controllare costantemente tutti i parametri e intervenire in tempo reale. Il sistema assicura questa continuità di monitoraggio e regolazione, riducendo la necessità di una supervisione manuale costante.
Xylem Vue Plant Management crea un gemello digitale del processo da ottimizzare. Dopo una fase di addestramento basata sui dati operativi acquisiti dall’impianto, il modello è in grado di prevederne il comportamento e di individuare le condizioni di esercizio più efficienti.
La regolazione ottimale si ottiene applicando i setpoint calcolati dalla rete neurale. L’obiettivo principale è ridurre al minimo la portata di alimentazione dei filtri percolatori, adeguando il rapporto di ricircolo alle effettive condizioni di esercizio. Il setpoint della portata di ricircolo, precedentemente determinato dal sistema di controllo convenzionale, viene quindi calcolato e aggiornato direttamente dalla rete neurale artificiale.
Risultati
L’implementazione del sistema Xylem Vue per l’ottimizzazione dell’impianto di depurazione di Kaufbeuren ha permesso di migliorare la gestione delle sezioni di ricircolo, ricircolo dei fanghi e alimentazione dei filtri percolatori. Di conseguenza, il consumo energetico annuo si è ridotto di un valore compreso tra 160.000 e 190.000 kWh rispetto al precedente sistema non ottimizzato. È importante sottolineare che il risparmio energetico è stato ottenuto senza compromettere la stabilità dei valori allo scarico, garantendo una qualità del trattamento costante.