7. Modellazione e simulazione del processo a fanghi attivi nell’impianto di depurazione della Cartiera M. Cardella
7.1 Modelli per il processo a fanghi attivi
I modelli più completi per il processo a fanghi attivi sono le versioni
dell’ASM ( Activate Sludge Model ) sviluppate dalla IAWQ ( Internetional Association on Water Quality).
7.1.1 Active Sludge Model N.1
Il modello ASM1 tiene conto delle degradazione del sub-strato carbonioso e dell’azoto.
Due tipi di biomassa vengono modellizzati:
biomassa eterotrofa; biomassa autotrofa
La biomassa eterotrofa si genera con la crescita del substrato rapidamente biodegradabile in ambiente aerobico e decade in tutte le condizioni (respirazione endogena, lisi).
La biomassa autotrofa si genera in ambiente aerobico utilizzando
Si assume che la degradazione dell’ammonio a nitrato avvenga in un solo step.
7.1.2 Active Sludge Model N.2
Il modello Active Sludge Model N.2 è una estensione dell’ASM1; si
considera anche la degradazione biologica del fosforo. I processi in questo modello sono separati in 4 gruppi:
idrolisi;
processi degli eterotrofi;
processi degli autotrofi;
processi dei batteri accumulatori del fosforo.
7.1.3 Active Sludge Model N.3
Questo modello corregge qualche difetto dell’ASM1. Le caratteristiche più importanti del modello sono:
l’idrolisi è indipendente dal donatore di elettroni e per questo avviene con la stessa rata sia in condizioni aerobiche sia atossiche;
vene introdotto un coefficiente di crescita cellulare atossico;
il decadimento della biomassa è modellato con la respirazione endogena ;
viene modellato lo stoccaggio del COD da parte degli eterotrofi in condizioni aerobiche ed atossiche;
è possibile distinguere tra il decadimento aerobico ed atossico dei nitrificanti;
l’ammonificazione dell’azoto solubile biodegradabile (SND) e l’idrolisi dell’azoto articolato biodegradabile (XND) vengono trascurati. Viene assunta una composizione costante di tutti i componenti organici ( rapporto costante tra N e COD);
viene considerata la limitazione del processo a causa dell’alcalinità.
7.1.4 Mantis Model
Il modello Mantis sviluppato da Hydromantis inc. per il software di
simulazione GPS-X equivale all’ASM1, eccetto le seguenti modificazioni: vengono introdotti due nuovi processi di crescita: uno per gli organismi
eterotrofi, l’altro per quelli autotrofi (in condizioni di bassa concentrazione di ammonio ed alta concentrazione di nitrati gli organismi possono prendere i nitrati come risorsa nutriente);
i parametri cinetici dipendono dalla temperatura; viene introdotta la denitrificazione aerobica.
7.1.5 Two – Step – Mantis Model
La caratteristica più importante di questo modello è la modellazione della nitrificazione con un processo a due step; nel primo avviene la conversione dell’ammonio a nitrito da parte dei batteri Nitrosomonas, nel secondo i Nitrobacter convergono i nitriti a nitrati.
Un altro processo specificato nel 2 – Step – Mantis Model è l’idrolisi del substrato rapidamente biodegradabile.
7.2 Descrizione del Simulatore usato: GPS-X (versione 4.1)
7.2.1 Introduzione
GPS-X è il simulatore più diffuso per la modellazione di impianti di depurazione per le acqua civili ed industriali. Esso utilizza un’interfaccia grafica tale da facilitare la modellazione e simulazione dinamica. Mette a disposizione una buona potenzialità e flessibilità per la simulazione di impianti di depurazione.
7.2.2 Librerie
Una libreria nel contesto del GPS-X è una collezione di modelli di processi di depurazione che utilizza una serie di componenti base del refluo (state variables). Sei librerie sono a disposizione del GPS-X:
Carbonio – Azoto (CNLIB)
Carbonio – Azoto – Refluo Industriale (CNIPLIB) Carbonio – Azoto – Fosforo (CNPLIB)
Carbonio – Azoto – Fosforo – Refluo Industriale (CNPIPLIB) Carbonio – Azoto – avanzata (CN2LIB)
Carbonio – Azoto – avanzata – Refluo Industriale ( CN2PILIB)
Le variabili di stato della libreria Carbonio – Azoto – Fosforo usate per la modellazione dell’impianto di depurazione della Cartiera M.Cardella
sono elencate nella seguente tabella:
Variabili di Stato Simbolo Unità di Misura
1 Materiale solubile inerte organico si gCOD/m3
2 Substrato rapidamente biodegradabile ss gCOD/m3
3 Materiale particolato inerte organico xi gCOD/m3
4 Substrato lentamente biodegradabile xs gCOD/m3
5 Biomassa attiva eterotrofa xbh gCOD/m3
6 Biomassa attiva autotrofa xba gCOD/m3
7 Materiale articolato non biodegradabile del
8 Ossigeno disciolto so gN/m3
9 Nitrati e Nitriti sno gN/m3
10 Ammoniaca in forma ionica snh gN/m3
11 Azoto solubile biodegradabile organico (in ss) snd gN/m3
12 Azoto articolato biodegradabile organico (in xs) xnd gN/m3
13 Accumulo di polifosfati nella biomassa xbp gCOD/m3
14 PHA xbt gCOD/m3
15 Riserva di polifosfati xpp gP/m3
16 Acidi grassi volatili slf gCOD/m3
17 Fosforo solubile sp gP/m3
18 Alcalinità salk mole/m3
19 Dinitrogen snn gN/m3
20 Azoto solubile inerte organico (in si) sni gN/m3
21 Substrato fermentato facilmente biodegradabile sf gCOD/m3
22 Riserva glicogeno xgly gCOD/m3
23 Riserva polifosfati xppr gP/m3
24 Idrossidi di metalli xmeoh g/m3
25 Fosfati di metalli xmep g/m3
26 Prodotto immagazzinato nella cella xsto gCOD/m3
27 Materiale particolato inerte inorganico xii g/m3
Tabella 6: variabili di stato della libreria
In questa libreria sono disponibili 27 variabili di stato. Le variabili composta (composite variables) vengono calcolate sulla base delle variabili di stato (figura 30).
Figura 30: libreria C-N-P: BOD, COD e SST e la loro relazione con le variabili di stato
I solidi sospesi volatili vengono calcolati dal COD particolato (XCOD)
dividendo per la frazione XCOD/VSS (icv)che cambia l’unità di misura del XCOD in gVSS/m3. Per calcolare i solidi sospesi totali (X) , ai solidi sospesi
inorganico(xii), gli idrossidi (xmeah) ed i fosfati di metallo (xmep) come pure la riserva di polifosfati.
Il BOD totale (BOD20) viene calcolato sommando il BOD solubile e il
BOD articolato che si ottengono dalle variabili di stato. Per determinare il BOD5 si deve utilizzare la frazione fbod che è il rapporto tra BOD5 e BOD20.
Il TKN solubile è la somma dell’ammoniaca libera e ionizzata (snh), dell’azoto solubile biodegradabile organico (snd) e dell’azoto solubile inerte inorganico (sni) (figura 31).
Il TKN è la somma del STKN, dell’azoto articolato biodegradabile organico (xnd) e dell’azoto associato alla frazione organica. L’azoto totale si calcola dalla somma del TKN, dei nitrati e dei nitriti (sno).
Figura 31: libreria C-N-P: le variabili composte dell’azoto e le loro relazioni con le variabili di stato
7.2.3 Oggetti
Un oggetto è una rappresentazione simbolica di un’unità di processo e può essere associato ad un generico modello. Molti parametri possono essere associati ad un oggetto:
configurazione idraulica; parametri fisici;
parametri operativi;
variabili rappresentabili on un grafico (display variables);
etichette.
In seguito vengono illustrati gli oggetti più importanti.
7.2.3.1 Influente
L’influente è un oggetto a volume zero che non ha attributi fisici ed operativi: Questo oggetto viene caratterizzato dal carico e dal flusso dell’influente che possono essere:
dati costanti; dati sinusoidali ;
dati diurni che vengono ripetuti ogni giorno; dati definiti dall’utente in un file esterno.
7.2.3.2 Splitters
Questo è un separatore di flusso che può avere in uscita fino a cinque punti di connessione in uscita.
7.2.3.3 Combiner
Sono dei combinatori di flusso.
7.2.3.4 Reattori Biologici
Il simulatore mette a disposizione parecchi reattori biologici:
reattore a miscelazione perfetta; reattore plug-flow;
biofiltro areato;
reattore a biomassa adesa;
reattori DAF (dissolved air flotation); digestori aerobici;
digestori anaerobici;
reattori SBR (sequencing batch reactor); sistema ibrido.
7.2.3.5 Sedimentatori
I sedimentatori disponibili per la modellazione sono:
sedimentatore primario circolare; sedimentatore primario rettangolare; sedimentatore secondario rettangolare; sedimentatore secondario rettangolare.
7.3 Modellazione dell’impianto di depurazione con lo schema a fanghi attivi
7.3.1 Generazione del layout e simulazione del processo di depurazione
La generazione del nuovo layout che rappresenta l’impianto di depurazione della cartiera (figura 32) non è stato semplice in quanto il programma GPS-X non forniva indicazioni sufficienti per schematizzare il selettore fanghi quindi ho dovuto procedere con una serie di tentativi in modo da rappresentare più fedelmente possibile la realtà.
Il selettore anaerobico è stato rappresentato con un reattore
