Gestione della stagionalità negli impianti di depurazione: strategie e soluzioni OSCAR®

La gestione degli impianti di depurazione delle acque reflue presenta sfide operative complesse, che variano significativamente anche in base alle stagioni. Le variazioni climatiche, i cambiamenti nella composizione dei reflui e le fluttuazioni del carico organico influenzano profondamente le performance degli impianti, richiedendo strategie di gestione dinamiche e adattive. Nell’affrontare queste sfide stagionali, Oscar Solutions vanta un approccio consolidato, basato su un’esperienza decennale, che permette di ottimizzare le performance degli impianti durante tutto l’anno.

In questo articolo analizzeremo le principali problematiche legate alla stagionalità negli impianti di depurazione, illustrando come le nostre soluzioni tecnologiche e metodologie operative permettano di mantenere elevati standard di efficienza e conformità normativa indipendentemente dalle condizioni stagionali. Presenteremo inoltre un case study che dimostra l’efficacia delle strategie implementate per la gestione delle variazioni stagionali.

Le variazioni di temperatura rappresentano uno dei fattori stagionali più critici per gli impianti di depurazione biologica.

Effetti delle basse temperature:

Durante i mesi invernali, le basse temperature rallentano significativamente l’attività metabolica dei microrganismi responsabili della rimozione degli inquinanti, in particolare per quanto riguarda i processi di nitrificazione e denitrificazione. Possiamo incorrere in criticità come:

• Riduzione della velocità di nitrificazione del 3-5% per ogni grado di diminuzione della temperatura;
• Incremento dell’età del fango necessaria per mantenere l’efficienza del processo;
• Possibile deterioramento della qualità del refluo.

Effetti delle alte temperature:

Durante i mesi estivi, le temperature elevate generano una serie di problematiche specifiche che richiedono strategie di gestione mirate. L’aumento della temperatura dell’acqua accelera i processi biologici, ma contemporaneamente riduce la solubilità dell’ossigeno, creando un paradosso operativo complesso. Possiamo incorrere in criticità come:

• Accelerazione dei processi biologici ma con possibili problemi di ossigenazione, per cui la solubilità dell’ossigeno diminuisce di circa il 2%;
• Aumento del consumo energetico per l’aerazione;
• Rischio di sviluppo di condizioni anossiche;
• Possibile formazione di schiume, batteri filamentosi e odori sgradevoli.

Variazioni del carico organico e idraulico

Le fluttuazioni stagionali del carico organico e idraulico rappresentano un’altra sfida significativa nella gestione degli impianti di depurazione. Durante i periodi estivi, molti impianti devono gestire carichi maggiori dovuti al turismo e alle attività stagionali, mentre in inverno possono verificarsi diluizioni eccessive dovute alle precipitazioni.

Durante il sovraccarico estivo possiamo incorrere in criticità come il superamento della capacità di trattamento progettuale, che comporta inevitabilmente difficoltà nel mantenimento dei parametri di qualità dell’effluente. L’incremento significativo della produzione di fanghi di supero richiede una gestione più intensiva del sistema di ispessimento e disidratazione, mentre il sistema biologico subisce stress elevato con possibile perdita di biomassa attiva, compromettendo l’efficienza complessiva del processo depurativo.

Il sotto carico invernale presenta problematiche altrettanto complesse. La diluizione eccessiva che caratterizza questo periodo, ad opera delle precipitazioni atmosferiche, compromette l’efficienza dei processi biologici, rendendo difficile il mantenimento della popolazione microbica attiva. Il rischio di washout della biomassa diventa concreto, specialmente negli impianti con tempi di ritenzione cellulare ridotti, portando a una significativa riduzione dell’efficienza di rimozione degli inquinanti e alla necessità di interventi correttivi per ripristinare l’equilibrio biologico del sistema. Inoltre, in impianti poco caricati, durante la stagione invernale si tende ad aumentare i solidi sospesi nel comparto biologico, per compensare le cinetiche lente. Ciò può provocare un aumento dell’età del fango e quindi favorire la presenza di batteri filamentosi.

Nel 2020 il cliente si è rivolto a Oscar Solutions perché l’impianto faticava a rispettare puntualmente il limite di 10 mg/l sull’azoto totale nel periodo invernale, tra dicembre e febbraio, durante il quale risentiva della forte variabilità dei carichi tra giorni festivi e feriali. Si tratta di un impianto complesso, costruito per fasi successive, con personale di gestione nuovo, con limitata memoria storica.

Successivamente all’installazione del controllore di processo, l’analisi congiunta di Oscar e del personale di gestione ha portato ad apportare una prima serie di modifiche che hanno permesso un netto miglioramento dei risultati allo scarico e della stabilità dell’impianto.

Già nel corso dei primi mesi del 2021, date le criticità che erano emerse in quel periodo in merito al rispetto del limite allo scarico relativo all’azoto totale, sono state effettuate diverse manovre di ottimizzazione, volte a migliorare il processo depurativo. Le modifiche, sia strutturali sia relative a parametri operativi, attuate sono:

• modifica della ripartizione della portata alimentata alle singole linee per equilibrare il carico da trattare in ogni singola vasca sulla base delle volumetrie disponibili;
• scelta di compressori con portata d’aria minore per le ore di basso carico e maggiore nelle ore di alto carico;
• regolazione del ricircolo della miscela aerata sulla base della portata in ingresso;
• messa in esercizio di un’altra linea per aumentare il volume biologico a disposizione per il processo;
• ottimizzazione dei parametri impostati nel controllore OSCAR® per la regolazione del processo allo scopo di ottimizzare l’alternanza tra fasi di aerazione e fasi di non aerazione.

Dalle concentrazioni effluenti (Tabella 1) si nota come con tali carichi in ingresso e con le temperature critiche del periodo invernale (media 13.5°C) che rallentano le cinetiche biologiche l’impianto non sia stato in grado di garantire in tali mesi il rispetto del limite sull’azoto totale, nonostante si sia osservato un certo miglioramento del processo di denitrificazione e nonostante si sia garantito il completamento del processo di nitrificazione a differenza dell’inverno precedente (Figura 1).

Dati i risultati non soddisfacenti dell’inverno 2020-2021, oltre alle modifiche descritte in precedenza, nella primavera del 2021 è stata effettuata un’analisi dettagliata dell’impianto mediante l’uso del modello digitale.

Calibrato il modello, sono stati verificati diversi scenari al fine di individuare i parametri operativi in grado di massimizzare l’abbattimento dell’azoto totale, garantendo la massima efficienza per i processi di nitrificazione e denitrificazione.

Tra i diversi scenari verificati, si riportano di seguito le soluzioni individuate ed i parametri operativi che dal modello sono risultati essere quelli in grado di ottimizzare maggiormente il processo depurativo:

1. mantenimento di un tenore di SST nel comparto biologico di 0 g/l;
2. mantenimento di un rapporto di ricircolo totale (ricircolo fanghi + ricircolo miscela aerata) pari a 1 rispetto alla portata in ingresso.

Dai valori riportati si può osservare come le condizioni operative stimate con il modello ed applicate in campo abbiano permesso di garantire il rispetto del limite allo scarico vigente per l’azoto totale (10.0 mg/L) anche nei mesi invernali (Tabella 2). Il modello si è, dunque, mostrato in grado di riprodurre correttamente i processi biologici di nitrificazione e denitrificazione (come dimostrano le concentrazioni effluenti ottenute in linea con quanto stimato) e si è rivelato uno strumento affidabile ed efficace per l’individuazione delle ottimali condizioni operative.

Oltre a ciò, in sinergia con la gestione sono state attuate ulteriori soluzioni volte ad ottimizzare il processo:

• funzionamento di una centrifuga per più ore al giorno, evitando il funzionamento di due centrifughe in contemporanea per contenere i picchi di ammoniaca in ingresso all’impianto i quali comportano un sovraccarico di azoto al comparto biologico difficilmente gestibile;
• aggiornamento del controllore OSCAR® in modo da diversificare la regolazione del processo nelle ore di alto carico (favorendo la nitrificazione) e nelle ore di basso carico (favorendo la denitrificazione).

Dal 2020 al 2024 la media effluente delle forme azotate ha subito un notevole miglioramento, pari a:

• -29% di azoto totale;
• -73% di azoto nitroso;
• -45% di azoto nitrico;
• -62% di azoto ammoniacale.

La gestione efficace della stagionalità negli impianti di depurazione rappresenta una sfida complessa che richiede approcci tecnologici avanzati e strategie operative sofisticate. Oscar Solutions ha sviluppato tecnologie e metodologie che permettono di affrontare con successo le variazioni stagionali, mantenendo elevati standard di efficienza e conformità normativa durante tutto l’anno.

Il case study presentato costituisce un esempio emblematico dell’efficacia dell’approccio OSCAR. In un contesto particolarmente critico, caratterizzato da variabilità stagionali significative e limiti normativi stringenti, l’implementazione delle nostre soluzioni ha portato a risultati misurabili e duraturi: una riduzione del 29% dell’azoto totale effluente, del 73% dell’azoto, nonostante un incremento del 46% del carico organico trattato su base COD. Questi risultati testimoniano non solo l’efficacia delle tecnologie implementate, ma anche la capacità del nostro approccio di adattarsi dinamicamente alle variazioni operative.

L’integrazione tra modellazione digitale avanzata, controllo del processo e competenza operativa rappresenta il cuore della metodologia Oscar per offrire supporto alla gestione degli impianti di depurazione.