Revisione sul risparmio energetico e sulla riduzione del carbonio dei sistemi di aerazione negli impianti di trattamento delle acque reflue
Alla fine del 2020, la Cina disponeva di 4.326 impianti di trattamento delle acque reflue (WWTP) a livello municipale- e oltre, che trattavano 65,59 miliardi di metri cubi di acque reflue all'anno, con un consumo annuo di elettricità di 33,77 miliardi di kWh, pari allo 0,45% del consumo totale di elettricità nazionale. Nel 2020, il consumo unitario di elettricità per metro cubo di acqua trattata è stato di 0,405 kWh/m³ per gli impianti di depurazione che implementano lo standard di Grado A o superiore dello "Standard di scarico degli inquinanti per gli impianti di trattamento delle acque reflue municipali" (GB 18918-2002) e 0,375 kWh/m³ per quelli che implementano standard inferiori al Grado A. Queste cifre sono significativamente più elevate rispetto alla media dei paesi sviluppati. Sebbene la concentrazione media di inquinanti negli impianti di depurazione cinesi sia inferiore al 50% di quella dei paesi sviluppati, il consumo unitario di elettricità per inquinante rimosso è almeno del 100% più alto. Pertanto, rimane un potenziale sostanziale per il risparmio energetico e la riduzione del carbonio negli impianti di depurazione della Cina.
Le emissioni di carbonio derivanti dagli impianti di depurazione comprendono emissioni dirette e indirette. Secondo le "Specifiche tecniche per la valutazione del funzionamento degli impianti di trattamento delle acque reflue a basse- emissioni di carbonio" (T/CAEPI 49-2022), le emissioni dirette di carbonio consistono principalmente in CH₄, N₂O e CO₂ derivanti dalla combustione di combustibili fossili. Le emissioni indirette comprendono quelle associate all’elettricità, al calore e ai prodotti chimici acquistati. Come definito dal Gruppo intergovernativo sui cambiamenti climatici (IPCC), la CO₂ emessa dal processo di degradazione biologica nel trattamento delle acque reflue non è inclusa nella contabilità delle emissioni di carbonio. Tra i vari elementi di emissione di carbonio negli impianti di depurazione, il consumo di elettricità contribuisce in percentuale maggiore. Jiang Fuhai et al., sulla base di un campione di 10 impianti di depurazione, hanno scoperto che il peso del contributo del consumo di elettricità alle emissioni di carbonio variava dal 31% al 64%. Hu Xiang et al., analizzando 22 impianti di depurazione nel bacino del lago Chaohu, hanno riferito che le emissioni di carbonio derivanti dal consumo di elettricità rappresentavano dal 61,55% al 73,56%. Minore è la concentrazione degli influenti e maggiore è lo standard degli effluenti, maggiore è la percentuale di emissioni dirette di carbonio, in particolare quelle derivanti dal consumo di elettricità. I sistemi di aerazione consumano oltre il 50% dell'elettricità totale di un impianto di depurazione. L’efficacia operativa dei sistemi di aerazione ha un impatto diretto sulla rimozione di azoto e fosforo. Un’aerazione eccessiva porta a un consumo non necessario di fonti di carbonio endogene nelle acque reflue, riducendo l’efficienza della rimozione biologica di azoto e fosforo, aumentando così il dosaggio di fonti esterne di carbonio e di prodotti chimici per la rimozione del fosforo, che a sua volta aumenta le emissioni di carbonio derivanti dal consumo di prodotti chimici. Di conseguenza, il risparmio energetico nei sistemi di aerazione è fondamentale per la riduzione del carbonio negli impianti di depurazione, rendendo la ricerca sulle tecnologie di risparmio energetico dei sistemi di aerazione estremamente significativa.
1. Ragioni dell'elevato consumo di energia nei sistemi di aerazione degli impianti di depurazione cinesi
1.1 Il carico effettivo degli affluenti è inferiore al carico di progetto
Un basso carico influente comprende sia una bassa portata che una bassa concentrazione di inquinanti. È una delle cause principali dell'aerazione eccessiva. La sovra-aerazione non solo aumenta il consumo di elettricità, ma riduce anche eccessivamente le fonti endogene di carbonio nelle acque reflue e aumenta le concentrazioni di ossigeno disciolto nei serbatoi anaerobici e anossici, compromettendo la rimozione di azoto e fosforo. Ciò richiede un aumento dei dosaggi di fonti di carbonio e di sostanze chimiche per la rimozione del fosforo, aumentando le emissioni di carbonio associate.
1.1.1 Portata bassa
Tipicamente, nei primi anni successivi alla costruzione di un impianto di depurazione, il flusso degli affluenti spesso non riesce a raggiungere la capacità prevista a causa del ritardo dello sviluppo urbano o della costruzione della rete fognaria. Inoltre, nelle aree o nelle regioni con sistema fognario combinato con forte mescolamento di acque piovane e liquami, il flusso-con tempo secco è significativamente inferiore rispetto al flusso-con tempo umido, con conseguenti ampie fluttuazioni del flusso. Ciò richiede una regolamentazione e un controllo più precisi dei tassi di aerazione; in caso contrario, è comune un'eccessiva-aerazione durante i periodi di-flusso basso, che influisce sull'efficienza di rimozione di carbonio, azoto e fosforo e aumenta sia il consumo di elettricità che quello di prodotti chimici.Figura 1mostra la variazione del volume di trattamento delle acque reflue nella città di Changsha tra la stagione secca e quella umida. Il volume di trattamento nella stagione umida-è superiore del 30%–40% rispetto alla stagione secca. Le fluttuazioni stagionali del volume di trattamento richiedono un controllo più preciso del sistema di aerazione.
1.1.2 Bassa concentrazione di influenti
Le effettive concentrazioni di inquinanti negli impianti di depurazione municipali cinesi sono generalmente molto inferiori ai valori di progetto. Nella progettazione degli impianti di depurazione, la qualità degli affluenti si basa solitamente su proiezioni a medio-e-lungo-termine con reti fognarie complete. Secondo lo "Standard for Design of Outdoor Wastewater Engineering" (GB 50014-2021), la domanda biochimica di ossigeno (BOD₅) in cinque- giorni per le acque reflue domestiche è calcolata a 40–60 g/(persona·d), generalmente assumendo 40 g/(persona·d). Con uno scarico pro capite di acque reflue di 200–350 L/(persona·giorno) nella maggior parte delle città, la concentrazione di BOD₅ di progetto varia tipicamente da 110 a 200 mg/L. Le statistiche mostrano che il 68% degli impianti di depurazione in Cina ha un BOD medio annuo effettivo inferiore a 100 mg/l, mentre il 40% ha una media annua inferiore a 50 mg/l. Dal punto di vista della concentrazione degli affluenti rispetto all'aerazione richiesta, la maggior parte degli impianti di depurazione cinesi dispone di sistemi di aerazione progettati con una situazione di "motore sovradimensionato per un piccolo carrello"-configurato con ventilatori ad alta-capacità mentre la domanda d'aria effettiva è bassa. Questa configurazione porta facilmente ad un'aerazione eccessiva e ad un aumento del consumo energetico.
1.2 Configurazione irragionevole della quantità di apparecchiature di aerazione
Molti impianti di depurazione hanno configurato irragionevolmente il numero di unità di apparecchiature di aerazione perché non tengono conto delle frequenti condizioni operative di basso-carico. Ad esempio, molti impianti di trattamento delle acque di piccole e medie dimensioni- in genere configurano i ventilatori in una configurazione "2 duty + 1 standby" (totale 3) nella progettazione della sala ventilatori, che è ottimale in condizioni di flusso e qualità di progettazione. Tuttavia, in condizioni di basso carico influente, il funzionamento anche di un ventilatore alla potenza minima potrebbe causare una sovra-aerazione e un aumento del consumo energetico. Sebbene l'installazione di unità a frequenza variabile (VFD) o altri mezzi per ridurre la fornitura d'aria possa evitare un'eccessiva-aerazione, queste misure possono spostare il funzionamento del ventilatore lontano dalla sua zona di alta-efficienza, riducendo l'efficienza e sprecando energia. Date le concentrazioni generalmente basse degli affluenti, è opportuno prendere in considerazione strategie come l'aumento del numero di ventilatori riducendo al contempo la capacità delle singole unità per soddisfare le esigenze di regolazione della domanda d'aria durante i periodi di basso-carico. Storicamente, i budget limitati e il costo elevato delle soffianti importate ad alte prestazioni hanno portato a un minor numero di configurazioni di unità. Con la maturazione della tecnologia delle soffianti domestiche ad alte-prestazioni e la riduzione dei costi, le condizioni sono ora favorevoli per ottimizzare le configurazioni delle soffianti per ottenere risparmio energetico e riduzione delle emissioni di carbonio.
1.3 Bassa efficienza delle apparecchiature di aerazione
Alcuni vecchi impianti di depurazione, costruiti con la tecnologia del loro tempo, utilizzano apparecchiature di aerazione a bassa-efficienza e ad alto-consumo energetico-. In base agli attuali standard tecnologici ed di efficienza energetica, apparecchiature come i soffiatori Roots, i soffiatori centrifughi multi-a bassa velocità-, gli aeratori a disco e gli aeratori a spazzola sono considerati a bassa-efficienza, in genere compresa tra il 40% e il 65% di efficienza-dal 15% al 40% inferiore rispetto ai moderni soffiatori centrifughi ad alta-velocità. Inoltre, negli impianti di trattamento dei rifiuti che utilizzano l'aerazione diffusa a bolle fini-nei processi anaerobico-anossico-ossico (A₂/O) o anossico-ossico (A/O), l'invecchiamento o l'intasamento dei diffusori riduce l'efficienza del trasferimento di ossigeno e aumenta la resistenza, aumentando così il consumo energetico del ventilatore.
1.4 Configurazione irragionevole dei miscelatori nei serbatoi biologici
Nei fossi di ossidazione con aeratori di superficie, l'attrezzatura svolge sia la funzione di aerazione che quella di miscelazione/spinta. Si tratta di un progetto ragionevole in condizioni di carico di progetto. Tuttavia, in condizioni di basso-carico, potrebbe essere necessario ridurre o interrompere l'aerazione, ma per evitare la sedimentazione dei fanghi o la separazione dei liquidi-solidi, è necessario mantenere una velocità di flusso sufficiente, forzando il funzionamento continuato degli aeratori e causando un'eccessiva-aerazione, una scarsa rimozione dei nutrienti e uno spreco di energia. Per un funzionamento più efficiente dal punto di vista energetico a bassi carichi, i canali di ossidazione dovrebbero essere dotati di miscelatori sommergibili adeguatamente configurati.
Nei processi A₂/O e A/O, i serbatoi aerobici sono generalmente completamente ricoperti da diffusori a bolle fini-senza miscelatori dedicati, facendo affidamento su un'aerazione sufficiente per evitare la sedimentazione. In condizioni di carico basso, ridurre l'aerazione o implementare un'aerazione intermittente per evitare un'aerazione eccessiva-può facilmente portare alla sedimentazione dei fanghi, compromettendo il trattamento. Per funzionare in modo più efficiente a carichi bassi, i serbatoi aerobici A₂/O e A/O dovrebbero prendere in considerazione l'aggiunta di miscelatori appropriati.
2. Approcci tecnici per il risparmio energetico e la riduzione del carbonio nei sistemi di aerazione degli impianti di depurazione
2.1 Sostituzione con apparecchiature di aerazione-ad alta efficienza
Gli impianti di depurazione che utilizzano ancora apparecchiature a bassa-efficienza come i soffiatori Roots, i soffiatori centrifughi multistadio a bassa{2}velocità, gli aeratori a dischi o a spazzole, o quelli con apparecchiature gravemente obsolete e inefficienti, dovrebbero condurre valutazioni dell'efficienza energetica dal punto di vista del risparmio energetico e della riduzione delle emissioni di carbonio e sostituirli tempestivamente con nuovi modelli ad alta efficienza. Attualmente, i ventilatori ad alta-velocità come i ventilatori centrifughi a-velocità monostadio ad alta{9}}velocità, i ventilatori con cuscinetti magnetici e i ventilatori con cuscinetti ad aria utilizzati nei grandi impianti di trattamento delle acque reflue in genere vantano efficienze comprese tra l'80% e l'85%. Tuttavia, attualmente sul mercato mancano soffianti centrifughi di piccola-capacità e{14}alta velocità. Gli impianti di depurazione con capacità inferiori a 2.000 m³/giorno fanno ancora affidamento su apparecchiature meno efficienti come i soffiatori Roots, con efficienze generalmente comprese tra il 40% e il 65%, indicando un significativo potenziale di miglioramento. Pertanto, lo sviluppo di apparecchiature di aerazione su piccola scala più efficienti-è utile per il risparmio energetico e la riduzione delle emissioni di carbonio nei piccoli impianti di depurazione.
2.2 Conversione dall'aerazione di superficie all'aerazione diffusa-a bolle fini
Data una profondità dell'acqua adeguata, l'aerazione diffusa-a bolle fini è più efficiente- dal punto di vista energetico rispetto all'aerazione superficiale. La conversione dei canali di ossidazione dall'aerazione superficiale a quella diffusa a bolle fini può produrre buoni risultati di risparmio energetico. Dai progetti di retrofit implementati, tali conversioni non solo ottengono significativi risparmi energetici ma migliorano anche l’efficienza di rimozione dei nutrienti biologici. Lo studio di Chen Chao ha rilevato che dopo la conversione di un impianto di depurazione, il consumo totale di elettricità è diminuito del 24,7%, mentre i tassi di rimozione di azoto ammoniacale, COD e fosforo totale sono aumentati rispettivamente del 30,39%, 5,39% e 2,09%. Xie Jici et al. hanno riportato un risparmio energetico di 0,09–0,12 kWh/m³ dopo una conversione simile, con un miglioramento significativo nell’efficienza di rimozione dei nutrienti biologici. Nell'aerazione a bolle fini-, l'efficienza del trasferimento di ossigeno è correlata linearmente e positivamente con la profondità dell'acqua. Al di sotto di una certa profondità critica, la sua efficienza può essere inferiore all'aerazione superficiale. Generalmente, una profondità dell'acqua superiore a 4 m è considerata una condizione adatta per convertire i fossati di ossidazione in un'aerazione diffusa a bolle fini.
3. Approcci tecnici per il risparmio energetico e la riduzione del carbonio nei sistemi di aerazione degli impianti di depurazione
3.1 Sostituzione con apparecchiature di aerazione-ad alta efficienza
Gli impianti di depurazione che utilizzano ancora apparecchiature a bassa-efficienza come i soffiatori Roots, i soffiatori centrifughi multistadio a bassa{2}velocità, gli aeratori a dischi o a spazzole, o quelli con apparecchiature gravemente obsolete e inefficienti, dovrebbero condurre valutazioni dell'efficienza energetica dal punto di vista del risparmio energetico e della riduzione delle emissioni di carbonio e sostituirli tempestivamente con nuovi modelli ad alta efficienza. Attualmente, i ventilatori ad alta-velocità come i ventilatori centrifughi a-velocità monostadio ad alta{9}}velocità, i ventilatori con cuscinetti magnetici e i ventilatori con cuscinetti ad aria utilizzati nei grandi impianti di trattamento delle acque reflue in genere vantano efficienze comprese tra l'80% e l'85%. Tuttavia, attualmente sul mercato mancano soffianti centrifughi di piccola-capacità e{14}alta velocità. Gli impianti di depurazione con capacità inferiori a 2.000 m³/giorno fanno ancora affidamento su apparecchiature meno efficienti come i soffiatori Roots, con efficienze generalmente comprese tra il 40% e il 65%, indicando un significativo potenziale di miglioramento. Pertanto, lo sviluppo di apparecchiature di aerazione su piccola scala più efficienti-è utile per il risparmio energetico e la riduzione delle emissioni di carbonio nei piccoli impianti di depurazione.
3.2 Conversione dall'aerazione di superficie all'aerazione diffusa-a bolle
Data una profondità dell'acqua adeguata, l'aerazione diffusa-a bolle fini è più efficiente- dal punto di vista energetico rispetto all'aerazione superficiale. La conversione dei canali di ossidazione dall'aerazione superficiale a quella diffusa a bolle fini può produrre buoni risultati di risparmio energetico. Dai progetti di retrofit implementati, tali conversioni non solo ottengono significativi risparmi energetici ma migliorano anche l’efficienza di rimozione dei nutrienti biologici. Lo studio di Chen Chao ha rilevato che dopo la conversione di un impianto di depurazione, il consumo totale di elettricità è diminuito del 24,7%, mentre i tassi di rimozione di azoto ammoniacale, COD e fosforo totale sono aumentati rispettivamente del 30,39%, 5,39% e 2,09%. Xie Jici et al. hanno riportato un risparmio energetico di 0,09–0,12 kWh/m³ dopo una conversione simile, con un miglioramento significativo nell’efficienza di rimozione dei nutrienti biologici. Nell'aerazione a bolle fini-, l'efficienza del trasferimento di ossigeno è correlata linearmente e positivamente con la profondità dell'acqua. Al di sotto di una certa profondità critica, la sua efficienza può essere inferiore all'aerazione superficiale. Generalmente, una profondità dell'acqua superiore a 4 m è considerata una condizione adatta per convertire i fossati di ossidazione in un'aerazione diffusa a bolle fini.
3.3 Tecnologia di aerazione intermittente
Per gli impianti di depurazione con basse concentrazioni di affluenti, l'aerazione intermittente a flusso continuo-risolve efficacemente i problemi di scarsa rimozione dei nutrienti e di elevato consumo energetico causati da un'eccessiva-aerazione. Implica un flusso continuo di affluenti ed effluenti mentre il sistema di aerazione funziona in cicli di aerazione on/off. In seguito alla ricerca di ARAKI et al. del 1986 sull'aerazione intermittente per la rimozione dell'azoto nei canali di ossidazione, molti studiosi hanno condotto studi sperimentali. Hou Hongxun et al. hanno condotto una prova su vasta scala-in un impianto di depurazione da 100.000 m³/giorno utilizzando l'aerazione intermittente a flusso continuo-in un fossato di ossidazione, ottenendo un aumento del 20% nella rimozione totale dell'azoto, un aumento del 49% nella rimozione totale del fosforo e una riduzione del 21% nel consumo energetico totale dell'impianto. He Quan et al., in una prova in un canale di ossidazione di un impianto di depurazione da 40.000 m³/giorno utilizzando un ciclo di 2-ore acceso/2-ore spento, hanno scoperto che, rispetto all'aerazione continua, l'aerazione intermittente ha consentito di risparmiare il 42% in energia di aerazione, di aumentare la rimozione totale di azoto del 9,6% e la rimozione totale di fosforo del 6,9% in condizioni invernali di bassa-temperatura. Zheng Wanlin et al., in una prova del processo A₂/O di un impianto di depurazione da 40.000 m³/giorno utilizzando un ciclo di 3-ore acceso/3 ore spento, hanno mantenuto una qualità degli effluenti stabile e conforme agli standard risparmiando al contempo il 18,3% nel consumo di elettricità. Attualmente, le applicazioni su vasta scala dell’aerazione intermittente a flusso continuo sono ancora limitate e restano aperte diverse sfide tecniche.
Per i processi A₂/O che utilizzano l'aerazione a bolle-fine, due fattori limitano l'ampia applicazione dell'aerazione intermittente. Innanzitutto, i ventilatori centrifughi ad alta-velocità generano un forte rumore-decibel all'avvio; il ciclo frequente per il funzionamento intermittente crea inquinamento acustico. In secondo luogo, i frequenti cicli di avvio-arresto dei ventilatori con cuscinetti magnetici/ad aria fanno sì che i cuscinetti-senza contatto entrino ripetutamente in contatto con l'alloggiamento, provocando facilmente danni ai cuscinetti, aumento dei tassi di guasto e riduzione della durata.
Quando si applica l'aerazione intermittente ai canali di ossidazione o ai processi A₂/O, è necessario garantire una velocità di miscelazione sufficiente durante i periodi di non-aerazione, richiedendo potenzialmente miscelatori aggiuntivi per impedire la sedimentazione dei fanghi. Le concentrazioni di azoto ammoniacale possono aumentare rapidamente durante la non-aerazione, rischiando un superamento istantaneo. Pertanto, sono necessarie ulteriori ricerche per impostare e regolare scientificamente i cicli di aerazione, migliorando meglio il risparmio energetico e la rimozione degli inquinanti evitando il superamento istantaneo di azoto ammoniacale.
La preoccupazione degli impianti di depurazione circa il potenziale eccesso istantaneo di azoto ammoniacale costituisce un ostacolo importante all'ampia applicazione dell'aerazione intermittente. Nel gennaio 2022, il Ministero dell'Ecologia e dell'Ambiente ha pubblicato una consultazione su un progetto di modifica alla GB 18918-2002, proponendo principalmente di aggiungere limiti massimi consentiti per le singole misurazioni. Questi limiti di misurazione unici proposti sono significativamente più alti dei limiti medi giornalieri originali, mentre le medie giornaliere rimangono invariate. Ad esempio, per lo standard di Grado A, una singola misurazione inferiore a 10 mg/L (15 mg/L sotto i 12 gradi) sarebbe accettabile se la media giornaliera rimane inferiore a 5 mg/L (8 mg/L sotto i 12 gradi). Se implementato, questo emendamento potrebbe aiutare ad affrontare le preoccupazioni normative relative al superamento istantaneo dell’aerazione intermittente, facilitandone l’applicazione nei processi dei canali di ossidazione.
3.4 Tecnologia di aerazione precisa
Le portate degli impianti di depurazione e le concentrazioni degli affluenti variano in modo significativo, anche durante il giorno, causando una domanda d'aria variabile. Affidarsi esclusivamente alla regolazione manuale basata sull'esperienza-rende difficile un controllo preciso e può compromettere la stabilità della qualità degli effluenti. Con i progressi nei big data e nell’intelligenza artificiale, è emerso il concetto di aerazione precisa. In alcuni impianti di trattamento delle acque reflue è stata applicata una tecnologia di aerazione precisa, che in genere consente di ottenere un risparmio energetico del 10-20% nei sistemi di aerazione. La combinazione di un'aerazione precisa con altre modifiche del processo può produrre risultati migliori. Zhu Jie et al. ha implementato un retrofit di aerazione precisa in un processo A/O multi-fase WWTP, ottenendo un risparmio energetico del 49,8% nel sistema di aerazione. Un’aerazione precisa e intelligente rappresenta importanti direzioni future per il risparmio energetico e la riduzione del carbonio. Esistono attualmente limitazioni nella capacità-in tempo reale e nell'accuratezza dell'acquisizione e dell'analisi dei dati per questi sistemi. Sono necessarie ulteriori innovazioni tecnologiche in tempo reale-controllo preciso di soffianti e valvole e distribuzione accurata dell'aria.
4. Conclusione
Il risparmio energetico nei sistemi di aerazione è fondamentale per la riduzione del carbonio negli impianti di depurazione. Il motivo principale dell'elevato consumo di energia nei sistemi di aerazione degli impianti di depurazione cinesi è il basso carico influente, che porta facilmente a una sovra-aerazione, allo spreco di elettricità e all'aumento delle emissioni di carbonio derivanti sia dall'energia elettrica che dai prodotti chimici. Altri motivi includono apparecchiature obsolete/a bassa-efficienza e una configurazione irragionevole delle apparecchiature di aerazione e miscelazione. Mezzi efficaci per ottenere un risparmio energetico e una riduzione delle emissioni di carbonio includono la sostituzione di apparecchiature di aerazione a bassa-efficienza con apparecchiature ad alta-efficienza, la conversione dell'aerazione superficiale in aerazione diffusa a-bolle fini e l'applicazione di tecnologie come l'aerazione intermittente a flusso continuo-e l'aerazione precisa.