5. I casi di studio
5.1 Premessa
In questo capitolo si opera in modo diverso sulla gestione dei fanghi di depurazione di due comprensori della Regione Toscana.
Il primo caso esaminato (paragrafo 5.2) è quello della Garfagnana (come già specificato al capitolo 1 è compreso anche il comprensorio della Media Valle), sito nell’ATO 1 e il cui Gestore del Servizio Idrico Integrato è la Società GAIA S.p.A. Per tale contesto, non disponendo di dati sufficienti per l’applicazione numerica dei modelli di ottimizzazione gestionale sviluppati, sono stati stimati, nell’ottica della pianificazione di una corretta gestione, le produzioni di fango di ogni impianto di depurazione presente (paragrafo 5.2.2). Inoltre si è sviluppato un database informatico contenente una grande quantità di informazioni relativamente ad ogni impianto, che rende possibile la raccolta e l’organizzazione dei dati, favorendo ancora una volta la corretta gestione del rifiuto fango (paragrafo 5.2.3).
L’altro caso di studio è quello del comprensorio della Valdinievole, dove è stato invece possibile l’effettuazione di un’applicazione numerica col modello di ottimizzazione gestionale appositamente sviluppato nel precedente capitolo. Ciò ha determinato la possibilità di confrontare sul piano economico l’attuale sistema di gestione dei fanghi con la soluzione derivata dall’applicazione del modello.
5.2 Il comprensorio della Garfagnana
5.2.1 Descrizione
In questo paragrafo è analizzato il sistema depurativo del comprensorio ove la sede operativa GAIA S.p.A. di Gallicano (provincia di Lucca) svolge la sua attività di Gestore del Servizio Idrico Integrato. Tale comprensorio fa parte dell’Ambito Territoriale Ottimale 1 (ATO 1) della Regione Toscana.
Nell’Allegato 2, grazie ai dati forniti da GAIA S.p.A., sono elencati, in base al Comune di appartenenza, tutti gli impianti di depurazione facenti parte del territorio di riferimento (la stampa è effettuata dal database di cui al paragrafo 5.2.3). Per ogni depuratore sono riportate le principali informazioni tecniche ovvero la struttura della linea liquami e della linea fanghi e gli abitanti equivalenti serviti. La
Tabella 5.1 riassume i dati esposti nell’Allegato 2 riportando per ogni Comune il numero di impianti di depurazione presenti, la loro configurazione impiantistica e il totale degli abitanti equivalenti serviti.
I Comuni appartenenti al territori di riferimento sono quindi 25, per un totale di 266 impianti di depurazione presenti e di 61.156 abitanti equivalenti serviti. E’ prevista la realizzazione di un nuovo impianto di depurazione a fanghi attivi nel Comune di Gramolazzo con una potenzialità di 1.700 abitanti equivalenti (nello studio del territorio di riferimento che segue non è considerato tale impianto).
Seguono alcune considerazioni descrittive del sistema di depurazione del territorio in esame.
Tabella 5.1. Tabella riassuntiva dell'Allegato 2.
Comune N° impianti Struttura impianti (*) A.e.
Bagni di Lucca (LU) 29 28 I. + Ass./1 F.A.+
Ass. 5780
Barga (LU) 15 8 I. + Ass./2 P. +
Ass./5 F.A.. + Ass. 5880
Borgo a Mozzano (LU) 10 2 I. + Ass./1 P. +
Ass./7 F.A.. + Ass. 5450
Camporgiano (LU) 8 5 I. + Ass./2 P. +
Ass./1 B. + Ass. 1270
Careggine (LU) 15 11 I. + Ass./4 P. + Ass. 860
Castelnuovo di Garf.na (LU) 7
1 I. + Ass./1 P. + Ass./1 F.A. + Is./ 4 F.A. + Ass.
5600
Castiglione di Garf.na (LU) 5 3 I. + Ass./2 P. + Ass. 460
Coreglia Antelminelli (LU) 7 3 I. + Ass./4 F.A.. +
Ass. 3110
Cutigliano (PT) 4 3 F.A.. + Ass./1 F.A. +
Is. 3950
Fabbriche di Vallico (LU) 6 3 I. + Ass./2 P. +
Ass./1 F.A. + Is. 640
Fosciandora (LU) 2 1 I. + Ass./1 P. + Ass. 110
Gallicano (LU) 11
4 I. + Ass./6 P. + Ass./1 F.A. + Acc., D., E.
8460
Giuncugnano (LU) 8
1 I. + Ass./2 P. + Ass./3 B. + Ass./2 F.A. + Ass.
1220
Minucciano (LU) 19
15 I. + Ass./1 P. + Ass./2 B. + Ass./1 F.A. + Ass.
1175
Molazzana (LU) 8 6 I. + Ass./2 P. + Ass. 802
Pescaglia (LU) 11 4 I. + Ass./2 F. +
Ass./5 F.A. + Ass. 1322
Piazza al Serchio (LU) 42 39 I. + Ass./2 B. +
Ass./1 F.A. + Ass. 2629
Pieve Fosciana (LU) 6 5 I. + Ass./1 F.A. +
Ass. 1985
159 50 43 11 2 1 0 30 60 90 120 150 180 Inho ff/tri cam erali Fang hi at tivi Letti per colat ori Biod ischi Fito depu razio ne Lagu nagg io
Figura 5.1. Suddivisione numerica degli impianti di depurazione presenti sul territorio di riferimento in base al trattamento effettuato nella sola linea acque.
Comune N° impianti Struttura impianti (*) A.e.
San Marcello Pistoiese (PT) 9 2 I. + Ass./1 B. +
Ass./6 F.A. + Ass. 4340
San Romano Garf.na (LU) 12 2 I. + Ass./8 P. +
Ass./2 F.A. + Ass. 1489
Sillano (LU) 12 5 I. + Ass./1 B. +
Ass./6 P. + Ass. 794
Vagli di Sotto (LU) 7 4 I. + Ass./1 L. +
Ass./2 F.A. + Ass. 1100
Vergemoli (LU) 4 2 P. + Ass./1 B. +
Ass./1 F.A. + Ass. 340
Villa Collemandina (LU) 8 7 I. + Ass./1 P. + Ass. 1890
(*) La voce “Struttura impianti” riporta i numeri e i corrispondenti tipi di impianti di depurazione presenti nel Comune (la barra inclinata divide i vari tipi di impianto presenti). Per ogni tipo di impianto sono indicate la linea liquami e la linea fanghi (linea liquami + linea fanghi) secondo la seguente legenda:
- linea liquami: I. → Imhoff o fosse tricamerali, B. → biodischi, P. → letti
percolatori, F.A. → fanghi attivi, F. → fitodepurazione e L. → lagunaggi.
- linea fanghi: Ass. → assente, Is. → ispessitore, Acc. → vasca di accumulo
fanghi D. → disidratazione meccanica, E. → letti di essiccamento.
-Dividendo gli impianti di depurazione presenti sul territorio di riferimento in base al tipo di trattamento che effettuano nella sola linea acque, si ricava la Figura 5.1 (presenza in termini quantitativi) e la Figura 5.2 (presenza in percentuale rispetto al totale degli impianti presenti).
Dalle Figura 5.2 emerge con chiarezza che più della metà degli impianti di depurazione sono costituiti delle sole fosse Imhoff o tricamerali (ai fini di questo studio le fosse Imhoff e tricamerali possono essere considerate allo stesso modo in quanto la quantità e la qualità di fango prodotto possono considerarsi uguali) che producono dei fanghi con codice CER 200304 (nel seguito sono detti primari
Fanghi attivi 18,8% Imhoff/tricamerali 59,8% Letti percolatori 16,2% Biodischi 4,1% Fitodepurazione 0,8% Lagunaggio 0,4%
digeriti; ovviamente quanto siano digeriti è impossibile dirlo in mancanza di analisi specifiche). Le fosse Imhoff/tricamerali sono inoltre presenti anche come
pretrattamenti in tutti gli altri tipi di impianti salvo che in quelli a fanghi attivi. Il numero di impianti che producono fanghi di supero o biologici (codice CER 190805) è data dalla somma degli impianti a fanghi attivi, dei letti percolatori e dei biodischi. Non viene considerata in questo studio la produzione di fanghi dovuta al lagunaggio e alla fitodepurazione (3 impianti in totale: depuratori Piegaio – Molinetto e Trebbio con fitodepurazione nel Comune di Pescaglia, depuratore Vagli Sopra con lagunaggio nel Comune di Vagli di Sotto) poiché ha valori estremamente bassi (trascurabili visti anche gli abitanti equivalenti serviti), ma è comunque considerata la produzione di fanghi dovuta alle fosse Imhoff/tricamerali che sono disposte come pretrattamenti di questi impianti (nel seguito quindi gli impianti di fitodepurazione e di lagunaggio sono considerati alla stregua di fosse Imhoff/tricamerali).
In definitiva, i fanghi primari digeriti sono originati da 216 impianti di depurazione (compresi quindi anche quelli che hanno una fossa Imhoff/tricamerale come pretrattamento), mentre i fanghi biologici (non si hanno informazioni in merito all’eventuale presenza di fanghi chimici) da 105 impianti.
Le quantità di fanghi prodotte, di qualsiasi tipo, sono fortemente legata agli abitanti equivalenti serviti. Dall’elaborazione dei dati riportati nell’Allegato 2 è possibile ricavare per ogni tipo di impianto il numero di abitanti equivalenti serviti (Figura 5.3) e la percentuale (Figura 5.4) rispetto agli abitanti equivalenti totali dell’intero territorio di riferimento (si ricorda che secondo le stime fornite sono 61.156).
Dall’analisi di Figura 5.4 è evidente come, nonostante il maggior numero di impianti presenti sia costituito da fosse Imhoff/tricamerali, più della metà degli abitanti equivalenti è servita da impianti a fanghi attivi. Tale situazione è generata dalla maggiore potenzialità espressa in abitanti equivalenti serviti propria degli impianti a fanghi attivi rispetto alle semplici fosse Imhoff/tricamerali. Per evidenziare la potenzialità di ogni tipo di impianto presente sul territorio di riferimento si osservi la Figura 5.5 e la Figura 5.6 per gli impianti a fanghi attivi, la
Figura 5.2. Suddivisione in percentuale degli impianti di depurazione presenti sul territorio di riferimento in base al trattamento effettuato nella sola linea acque.
Imhoff/tricamerali 26,8% Fanghi attivi 62,4% Letti percolatori 6,9% Biodischi 3,9% 38.150 16.397 4.249 2.360 0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 40.000 45.000 Fang hi at tivi Inho ff/tri cam erali Letti per colat ori Biod ischi
Figura 5.3. Numero di abitanti equivalenti serviti per ogni tipo di impianto di depurazione.
44 3 2 0 1 0 10 20 30 40 50 a.e.= [1,1 .500 ] a.e.= (1.50 0,3.0 00] a.e.= (3.0 00,4 .500 ] a.e.= (4.5 00,6 .000 ] a.e.= (6.00 0,7.5 00]
Figura 5.5. Numero di impianti a fanghi attivi che servono una quantità di abitanti equivalenti compresi in un determinato intervallo.
5.10 per impianti a letti percolatori ed, infine, la Figura 5.11 e la Figura 5.12 per impianti con biodischi.
Figura 5.4. Percentuale di abitanti equivalenti serviti da ogni tipo di impianto di depurazione.
a.e.=[1,1.500] 88% a.e.=(1.500,3.000] 6,0% a.e.=(3.000,4.500] 4,0% a.e.=(4.500,6.000] 0,0% a.e.=(6.000,7.500] 2,0%
Figura 5.6. Percentuale di impianti a fanghi attivi che servono una quantità di abitanti equivalenti compresi in un determinato intervallo.
155 3 1 1 2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 a.e.= [1,3 00] a.e.= (300 ,600 ] a.e.= (600 ,900 ] a.e.= (900 ,1.20 0] a.e.= (1.20 0,1.50 0] a.e.=[1,300] 95% a.e.=(300,600] 1,9% a.e.=(600,900] 0,6% a.e.=(900,1200] 0,6% a.e.=(1200,1500] 1,2%
Figura 5.7. Numero di fosse Imhoff/tricamerali che servono una quantità di abitanti equivalenti compresi in un determinato intervallo.
32 6 3 1 1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 a.e.= [1,1 00] a.e.= (100 ,200 ] a.e.= (200 ,300 ] a.e.= (300 ,400 ] a.e.= (400 ,500 ] a.e.=[1,100] 75% a.e.=(100,200] 14,0% a.e.=(200,300] 7,0% a.e.=(300,400] 2,3% a.e.=(400,500] 2,3% 4 2 4 0 1 0 2 4 6 8 a.e.= [1,12 0] a.e.= (120 ,240 ] a.e.= (240 ,360 ] a.e.= (360 ,480 ] a.e.= (480 ,600 ]
Figura 59. Numero di impianti con letti percolatori che servono una quantità di abitanti equivalenti compresi in un determinato intervallo.
Figura 5.10.Percentuale di impianti a letti percolatori che servono una quantità di abitanti equivalenti compresi in un determinato intervallo.
a.e.=(480,600] 9% a.e.=(360,480] 0% a.e.=(240,360] 36% a.e.=(120,240] 18% a.e.=[1,120] 37%
Dalle figure rappresentanti la distribuzione quantitativa e percentuale degli abitanti equivalenti serviti per ogni tipo di impianto, risulta chiaro che gli impianti di depurazione presenti sul territorio di riferimento possono considerarsi di piccola o piccolissima taglia: i più piccoli sono fosse Imhoff/tricamerali a servizio di comunità composte da poche decine di abitanti equivalenti, mentre l’impianto che, secondo le stime fornite, risulta trattare il maggior numero di abitanti equivalenti è il Depuratore Gallicano Capoluogo che ne conta 7.500. Anche in questo caso, relativamente alle potenzialità generalmente attribuite agli impianti di depurazione, si può parlare di depuratore di piccola taglia (solitamente per potenzialità inferiori a 20.000 abitanti equivalenti si è nel campo dei piccoli depuratori). La presenza di impianti con potenzialità così bassa è principalmente dovuta all’orografia del territorio in esame che risulta essere, per la gran parte, montuosa e quindi il comprensorio è costituito da paesi di piccole dimensioni e piuttosto distanziati uno dall’alto. In queste circostanze il sistema depurativo è generalmente articolato così come risulta dall’analisi effettuata in questo paragrafo.
In linea con la constatazione dell’esistenza di soli impianti di depurazione con bassissima potenzialità espressa come abitanti equivalenti serviti, si trova l’osservazione sulla scarsa presenza di linee fanghi. Gli unici impianti ad avere un qualche trattamento proprio di una linea fanghi sono di seguito elencati:
Depuratore Casotti (Comune di Cutigliano): è presente un ispessitore a gravità;
Depuratore Gallicano Capoluogo (Comune di Gallicano): è presente una vasca di accumulo dei fanghi prima della disidratazione con nastropressa. Sono anche presenti dei letti di essiccamento che di norma non vengono utilizzati;
Depuratore La Murella (Comune di Castelnuovo Garfagnana): è presente un ispessitore a gravità.
Figura 5.12. Percentuale di impianti con biodischi che servono una quantità di abitanti equivalenti compresi in un determinato intervallo.
In definitiva l’unico impianto con a disposizione una linea fanghi di un certo spessore, ovvero con anche la disidratazione meccanica, è solo il Depuratore Gallicano Capoluogo. Tutti gli altri impianti a fanghi attivi hanno generalmente un volume di accumulo fanghi che in effetti può anche ispessirli, ma la funzione principale è comunque quella di avere un volume a disposizione per permetterne uno stoccaggio temporaneo. Dalle fosse Imhoff/tricamerali i fanghi vengono estratti direttamente dalla camera dove sedimentano, mentre per gli impianti a biodischi e con letti percolatori il fango è accumulato e estratto direttamente dal sedimentatore secondario.
Attualmente i fanghi prodotti da tutti gli impianti di depurazione vengono diretti verso quello che è considerato l’impianto principale ovvero il Depuratore Gallicano Capoluogo. In questo impianto i fanghi vengono prima immessi nella vasca di accumulo e, successivamente, inviati alla disidratazione con nastropressa. La quantità di fanghi uscenti dalla disidratazione meccanica effettuata al Depuratore Gallicano Capoluogo rappresenta quindi la quantità complessiva di fango che attualmente viene prodotta dagli impianti di depurazione presenti nel territorio di riferimento: il 25% di tale quantità è smaltita in discarica, mentre il 75% è recuperata nel riutilizzo agronomico.
Riassumendo quanto detto in questo paragrafo relativo all’analisi del caso di studio in esame, si possono citare i seguenti 5 punti fondamentali:
il sistema depurativo è basato su 266 impianti di depurazione, tutti di piccola o piccolissima potenzialità espressa come abitanti equivalenti;
i fanghi prodotti sono sia primari digeriti (CER 200304) che biologici (CER 190805);
la linea fanghi è presente solo in 3 impianti, 2 provvisti del solo ispessitore, mentre quello principale anche di nastropressa;
il Depuratore Gallicano è l’impianto presso il quale sono inviati tutti i fanghi prodotti dai depuratori del territorio di riferimento per essere disidratati; i fanghi uscenti dalla disidratazione operata nell’impianto di cui al punto
sopra, sono smaltiti per il 25% in discarica e recuperati per il 75% della quantità nel riutilizzo agronomico.
5.2.2 Stima della produzione di fango
La conoscenza della produzione di fango derivante dalla depurazione dei liquami negli impianti di depurazione è, naturalmente, uno dei dati principali per definire una gestione razionale e pianificata dei fanghi di depurazione. Nel caso in esame è necessario stimare tale produzione sulla base di dati riportati in letteratura e sugli abitanti equivalenti serviti da ogni impianto.
La produzione di fango di ogni impianto di depurazione dipende dal trattamento presente in linea liquami ed è quindi necessario effettuare la stima in modo separato per ogni tipo di trattamento. Nel seguito sono illustrate le stime effettuate per ogni tipo di trattamento e per ogni impianto di depurazione. La produzione globale di
tutti gli impianti di depurazione presenti nel territorio di riferimento dovrà tener conto del trattamento di disidratazione effettuato nel Depuratore Gallicano Capoluogo: alla fine delle stime per ogni tipo di impianto è proposta la stima sui quantitativi di fango uscenti da tale operazione di disidratazione.
Impianti a fanghi attivi
La produzione di fango degli impianti di depurazione a fanghi attivi è dovuta al solo fango di supero, non essendo infatti presente in nessun caso la sedimentazione primaria che darebbe luogo a fanghi primari. Il fango di supero è costituito dalla crescita netta della biomassa più i solidi inorganici o organici non biodegradabili veicolati dal liquame in ingresso all’impianto.
Segue l’illustrazione delle operazioni svolte nell’ordine di presentazione per ogni impianto di depurazione al fine di stimarne la produzione di fango.
Dati
Equazione 5.1. Valore di BOD del liquame in ingresso all'impianto di depurazione (Masotti e Verlicchi, 2005) 65 BOD= d ae g ⋅
Equazione 5.2. Umidità del fango all'uscita del sedimentatore secondario (Bonomo, 2008) %
99
u =
Equazione 5.3. Umidità del fango ispessito (Metcalf & Eddy, 2006). %
98
u =
Equazione 5.4. Peso specifico dei fanghi con umidità del 99 - 98%: solitamente viene assunto tale valore data l’elevata umidità del fango.
000 . 1 f = γ 3 m kg
Equazione 5.5. Carico del fango ipotizzato: trattandosi di impianti di depurazione di piccola potenzialità è probabile che siano del tipo ad aerazione prolungata.
1 , 0 Cf = d kgSS kgBOD ⋅ Operazioni comuni
Per operazioni comuni si intendono quelle relazioni che conducono al medesimo risultato indipendentemente dallo specifico impianto a fanghi attivi considerato.
Equazione 5.6. Rendimento di depurazione in relazione al carico del fango secondo la formula di Wuhrmann. Cf 2 , 0 1 1 ⋅ + = η da cui si ottiene η=94%
Equazione 5.7. Produzione di fango su base secca per quantità unitaria di BOD rimosso. Il coefficiente 1,4 aumenta del 40% la produzione ed è dovuto all'assenza della sedimentazione primaria. Nel caso del Depuratore Gallicano Capoluogo è presente un ulteriore coefficiente maggiorativo pari a 1,1 che tiene conto anche della crescita della biomassa nitrificante.
4 , 1 Cf 05 , 0 1 ) Cf 28 , 0 20 , 1 ( Y ⋅ ⋅ η − ⋅ ⋅ − = gBOD gSS da cui si ottiene Y=0,77 gBOD gSS
Equazione 5.8. Quantità di BOD rimosso nella fase biologica al giorno per abitante equivalente.
η ⋅ =BOD BODr d ae gBOD
⋅ da cui si ottiene BODr =61,10
d ae gBOD
⋅
Equazione 5.9. Produzione giornaliera di fango di supero su base secca per abitante equivalente.
r BOD Y SS= ⋅ ∆ d ae gSS ⋅ da cui si ottiene ∆SS=46,92 ae d gSS ⋅ Operazioni differenziate
Contrariamente alle precedenti, si intende per operazioni differenziate quelle che conducono a risultati diversi da impianto a impianto e la differenza, secondo l’iter della presente stima, è dovuta al numero di abitanti equivalenti serviti da ogni depuratore (nel seguito indicato con Nae). I risultati di queste operazioni sono
riportati nella Tabella 1 (Produzione di fango da impianti a fanghi attivi) dell’Allegato 3. Equazione 5.10. Produzione giornaliera totale di fango di supero su base secca.
000 . 1 N SS SS ae t = ∆ ⋅ ∆ d kgSS
Equazione 5.11. Peso del fango di supero prodotto giornalmente. u 1 SS Pf t d − ∆ = d kg
Equazione 5.12. Volume del fango di supero prodotto giornalmente. f Pf Vfd d γ = d m3
Equazione 5.13. Peso del fango di supero prodotto annualmente. 365
Pf
Pfy = d ⋅
y kg
Equazione 5.14. Volume del fango di supero prodotto annualmente. 365 Vf Vfy = d ⋅ y m3
Con quest’ultima operazione termina la stima dei quantitativi dei fanghi di supero prodotti dagli impianti di depurazione a fanghi attivi. Per due depuratori è però presente anche l’ispessitore a gravita (Depuratore La Murella e Depuratore Casotti) e quindi per determinarne i quantitativi finali di fanghi prodotti, si considerare l’umidità riportata nell’equazione Equazione 5.3 e si ripetono le operazioni sopra illustrate a partire dalla Equazione 5.20.
Concludendo, la produzione annua di fanghi di supero da impianti a fanghi attivi del territorio di riferimento è stimata in 61.361.923 kg di fango con un’umidità del
99% (il volume corrispondente è di 61.362 m3).
Impianti con letti percolatori
Gli impianti a letti percolatori del comprensorio in esame sono impiantisticamente strutturati in linea liquami nel seguente ordine: fossa Imhoff/tricamerale, percolatore e infine sedimentatore secondario. La produzione di fango è quindi data dal fango digerito raccolto sul fondo della fossa Imhoff/tricamerale (si tratta quindi di materiale veicolato dal liquame che è sedimentato) e dallo spoglio della biomassa raccolta nel sedimentatore (fango di supero). La stima che segue riguarda la produzione del fango di supero, quella per il fango primario digerito è illustrata quando si tratta delle fosse Imhoff/tricamerale. Nella Tabella 3 (Produzione di fanghi di supero da impianti a letti percolatori) dell’ Allegato 3 sono riportate le sole quantità di fango di supero prodotte, mentre nella Tabella 2 (Produzione di fanghi da fosse Imhoff/tricamerali) del medesimo Allegato i risultati inerenti alla produzione di fango primario digerito.
Nella stima che segue si sono ipotizzati percolatori a basso carico.
Dati (Bonomo, 2008)
Equazione 5.15. Valore di BOD del liquame in ingresso all'impianto di depurazione ( la scelta di questo valore che è leggermente diverso dal valore assunto per gli impianti a fanghi attivi, è motivata dal fatto che i dati che seguono sono di tipo sperimentale e sono validi per un valore di BOD pari appunto a quello qui ipotizzato).
60 BOD= d ae g ⋅
Equazione 5.16. Produzione giornaliera di fango di supero su base secca per abitante equivalente servito. 13 SS= ∆ d ae gSS ⋅
Equazione 5.17. Umidità del fango di supero estratto dal sedimentatore secondario. %
93
u =
Equazione 5.18. Peso specifico dei fanghi con umidità del 93%: con questo valore di umidità è ancora giustificato utilizzare come peso specifico il valore di quello dell’acqua.
000 . 1 f = γ 3 m kg Operazioni
I risultati delle seguenti operazioni sono riportate nella Tabella 3 (Produzione di fanghi di supero da impianti a letti percolatori) dell’ Allegato 3.
Equazione 5.19. Produzione giornaliera totale di fango di supero su base secca. 000 . 1 N SS SS ae t = ∆ ⋅ ∆ d kgSS
Equazione 5.20. Peso del fango di supero prodotto giornalmente. u 1 SS Pf t d − ∆ = d kg
Equazione 5.21. Volume del fango di supero prodotto giornalmente. f Pf Vfd d γ = d m3
Equazione 5.22. Peso del fango di supero prodotto annualmente. 365
Pf
Pfy = d ⋅
y kg
Equazione 5.23. Volume del fango di supero prodotto annualmente. 365
Vf
Vfy = d ⋅
y m3
A conclusione di questo paragrafo, si riporta la produzione annua di fanghi di supero da impianti a letti percolatori del territorio di riferimento che è stimata in 288.022 kg di fango con un’umidità del 93% (il volume corrispondente è di 288 m3).
Impianti a biodischi
Per questo tipo di impianti sono valide le considerazioni svolte precedentemente per i letti percolatori, sia sulla natura dei fanghi prodotti che sui dati e le operazione da svolgere. Non ripetendo quindi quanto già detto per i letti percolatori, si
rimanda alla Tabella 4 (Produzione di fanghi di supero da impianti a biodischi) dell’Allegato 3 per la stima della produzione di fango di supero da ogni impianto ed alla Tabella 2 (Produzione di fanghi da fosse Imhoff/tricamerali) del medesimo Allegato per i fanghi da fosse Imhoff/tricamerali.
La produzione annua di fanghi di supero da impianti a biodischi del territorio di riferimento è stimata in 159.974 kg di fango con un’umidità del 93% (il volume corrispondente è di 1.608 m3).
Imhoff/tricamerale
Ai fini della produzione di fango, le fosse Imhoff e tricamerali possono essere trattate allo stesso modo. Il fango che viene estratto dal fondo di queste fosse è costituito dal materiale solido veicolato dal liquame che viene fatto sedimentare. Si tratta di un fango digerito che presenta generalmente un’umidità minore rispetto ai fanghi biologici di supero estratti da un sedimentatore secondario. Nella Tabella 2 (Produzione di fanghi da fosse Imhoff/tricamerali) dell’Allegato 3 sono riportate le stime per ogni impianto del tipo in esame presente nel comprensorio: fra questi vi sono anche le fosse Imhoff/tricamerali in testa agli impianti a letti percolatori, con biodischi, di lagunaggio e di fitodepurazione.
Dati (Masotti e Verlicchi, 2005)
Equazione 5.24. Produzione giornaliera di fango di supero su base secca per abitante equivalente servito. 34 SS= ∆ d ae gSS ⋅
Equazione 5.25. Umidità del fango estratto dalla fossa Imhoff/tricamerale.
% 87
u =
Equazione 5.26. Volume di fango prodotto giornalmente per abitante equivalente servito. 26 , 0 vf = d ae L ⋅ Operazioni
Equazione 5.27. Produzione giornaliera totale di fango su base secca. 000 . 1 N SS SS ae t = ∆ ⋅ ∆ d kgSS
Equazione 5.28. Peso del fango prodotto giornalmente. u 1 SS Pf t d − ∆ = d kg
Equazione 5.29. Volume del fango prodotto giornalmente. 1000 N vf Vf ae d = ⋅
Equazione 5.30. Peso del fango prodotto annualmente. 365
Pf
Pfy = d ⋅
y kg
Equazione 5.31. Volume del fango prodotto annualmente. 365
Vf
Vfy = d ⋅
y m3
La produzione annua di fanghi da fosse Imhoff/tricamerali (comprese anche quelle in testa agli impianti a letti percolatori, con biodischi, di fitodepurazione e di lagunaggio) è stimata in 2.196.188 kg di fango con un’umidità del 87% (il volume corrispondente è di 2183 m3).
Stima complessiva
Nella Tabella 5.2 sono riassunte le quantità di fanghi prodotte annualmente per ogni tipo di impianto secondo le stime effettuate precedentemente per ogni impianto.
Tabella 5.2. Quantità stimata di fango prodotta dagli impianti di depurazione del territorio di riferimento. Quantità di fango prodotta Tipo di impianto kg/y m3/y Fanghi attivi 61.361.923 61.362 Letti percolatori 288.022 288 Biodischi 159.974 1.608 Imhoff/tricamerali 2.196.188 2.183
Prima di considerare il trattamento di disidratazione del fango svolto nel Depuratore Gallicano Capoluogo, seguono alcune riflessioni in merito alle stime dei quantitativi di fango prodotti da ogni tipo di impianto di depurazione. Complessivamente sono prodotti 61.809.919 kg all’anno di fanghi biologici e 2.196.188 kg all’anno di fanghi primari digeriti estratti dalle fosse Imhoff/tricamerali, per una produzione totale di 64.006.107 kg di fango all’anno. Considerando le quantità prodotte in peso (dal punto di vista volumetrico la situazione è analoga), la Figura 5.13 mostra la suddivisione in termini quantitativi della produzione globale di fango di ogni tipo di impianto, mentre la Figura 5.14 in termini percentuali rispetto al quantitativo totale prodotto.
61.361.923 2.196.188 288.022 159.974 0 10.000.000 20.000.000 30.000.000 40.000.000 50.000.000 60.000.000 70.000.000 Fang hi at tivi Imho ff/tri cam erali Letti per colat ori Biod ischi Fanghi attivi 90% Imhoff/tricamerali 6,1% Letti percolatori 4,1% Biodischi 0,0%
Figura 5.14. Suddivisione in termini percentuali della produzione globale di fango [kg/y] di ogni tipo di impianto rispetto alla produzione complessiva stimata per il territorio di riferimento.
Dalla Figura 5.14 risulta in modo molto chiaro che la maggior quota di quantitativi di fanghi prodotti nel territorio di riferimento spetta agli impianti a fanghi attivi. E’ interessante confrontare la percentuale di produzione di fanghi e la percentuale di abitanti equivalenti serviti spettanti ad ogni tipo di impianto (Figura 5.4). Si nota nel caso di impianti a fanghi attivi che la prima percentuale è maggiore della seconda: da ciò si trae che secondo i metodi di stima della produzione di fango adottati nel presente studio, la produzione di fango per abitante equivalente servito è maggiore nel caso di impianti a fanghi attivi rispetto a tutti gli altri tipi di impianto. Ciò è facilmente riscontrabile anche osservando i diversi valori di ∆SS (produzione giornaliera di fango su base secca per abitante equivalente) e dell’umidità dei fanghi prodotti da ogni tipo di impianto: per entrambi i parametri i fanghi attivi presentano il valore maggiore rispetto a tutti gli altri.
Si considera infine il trattamento di disidratazione meccanica con nastropressa svolto per l’intero quantitativo dei fanghi prodotti dagli impianti di depurazione
Figura 5.13.Suddivisione in termini quantitativi della produzione globale di fango [kg/y] di ogni tipo di impianto.
avviene nel solo Depuratore Gallicano Capoluogo che raccoglie tutti i fanghi provenienti anche dagli altri impianti. Tali fanghi, secondo le ipotesi assunte per le stime effettuate per ogni tipo di impianto, hanno un diverso grado di umidità e quindi si deve calcolare il peso risultante dal trattamento di disidratazione per ogni tipo di fango caratterizzato da un determinato contenuto di acqua (in realtà si potrebbero anche considerare tutti i fanghi con un contenuto di acqua pari al 99% poiché il 90% dei fanghi, ovvero i fanghi attivi, ha tale umidità e l’errore così commesso sarebbe di scarsa importanza). Ipotizzando che dopo la disidratazione l’umidità del fango sia del 80% e applicando l’Equazione 5.32, si ottiene il peso dei fanghi dopo tale trattamento.
Equazione 5.32. Peso dei fanghi dopo disidratazione, dove Pfy e u sono, rispettivamente, il peso e
l'umidità del fango prima della disidratazione (diverse per ogni tipo di fango secondo le stime effettuate per ogni categoria di impianti) e 0,8 rappresenta l'umidità residua del fango dopo la disidratazione. 8 , 0 1 u 1 Pf Pf80% y − − ⋅ = y kg
Per determinare il volume dei fanghi dopo la disidratazione meccanica (Vf80%), è necessario calcolare prima il peso specifico degli stessi per l’umidità del 80%. A tali valori di umidità considerare il peso specifico dei fanghi pari a quello dell’acqua non è del tutto corretto, peraltro l’errore che si commetterebbe rientrerebbe nel grado di approssimazione dovuto alla stima effettuata basata sui soli dati di letteratura. Si assumono quindi i seguenti valori (Bonomo, 2008):
Equazione 5.33. Peso specifico della componente organica dei solidi. 000 . 1 v = γ 3 m kg
Equazione 5.34. Peso specifico della componente non volatile dei solidi. 500 . 2 nv = γ 3 m kg
Equazione 5.35. Frazione in peso dei solidi volatili sui solidi totali: è un valore tipico per fanghi attivi prodotti da impianti ad aerazione prolungata. L'assunzione di tale valore è quindi giustificata dalla constatazione della percentuale di fanghi attivi disidratati che raggiunge il 90% (Figura 5.14).
65 , 0
v=
Equazione 5.36. Peso specifico dell'acqua. 000 . 1 a = γ 3 m kg
Con le seguenti operazioni si giunge al peso specifico dei fanghi con umidità dell’80%:
Equazione 5.37. Peso specifico della sostanza secca. v nv nv v SS ) v 1 ( v⋅γ + − ⋅γ γ ⋅ γ = γ 3 m kg da cui si ottiene γSS =1.266 3 m kg
Equazione 5.38. Peso specifico del fango con umidità del 80%.
a SS SS a ) u 1 ( u f γ ⋅ − + γ ⋅ γ ⋅ γ = γ 3 m kg
da cui si ottiene il valore γf =1.044 3 m
kg
In Tabella 5.3 sono riportati il peso e il volume dei fanghi prodotti da ogni tipo di impianti di depurazione dopo il trattamento di disidratazione.
Tabella 5.3. Quantità stimata del fango prodotto dagli impianti di depurazione del territorio di riferimento uscente dalla nastropressatura.
Quantità di fango dopo nastropressatura Tipo di impianto Pf80%[kg/y] Vf80%[m 3 /y] Fanghi attivi 3.068.096 2.939 Letti percolatori 100.808 97 Biodischi 55.991 54 Imhoff/tricamerali 1.427.522 1.367
La quantità totale di fanghi prodotti dopo la nastropressatura è di 4.652.417 kg all’anno che rappresenta il 7,3% dei 64.006.107 kg annui di fanghi prodotti dagli impianti di depurazione e non disidratati. Da tale confronto risulta evidente l’importanza della disidratazione dei fanghi che qui è stata ipotizzata arrivare fino al 20% di concentrazione di secco.
A conclusione dello studio effettuato per il comprensorio della Garfagnana, vi è da dire che per saggiare la bontà delle stime ottenute, esse dovranno essere confrontare con le produzioni reali di fango di alcuni impianti di depurazione. Il numero di impianti presenti nel comprensorio è elevato, quindi, per una prima fase di confronto, si dovranno scegliere a campione alcuni depuratori rappresentativi del tipo di trattamento di depurazione che effettua. La rappresentatività sarà significativamente influenzata anche dallo stato di manutenzione e di funzionamento dell’impianto. Saranno inoltre da preferire, soprattutto per quanto riguarda gli impianti a fanghi attivi, quegli impianti per cui sono disponibili alcuni parametri operativi come la concentrazione di ossigeno disciolto nella vasca di ossidazione, il grado di rimozione degli inquinanti, l’utilizzo di reattivi chimici coagulanti - flocculanti ecc. in modo da poter meglio tarare le stime anche per altri impianti.
5.2.3 Creazione di un database operativo
Per il territorio di riferimento ove la sede operativa GAIA S.p.A. di Gallicano (Lu) svolge la sua attività di Gestore del Servizio Idrico Integrato, dato il numero notevole di impianti di depurazione di acque reflue urbane da esaminare, si è voluto creare un database informatico che raccolga ed organizzi i principali dati riguardanti ogni impianto di depurazione. Il database ha permesso di gestire in modo semplice e veloce tali dati soprattutto durante le fasi di analisi del territorio di riferimento (i cui risultati sono riportati al precedente paragrafo) e di stima delle produzioni di fango. Il programma con cui è stato realizzato il database è Microsoft Access (pacchetto Office per Windows).
Le informazioni riguardanti ciascun impianto di depurazione sono suddivise all’interno del database secondo sette diverse categorie:
Presentazione impianto; Disponibilità e accessibilità; Struttura impianto;
Parametri d’impianto;
Parametri fisico/chimici liquame; Fango da linea liquami;
Trattamento fango.
Nell’Allegato 4 è presente un report stampato direttamente dal database che mostra per ogni categoria (nel report detta scheda) i dati presi in considerazione.
La categoria Presentazione impianto riporta le principali informazioni di carattere generale riguardanti la localizzazione e l’identificazione dell’impianto. Prevede informazioni anche in merito alla tipologia della fognatura afferente, il nome del ricettore dello scarico, la presenta ed il tipo di elementi telecontrollabili, lo stato di conservazione ed il numero di abitanti equivalenti serviti, dato fondamentale per la stima della produzione di fanghi.
La tipologia di dati Disponibilità e accessibilità riporta informazioni sulla disponibilità di energia elettrica, sugli spazi eventualmente liberi per un ingrandimento dell’impianto e l’accessibilità allo stesso con mezzi su gomma (quest’ultima è da valutare secondo la larghezza e la pendenza longitudinale della strada e la presenza o meno di asfaltatura). Questi dati possono rivestire un ruolo importante per la localizzazione di una piattaforma di trattamento fango in quanto il sito scelto, supposto coincidente con un impianto esistente, dovrà, ad esempio, essere facilmente accessibile agli automezzi che trasportano il fango.
La categoria Struttura impianto descrive la configurazione impiantistica della linea liquami e della linea fanghi: naturalmente queste sono le informazioni principalmente caratterizzanti l’impianto. In base al tipo di linea liquami, come spiegato nel precedente paragrafo, è effettuata la stima della produzione di fango. La tipologia di dati Parametri d’impianto riporta i più importanti parametri operativi della linea liquami. Le informazioni ivi considerate sono anche legate alla
produzione di fango di ogni impianto, in particolare per il caso degli impianti a fanghi attivi la concentrazione la concentrazione dell’ossigeno e della biomassa in vasca di ossidazione e l’età del fango.
I dati riportati nella categoria Parametri fisico/chimici liquami riguardano le concentrazioni di inquinanti presenti nel liquame in entrata all’impianto e quelle in uscita dopo il trattamento di depurazione.
La categoria Fango da linea liquami riporta il peso, il volume e l’umidità del fango prodotto in linea liquami di ogni singolo impianto.
L’ultima tipologia di dati è quella del Trattamento fango che, oltre a ripetere quanto espresso nella precedente categoria, prende in considerazione eventuali arrivi di fango da altri impianti (peso, umidità e volume) e la presenza della linea fanghi. Per quest’ultima viene riportato il peso, l’umidità ed il volume del fango ottenuto dai trattamenti effettuati. Sono incluse inoltre la frequenza di rimozione, la capacità degli automezzi utilizzati per il trasporto fanghi ed il tipo di smaltimento.
Per concludere questo paragrafo dedicato all’illustrazione del database creato, si ribadisce l’importanza che esso ha avuto nella trattazione dei dati di un così ampio numero di impianti di depurazione.
5.3 Il comprensorio della Valdinievole
5.3.1 Descrizione
Il comprensorio della Valdinievole fa parte dell’Ambito Territoriale Ottimale 2 (ATO 2) della Regione Toscana, il cui Gestore del Servizio Idrico Integrato è la Società Acque S.p.A. Di tale territorio ne fanno parte 12 comuni, tutti della provincia di Pistoia, per un totale di 37 impianti di depurazione.
In Tabella 5.4 sono riportati per ognuno dei 37 impianti di depurazione i dati forniti dalla Società Acque S.p.A., fra cui le produzioni di fango annue (Pf in kg/y) riferite all’anno 2007 nell’ipotesi che l’umidità sia pari al 99%.
Tabella 5.4. Tabella con i dati forniti dalla Società Acque S.p.A. per il comprensorio della Valdinievole.
Nome impianto Comune A.E. Tipologia
impianto Pf [kg/y]
San Quirico Pescia 200 Fanghi attivi 42.000
Pietra Buona Pescia 340 Fanghi attivi 249.000
Monte a Pescia Pescia 100 Fanghi attivi 25.000
Pescia Pescia 16.100 Fanghi attivi 18.728.800*
Macchino Pescia 100 Fanghi attivi 22.000
Sorana Pescia 164 Fanghi attivi 66.000
Aramo Pescia 500 Letti percolatori 15.000
Vellano Pescia 314 Letti percolatori 27.000
Nome impianto Comune A.E. Tipologia
impianto Pf [kg/y]
Pittini Buggiano 5.600 Fanghi attivi 2.309.000
Bellavista Buggiano 12.500 Fanghi attivi 1.480.000
Pieve a Nievole Pieve a Nievole 85.000 Fanghi attivi 89.235.900*
Anchione Ponte
Buggianese 2.000 Fanghi attivi 501.000
La Fattoria Ponte
Buggianese 6.416 Letti percolatori 304.000
Montagnana Marliana 400 Fanghi attivi 32.000
Avaglio Marliana 80 Fanghi attivi 6.000
Monsummano Terme
Monsummano
Terme 6.500 Fanghi attivi 59.000
S.Baronto Lamporecchio 720 Fanghi attivi 69.500
Alberghi Lamporecchio 100 Fanghi attivi 22.000
Papone e Casuccia Lamporecchio 170 Fanghi attivi 33.000
Via Volta Lamporecchio 6.000 Fanghi attivi 186.000
Poggio alla Cavalla Lamporecchio 150 Fanghi attivi 31.000
Porciano Lamporecchio 105 Fanghi attivi 41.000
Via Amendola Lamporecchio 1.225 Fanghi attivi 245.000
Orbignano Lamporecchio 720 Fanghi attivi 54.000
Ponte di Feroce Lamporecchio 1.200 Fanghi attivi 417.000
Larciano (Castello) Larciano 306 Fanghi attivi 60.000
Larciano (Cecinese) Larciano 550 Fanghi attivi 59.000
Baccane Larciano 5.840 Fanghi attivi 1.525.000
Montecatini Alto Montecatini
Terme 350 Fanghi attivi 73.000
Chiesina Uzzanese-La Uzzanese-Lama
Chiesina
Uzzanese 100 Fanghi attivi 34.000
Chiesina Uzzanese Chiesina
Uzzanese 6.600 Letti percolatori 538.000
Forone Uzzano 750 Fanghi attivi 120.000
Torricchio Uzzano 6.350 Fanghi attivi 462.000
Massa Massa e Cozzile 500 Fanghi attivi 40.500
Cozzile Massa e Cozzile 420 Fanghi attivi 6.000
Traversagna Massa e Cozzile 12.600 Letti percolatori 536.000
(*) Tali quantità sono calcolate sapendo il corrispondente peso della quantità disidratata e ipotizzando che l’umidità dei fanghi disidratati sia pari all’80%.
Dall’analisi della Tabella 5.4 si nota che tutti i depuratori applicano al liquame da trattare un processo di tipo biologico e quindi producono tutti fanghi di tipo biologico. Il totale degli abitanti equivalente serviti è pari 181.585, mentre la produzione annua totale di fanghi prodotti è pari a 117.727.700 kg.
Attualmente gli impianti del comprensorio che trattano il fango prodotto anche da altri depuratori sono gli impianti Pescia e Pieve a Nievole che dispongono di una disidratazione meccanica ciascuno. Non tutto il fango prodotto dagli impianti di depurazione del comprensorio viene inviato a questi due impianti, una parte viene infatti inviata a disidratazione in depuratore siti al di fuori del comprensorio della Valdinievole. Nella Tabella 5.5 sono indicate per ogni impianto di depurazione le destinazioni verso cui sono inviate (sempre nell’ipotesi già assunta di umidità del 99%) determinate quote di fanghi prodotti; gli impianti che ricevono i fanghi da disidratare che sono posti al di fuori del comprensorio in esame sono scritti in corsivo.
Tabella 5.5. Quantità di fango [kg/y] inviate da ogni impianto di depurazione verso altri impianti. Impianti che ricevono i fanghi
Nome impianto
produttore di fango Pieve a
Nievole Altopascio Pescia Pagnana Pontedera Cambiano
San Quirico 42.000 Pietra Buona 32.000 13.000 204.000 Monte a Pescia 10.000 15.000 Pescia 18.728.800 Macchino 12.000 10.000 Sorana 10.000 10.000 46.000 Aramo 15.000 Vellano 27.000 Tomolo 11.000 10.000 53.000 Pittini 832.000 230.000 1.247.000 Bellavista 535.000 127.000 818.000 Pieve a Nievole 89.235.900 Anchione 230.000 170.000 36.000 55.000 10.000 La Fattoria 153.000 118.000 21.000 12.000 Montagnana 12.000 20.000 Avaglio 6.000 Monsummano Terme 35.000 24.000 S.Baronto 12.000 6.000 9.000 30.500 12.000 Alberghi 16.000 2.000 4.000 Papone e Casuccia 27.000 6.000 Via Volta 51.000 18.000 13.000 104.000
Poggio alla Cavalla 24.000 7.000
Porciano 35.000 6.000
Via Amendola 175.000 10.000 60.000
Orbignano 32.000 7.000 15.000
Ponte di Feroce 347.000 23.000 23.000 24.000
Impianti che ricevono i fanghi Nome impianto
produttore di fango Pieve a
Nievole Altopascio Pescia Pagnana Pontedera Cambiano
Larciano (Cecinese) 59.000 Baccane 982.000 366.000 51.000 116.000 10.000 Montecatini Alto 73.000 Chiesina Uzzanese-La Uzzanese-Lama 34.000 Chiesina Uzzanese 106.000 204.000 228.000 Forone 20.000 100.000 Torricchio 90.000 44.000 328.000 Massa 34.500 6.000 Cozzile 6.000 Traversagna 29.000 74.000 60.000 302.000 71.000
Effettuando alcune semplici somme, si ricavano le quantità ricevute da ogni impianto:
Pescia: 22.086.800 kg/y;
Pieve a Nievole: 93.259.400 kg/y;
Altopascio: 1.434.000 kg/y; Pagnana: 805.500 kg/y; Pontedera: 130.000 kg/y; Cambiano: 12.000 kg/y.
Il totale dei quantitativi di fango prodotti nel comprensorio di riferimento che vengono disidratati in un impianto appartenente allo stesso territorio, ammontano quindi a 115.346.200 kg/y (Pescia e Pieve a Nievole). Il quantitativo di fango inviato in impianti esterni al comprensorio per essere disidratato è invece pari a 2.381.000 kg/y (Altopascio, Pagnana, Pontedera e Cambiano). Quest’ultima quantità è pari al solo 2% del quantitativo totale prodotto.
Si vuole comunque valutare economicamente l’opportunità di disidratare l’intero quantitativo di fanghi prodotti dagli impianti appartenenti al comprensorio all’interno dello stesso minimizzando i costi di trasporto e quelli inerenti all’utilizzo di tecnologie per la disidratazione: nel seguito tale proposta è detta scenario di gestione ottimizzato. L’applicazione del modello B di ottimizzazione gestionale sviluppato nel presente studio per il caso in esame ha quindi come obbiettivo quello di fornire la localizzazione all’interno del comprensorio di una o più piattaforme di disidratazione del fango, con la condizione di minimizzare i costi precedentemente detti. La soluzione proposta dalla risoluzione del modello fornisce anche le quantità
di fango che ogni impianto deve inviare ad una determinata piattaforma1.
Il paragrafo successivo fornisce una stima dei costi sostenuti con il sistema di trattamento dei fanghi attualmente in esercizio. In questo modo si può confrontare tale stima con il costo minimo calcolato dal modello nel caso dello scenario di gestione ottimizzato elaborato al paragrafo 5.3.3.
5.3.2 Stima dei costi attuali di gestione del fango
Si stimano in questo paragrafo i costi attualmente sostenuti per la gestione del della filiera di trattamento dei fanghi prodotti nel comprensorio della Valdinievole. I costi considerati sono quelli di esercizio delle disidratatrici meccaniche a nastropressa presenti negli impianti di Pescia, Pieve a Nievole, Altopascio, Pagnana, Pontedera e Cambiano. L’altra fonte di costo qui considerata è data dal trasporto dei fanghi su strada. Il costo totale stimato è una valutazione annua che si basa sui dati di produzione del fango mostrati nel precedente paragrafo.
Costi di esercizio
La Società Acque S.p.A ha indicato come costo di esercizio per le nastropresse adoperate negli impianti sopra citati il valore di 0,36 Euro/kg SST. Tale costo unitario è comprensivo dei consumi energetici, del consumo di polielettroliti per il condizionamento dei fanghi precedente alla disidratazione e dal costo del personale addetto al processo di disidratazione.
Supponendo come già fatto nella Tabella 5.4 che l’umidità dei fanghi prodotti sia del 99%, si determina con la seguente espressione il costo di esercizio per un kg di fanghi con tale umidità:
0036 , 0 99 , 0 1 1 36 , 0 g = −
= Euro per kg fango con umidità del 99%.
Il quantitativo totale dei fanghi con umidità al 99% da disidratare è pari a 117.727.700 kg e quindi, moltiplicando tale valore per il costo di esercizio unitario sopra ricavato, si determina il costo di esercizio delle nastropresse annualmente sostenuto. Tale costo risulta pari a:
423.820 Euro all’anno
1 per scenario di gestione ottimizzato si intende lo scenario che risulta economicamente ottimizzato fra
i possibili tipi di gestione dei fanghi valutate dal modello. In questo caso i tipi di gestione valutati dal modello sono diversa localizzazione all’interno del comprensorio di tecnologie per la disidratazione meccanica. Questa specifica è per evitare che si giunga al fraintendimento di considerare lo scenario di gestione ottimizzato come sicuramente migliore da un punto di vista economico rispetto allo stato attuale di gestione del fango. In definitiva la soluzione che si ricava dall’applicazione del modello è ottimizzata fra quelle che il modello stesso elabora; lo stato attuale, e comunque altri possibili criteri di gestione, devono essere confrontati con la soluzione
Costi di trasporto
La Società Acque S.p.A ha indicato come costo unitario medio di trasporto fanghi con elevata umidità il valore di 0,52 Euro al km per una tonnellata di fango equivalente a 0,00052 Euro al km per kg di fango. In Tabella 5.6 sono indicate le distanze chilometriche (solo quelle necessarie ai fini del calcolo dei costi) fra gli impianti di depurazione e i relativi impianti verso cui vengono inviati i fanghi alla disidratazione; è inoltre riportato il costo annuale sostenuto per il trasporto dei fanghi prodotti da ogni impianto. Tale costo è facilmente ottenibile moltiplicando le corrispondenti colonne della con quelle della Tabella 5.5, sommando i prodotti ottenuti per ogni riga delle tabelle ed infine, moltiplicando la somma ottenuta per il costo unitario di trasporto (0,00052 Euro al km per kg di fango).
Tabella 5.6. Distanze fra impianti produttori di fango e quelli che lo disidratano e costo annuo di trasporto per ogni impianto.
distanze chilometriche Nome impianti
produttori di fango Pieve a
Nievole Altopascio Pescia Pagnana Pontedera Cambiano
Costo [Euro/anno] San Quirico 15 328 Pietra Buona 16 18 8 1.242 Monte a Pescia 17 6 133 Pescia 0 0 Macchino 21 13 202 Sorana 23 25 15 609 Aramo 13 100 Vellano 17 234 Tomolo 15 8 1 160 Pittini 6 11 7 8.369 Bellavista 7 10 6 5.158 Pieve a Nievole 0 0 Anchione 7 9 11 25 26 2.679 La Fattoria 6 10 9 28 1.353 Montagnana 40 48 745 Avaglio 43 134 Monsummano Terme 7 21 384 S.Baronto 19 35 39 18 29 882 Alberghi 19 35 18 228 Papone e Casuccia 15 13 255 Via Volta 14 29 27 14 1.597
Poggio alla Cavalla 13 26 256
Porciano 22 18 464
Via Amendola 12 29 17 1.743
distanze chilometriche Nome impianti
produttori di fango Pieve a
Nievole Altopascio Pescia Pagnana Pontedera Cambiano
Costo [Euro/anno] Orbignano 17 14 35 604 Ponte di Feroce 13 25 17 30 3.125 Larciano (Castello) 14 33 19 649 Larciano(Cecinese) 9 276 Baccane 12 28 25 19 30 13.177 Montecatini Alto 6 216 Chiesina Uzzanese-La Uzzanese-Lama 8 134 Chiesina Uzzanese 12 6 6 1.986 Forone 8 5 330 Torricchio 9 11 4 1.353 Massa 8 36 260 Cozzile 11 34 Traversagna 6 9 7 28 27 6.034
Sommando i costi di trasporto relativi ad ogni impianto di depurazione, si ottiene il valore di:
55.432 Euro all’anno
Da notare che 22.853 Euro all’anno sono dovuti ai trasporti verso impianti di depurazione al di fuori del comprensorio: tale somma rappresenta ben il 41% del costo totale di trasporto nonostante i quantitativi trasportati siano solo il 2% del totale prodotto (paragrafo 5.3.1).
I costi totali sostenuti annualmente per l’attuale gestione dei fanghi sono quindi stimabili in:
479.252 Euro all’anno
di cui il 12% sono rappresentati dai costi di trasporto. La maggior parte dei costi, 88%, sono quindi dovuti al costo di esercizio sostenuto per disidratare i fanghi.
5.3.3 Scenario di gestione ottimizzato: applicazione del modello di ottimizzazione
In questo paragrafo si vuole valutare l’opportunità di disidratare l’intero quantitativo di fanghi prodotti dagli impianti appartenenti al comprensorio all’interno dello stesso minimizzando i costi di trasporto e quelli inerenti all’utilizzo di tecnologie per la disidratazione. Tale proposta, detta scenario di gestione
ottimizzato, viene valutata con l’applicazione numerica del modello B di
ottimizzazione gestionale sviluppato nel presente studio e per il caso in esame (capitolo 4, Modelli di ottimizzazione gestionale e codici solutori). Il modello B ha quindi
i costi precedentemente detti. I costi che il modello deve fornire sono su base annua per poterli confrontare con i costi stimati dell’attuale gestione.
Lo scenario di gestione ottimizzato ponderato assieme alla Società Acque S.p.A., prende in considerazione, per il comprensorio in esame, la possibilità di installare delle disidratatrici analoghe a quelle presenti attualmente negli impianti di Pescia e Pieve a Nievole.
Si esaminano i passaggi dell’applicazione del modello B al caso di studio in esame. Il modello B prevede un solo tipo di fango e la medesima tecnologia, ma con due diverse capacità di trattamento, da installare nelle piattaforme. Nel presente studio il solo tipo di fango prodotto è quello derivante da processi biologici (fango di supero) e la tecnologia da installare è un solo tipo (disidratazione meccanica con nastropressa), ma con due diverse capacità come risulta dai dati riportati nel seguito. La Figura 5.15 mostra il grafo bipartito del modello B per il caso di studio. Ad ogni impianto di depurazione e ad ogni piattaforma è stato assegnato un apposito indice numerico: l’assegnazione di tale indice dipende dalla scrittura del modello effettuata in linguaggio AMPL così come mostrato nel seguito.
Le potenziali piattaforme di trattamento fango attivabili sono poste in corrispondenza dei 7 impianti di depurazione esistenti che trattano il maggior numero di abitanti equivalenti: la soluzione numerica del modello indicherà quali piattaforme attivare per minimizzare i costi.
La formulazione matematica del modello B rimane la stessa rispetto a quella presentata al paragrafo 4.2.1 (Formulazione matematica dei modelli) salvo quanto segue:
l’espressione matematica del costo di trasporto è: Cij(sij)=sij ⋅lij ⋅cu, dove,
oltre ai termini noti, cu rappresenta il costo unitario medio di trasporto fanghi con elevata umidità e vale, come già dichiarato nel precedente paragrafo, 0,00052 Euro al km per kg di fango. Rispetto alla formula del costo esaminata al paragrafo 4.2.1 è quindi assente l’assegnamento ad ogni impianto di depurazione di un automezzo di determinata capacità di trasporto fanghi. In questo caso si ha a disposizione un costo unitario di trasporto indipendente dalla capacità dell’automezzo impiegato;
i vincoli tipo 5 erano espressi in modo generale con la formulazione:
NO 2
j 0,j V
y = ∈
e yj =1,j∈V2SI; applicando il modello ad un caso reale si
devono definire gli insiemi delle piattaforme che devono essere obbligatoriamente attivate e quelle che non lo devono essere. Nel caso in esame una piattaforma di trattamento del fango deve essere attivata negli impianti di Pescia e Pieve a Nievole (anche l’attuale sistema di gestione dei fanghi prevede la presenza della disidratazione in questi impianti). Tale scelta è dettata dalla considerazione che sono i due impianti che servono il maggior numero di abitanti equivalenti fra quelli presenti nel comprensorio, rispettivamente, 16.100 e 85.000: con tali potenzialità l’installazione di una nastropressa è effettivamente consigliabile. I vincoli tipo 5 sono quindi ora
esprimibili con le seguenti formulazione: y 1
1 R 2 V j j =
∑
∈ e y 1 4 R 2 V j j =∑
∈ . Tali1 San Quirico 2 Pietra Buona 3 Monte a Pescia 4 Pescia 5 Macchino 6 Sorana 7 Aramo 8 Vellano 9 Tomolo 10 Pittini 11 Bellavista 12 Pieve a Nievole 17 Monsummano Terme 18 S. Baronto 19 Alberghi 20 Papone e Casuccia 13 Anchione 14 La Fattoria 15 Montagnana 16 Avaglio 21 Via Volta
22 Poggio alla Cavalla 23 Porciano 24 Via Amendola 25 Orbignano 26 Ponte di Feroce 27 Larciano (Castello) 28 Larciano (Cecinese) Pescia 15 22 8 1 Pittini 16 23 9 2 Bellavista 17 24 10 3 Pieve a Nievole 18 25 11 4 Anchione 19 26 12 5 Baccane 20 27 13 6 Chiesina Uzzanese 21 28 14 7 29 Baccane 30 Montecatini Alto
31 Chiesina Uzzanese - La Lama 32 Chiesina Uzzanese 33 Forone 34 Torricchio 35 Massa 36 Cozzile 37 Traversagna
Figura 5.15. Grafo bipartito del modello B per il comprensorio della Valdinievole: assegnazione di un indice numerico ad ogni impianto di depurazione e ad ogni piattaforma.
espressioni obbligano il modello ad attivare una piattaforma, rispettivamente, in Pescia (insieme V ) e in Pieve a Nievole (insieme 21R
2 R 2
V ).
Si specifica la notazione utilizzata per le due diverse capacità di trattamento delle tecnologia di disidratazione: 1 j min q e 1 j max q
sono, rispettivamente, la capacità minima e massima della tecnologia con capacità maggiore (cerchio che reca il segno più dell’addizione in Figura 5.15 e nel seguito è anche detta nastropressa di tipo 1),
tecnologia con capacità minore (cerchio che reca il segno meno della sottrazione in Figura 5.15 e nel seguito è anche detta nastropressa di tipo 2).
A questo punto si è in grado di strutturare il modello B secondo il linguaggio di programmazione AMPL: nell’Allegato 5 è riportato il modello B formalizzato secondo tale linguaggio (Modello di localizzazione – file modello). Per la notazione utilizzata vale quanto detto nell’Allegato 1 a proposito dell’esempio riguardante il medesimo modello.
La fase successiva prevede la preparazione dei dati numerici su cui il risolutore informatico (di cui si dirà nel seguito del paragrafo) applica il modello B.
Alcuni sono già stati forniti nell’ambito della precedente fase (costo di trasporto unitario ed anche la numerazione indicata in Figura 5.15 è considerabile come un dato). Gli altri dati da inserire sono le produzioni annuali di fango di ogni impianto di depurazione (Tabella 5.4), le distanze chilometriche fra gli impianti di depurazione e i siti delle possibili piattaforme ed infine, alcuni dati sulle nastropresse ipotizzate. In merito a quest’ultima serie di dati, si ricorda che le nastropresse installabile sono del tipo di quelle presenti negli impianti di Pescia e di Pieve a Nievole: la Tabella 5.7 ne riporta le principali caratteristiche.
Tabella 5.7. Principali caratteristiche delle disidratatrici presenti negli impianti di Pescia e Pieve a Nievole.
Caratteristiche tecniche Pieve a Nievole Pescia
capacità massima nominale [kgSST/h] 1.000 500
costo di acquisto [Euro] 120.000 80.000
costo di esercizio [Euro/kgSST] 0,36 0,36
La nastropressa presente a Pieve a Nievole è quindi quella con capacità di trattamento maggiore, quindi, secondo la notazione qui utilizzata, nel grafo bipartito di Figura 5.15 è quella indicata con il segno più dell’addizione e con l’apice 1 nella formulazione matematica. Viceversa, la nastropressatrice dell’impianto di Pescia è indicata con il segno meno della sottrazione in Figura 5.15 e con l’apice 2 nella formulazione matematica. Per poter utilizzare tali dati nell’applicazione numerica del modello devono essere effettuate alcune considerazioni:
nella pratica le nastropressatrici non sono sfruttate al pieno delle loro potenzialità ed è quindi corretto considerare un coefficiente di riduzione della capacità massima nominale che in questo studio è posto pari a 0,7 (si ottiene la capacità massima effettiva);
ancora per quanto concerne la capacità di trattamento delle nastropresse, si deve porre anche un limite inferiore col significato che al di sotto di tali quantitativi di fango da trattare, la nastropressa di quella capacità ordinaria non ha convenienza economica ad essere utilizzata. Tale limite inferiore, detto capacità minima, si pone pari allo 0,5 della capacità massima nominale; per determinare la capacità complessiva di trattamento delle nastropresse in
che massima, è necessario fissare il numero di ore lavorative della nastropressa in un settimana: in questo caso si assume che sia di 22 ore. poiché il costo espresso dalla funzione obbiettivo deve essere su base annua,
è necessario calcolare la rata annua da sostenere per ammortizzare il costo di acquisto della tecnologia. Ipotizzando un metodo di ammortamento progressivo (quota di ammortamento rimane costante) con il tasso d’interesse concesso da una banca pari al 6% e il debito estinguibile in 20 anni, la quota annua costante posticipata di ammortamento (a ) si determina con la seguente espressione:
1 ) 06 , 0 1 ( ) 06 , 0 1 ( 06 , 0 S a 20 20 o + − + ⋅ ⋅ = , dove S è il costo 0 d’investimento iniziale.
Alla luce delle considerazioni svolte, si propongono in Tabella 5.8 i dati da utilizzare per l’applicazione del modello B (le unità di misura sono riferite ai kg di fango per uniformità con le produzioni degli impianti riportate in Tabella 5.4; il fango si è considerato con un’umidità pari al 99% coerentemente con quanto ipotizzato fino ad ora).
Tabella 5.8. Dati sulle nastropressatrici da utilizzare per l'applicazione numerica del modello B.
Caratteristiche tecniche Pieve a Nievole Pescia
capacità massima effettiva all’anno
[kg fango/y] 80.080.000 40.040.000
capacità minima all’anno [kg fango/y] 57.200.000 28.600.000
a [Euro/y] 10.462 6.975
costo di esercizio [Euro/kg fango] 0,0036 0,0036
Si osserva che il costo unitario di esercizio delle nastropresse e il costo unitario di trasporto, sono riferiti all’anno corrente, mentre il costo di acquisto della nastropressa tiene conto dell’ammortamento in 20 anni: si è ritenuto, considerando anche che l’applicazione numerica ha come obbiettivo soprattutto quello di testare il modello di ottimizzazione gestionale ottimizzato su di un caso reale, di non considerare una variazione nel tempo dei costi unitari che risulterebbe di difficile ed incerta valutazione visti i rapidi e non prevedibile mutamenti del costo dei combustibili e dell’energia.
I dati necessaria per l’applicazione numerica del modello sono del tutto illustrati e nell’Allegato 5 è riportata la scrittura dei dati (Modello di localizzazione – file dati) in linguaggio AMPL.
Definito il modello (formulazione matematica e scrittura in AMPL) e i dati inerenti al caso in esame (scrittura in AMPL), rimane solo la fase di calcolo che fornisce la soluzione numerica per il problema in esame. Per ottenere tale soluzione si è fatto affidamento al sito Neos Server (riportato in bibliografia con anche alcuni studi che ne dettagliano la funzionalità e gli obbiettivi: Czyzyk et al., 1998, Gropp e Moré,
è fatto affidamento al software SCIP (Solving Constraint Integer Programs) che accetta il linguaggio AMPL. Tale software offre la disponibilità di scelta fra più solutori ed in questo caso si è optato per il solutore CPLEX (utili riferimenti in merito al software citato e al corrispondente solutore sono disponibili sul sito stesso di Neos Server). L’interazione col sito Neos Server ed in particolare con il software SCIP, avviene tramite l’invio da parte dell’utente di un e-mail (come deve essere inviata è chiarito sul sito) con allegati i due file scritti in AMPL che descrivono il modello e i dati (riportati nell’Allegato 5). Il file di testo che descrive il modello deve avere estensione .mod, mentre quello per i dati .dat.
La risposta contente la soluzione numerica è inviata dal sito Neos Server all’indirizzo e-mail dell’utente. I risultati ottenuti dall’elaborazione del modello di ottimizzazione gestionale sviluppato per il presente studio sono riportati nell’Allegato 6. La risposta che invia il sito Neos Server varia in dipendenza del software a cui si accede: nel caso di SCIP la risposta è ricca anche di dettagli riguardanti lo svolgimento matematico dell’elaborazione. Ciò che interessa maggiormente sono le parti che si è provveduto a riquadrare (linea tratteggiata di colore verde). Nei primi due riquadri sono riportati principalmente il numero delle variabili e dei vincoli. Il software dichiara che le variabili del modello (inteso applicato ai dati per il caso in esame) sono 1.092 di cui 28 binarie (è corretto poiché esiste una variabile binaria di localizzazione per ognuna delle piattaforme attivabili che sono per l’appunto 28), mentre i vincoli sono 130 (tutti lineari). Nel terzo riquadro si ha la conferma che il problema è stato risolto dal software ed è stata trovata la soluzione ottima ovvero il minimo valore della funzione obbiettivo (il tempo impiegato per la risoluzione è di 0,49 secondi). Infine, nel quarto riquadro sono riportati il valore della funzione obbiettivo (minimo) e i valori di ognuna delle variabili del modello. Il minimo valore della funzione obbiettivo è di:
512.319 Euro all’anno
Analisi del valore assunto dalle variabili del modello in corrispondenza del valore minimo della funzione obbiettivo trovato (fra parentesi quadre è indicato l’indice numerico dell’impianto o della piattaforma secondo la convenzione di Figura 5.15) : variabili di localizzazione (y ): solo nel caso delle piattaforme 8 e 18 la j varabile di localizzazione assume il valore 1. Questo significa che le piattaforme da attivare sono la numero 8 e la numero 18 che corrispondono, rispettivamente, ai siti di Pescia e Pieve a Nievole. La piattaforma 8 prevede l’installazione della nastropressa con capacità minore, mentre la piattaforma 18 l’accoppiamento delle due nastropresse di diversa capacità;
variabili dei quantitativi di fango inviati da un impianto verso una piattaforma (s ): per ogni impianto sono indicate le quantità di fango [kg/y] ij che vengono inviate alle piattaforme attivate (è immediato controllare che corrispondono alle quantità di fango prodotte da ogni impianto). Si nota che solo nel caso del depuratore Pieve a Nievole (12 secondo la numerazione in
base all’indice i degli impianti) l’impianto invia i fanghi ad entrambe le piattaforme attivate (fra l’altro una piattaforma è sita secondo la soluzione del modello proprio a Pieve a Nievole);
variabile del livello di attività nelle piattaforme attivate (u ): note le capacità j di trattamento delle nastropresse (Tabella 5.8), si osserva che nella piattaforma 8 il livello di attività coincide con la minima capacità assegnata alla nastropressa di tipo 2, mentre per la piattaforma 18 il livello di attività è poco al di sopra della capacità minima data dalla somma di quella della nastropressa di tipo 1 e della nastropressa di tipo 2.
5.3.4 Confronto fra lo scenario ottimizzato e lo stato attuale
In questo paragrafo è svolto il confronto economico su base annua fra lo stato attuale di gestione dei fanghi e quello previsto nello scenario di gestione ottimizzato. Per effettuare tale raffronto, è necessario depurare il valore della funzione obbiettivo (ottenuto dall’applicazione del modello B) dalla quota annua costante posticipata di ammortamento della nastropressa di tipo 1 (pari a 10.462 Euro annui) e della nastropressa di tipo 2 (pari a 6.975 Euro annui) poiché sono già presenti all’interno del comprensorio. Si ha quindi che il costo totale da considerare per lo scenario di gestione ottimizzato è di:
494.882 Euro all’anno
Tale costo risulta non diverso da quello attualmente sostenuto pari a 479.252 Euro annui. L’aumento è di 15.630 Euro annui che corrisponde al 3,3% del costo attualmente sostenuto ed è dato in parte dall’acquisto di una nuova nastropressa (tipo 2, quota di ammortamento pari 6.975 Euro/annui) e in parte dai costi di trasporto che nello scenario di gestione ottimizzato subiscono un aumento (i costi unitari di esercizio per la disidratazione sono considerati uguali a quelli dello stato attuale e, poiché non è cambiato il quantitativo di fanghi da disidratare, il costo di esercizio complessivo delle nastropresse continua ad essere stimato in 423.820 Euro annui). Si può quindi già osservare che l’attuale sistema di gestione dei fanghi risulta già ottimizzato poiché comporta dei costi analoghi a quelli derivanti dall’applicazione del modello. Il modello, nell’ipotesi di voler eseguire una disidratazione meccanica dei fanghi con le tecnologie di cui al precedente paragrafo, ha quindi verificato che l’attuale sistema di gestione risulta ottimizzato.
Si approfondisce il perché dell’aumento dei costi di trasporto previsti dalla soluzione fornita dal modello.
La Tabella 5.9 riporta i costi di trasporto attuali (già riportati in Tabella 5.6)e quelli previsti nello scenario di gestione ottimizzato per ogni impianto di depurazione (quest’ultimi sono calcolabili essendo noto il costo unitario di trasporto assunto, le distanze fra gli impianti e le piattaforme attivate ed infine, le quantità trasportate da ogni impianto verso ogni piattaforma sono riportate nella soluzione del modello
![Figura 5.13.Suddivisione in termini quantitativi della produzione globale di fango [kg/y] di ogni tipo di impianto](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/123dokorg/7307523.87936/16.892.220.735.473.692/figura-suddivisione-termini-quantitativi-produzione-globale-fango-impianto.webp)
