UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BRESCIA
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN INGEGNERIA
DELL’AUTOMAZIONE INDUSTRIALE
TESI DI LAUREA SPECIALISTICA
CONTROLLO DI UN PROCESSO DI DEPURAZIONE
BIOLOGICO A FANGHI ATTIVI
Anno Accademico 2008/2009
INDICE
INTRODUZIONE ........................................................................................................................................... 1
CAPITOLO 1 ................................................................................................................................................. 3
1 LA DEPURAZIONE DELLE ACQUE ......................................................................................................... 3
1.1 GENERALITÀ ......................................................................................................................................... 31.2 I SISTEMI BIOLOGICI DI DEPURAZIONE ........................................................................................................ 41.3 IL PROCESSO A FANGHI ATTIVI .................................................................................................................. 51.4 MODELLO DELLA FASE DI AERAZIONE ......................................................................................................... 8
CAPITOLO 2 ................................................................................................................................................. 9
2 L’IMPIANTO OGGETTO DI STUDIO ...................................................................................................... 9
2.1 CARATTERISTICHE DELL’IMPIANTO ............................................................................................................ 92.2 EFFICIENZA DEPURATIVA E PARAMETRI OPERATIVI DELLA FASE DI OSSIDAZIONE ................................................ 12
CAPITOLO 3 ............................................................................................................................................... 13
3 PROVE SPERIMENTALI ...................................................................................................................... 13
3.1 SCHEMA A BLOCCHI DELLA FASE DI OSSIDAZIONE ........................................................................................ 133.2 DATI PRELIMINARI ............................................................................................................................... 163.3 SVOLGIMENTO DELLE PROVE ................................................................................................................. 203.4 STRUMENTAZIONE DI PROVA ................................................................................................................. 223.5 IDENTIFICAZIONE DEL SISTEMA ............................................................................................................... 233.6 RISULTATI DELLE PROVE ........................................................................................................................ 25
CAPITOLO 4 ............................................................................................................................................... 31
4 LO SCHEMA DI CONTROLLO .............................................................................................................. 31
4.1 SCHEMA DI CONTROLLO ATTUALE ........................................................................................................... 314.2 LO SCHEMA DI CONTROLLO PROPOSTO .................................................................................................... 324.3 IMPLEMENTAZIONE IN MATLAB/SIMULINK ............................................................................................... 39
CAPITOLO 5 ............................................................................................................................................... 46
5 RISULTATI ......................................................................................................................................... 46
CAPITOLO 6 ............................................................................................................................................... 50
6 CONCLUSIONI ................................................................................................................................... 50
BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................................... 52
APPENDICE ............................................................................................................................................... 54
APPENDICE A PRINCIPI SULLA DIFFUSIONE DELL’OSSIGENO .................................................................................. 54APPENDICE B SCRIPT PER L’IDENTIFICAZIONE DEI SISTEMI .................................................................................... 61APPENDICE C RISULTATI DELL’IDENTIFICAZIONE DEI SISTEMI ................................................................................. 67APPENDICE D SCRIPT PER LA SIMULAZIONE ....................................................................................................... 84APPENDICE E CONSUMI ENERGETICI ................................................................................................................ 87
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
1
Introduzione
Il presente lavoro è stato svolto nell'ambito della tesi di laurea specialistica in ingegneria
dell'automazione industriale e riguarda il controllo di un processo biologico di
depurazione delle acque.
L’obbiettivo principale dei trattamenti di depurazione biologica è la riproduzione dei
processi di autodepurazione della materia organica esistenti in natura, concentrandoli in
uno spazio più ristretto e in un tempo più breve, sotto condizioni controllate dall’uomo.
Il successo dei trattamenti biologici rispetto ai trattamenti chimico-fisici in generale deriva
dal loro alto rendimento depurativo, che in molti casi raggiunge il 99% di abbattimento
degli inquinanti di matrice organica e dalla vasta gamma di tipologie processuali tra le
quali i fanghi attivi rappresentano la maggiore applicazione.
Da qualche decennio a questa parte oltre i problemi relativi alla corretta progettazione di
impianti di depurazione, hanno acquistato importanza notevole i problemi legati al loro
esercizio.
Una migliore descrizione dei processi fornita da modelli matematici sempre più completi
e l’impiego di sistemi di controllo computerizzato, rappresentano gli strumenti idonei a
risolvere molte difficoltà di gestione ed al tempo stesso a ridurre i costi.
L'attenzione si è focalizzata sulla fase di ossidazione del fango attivo per mezzo di aria
compressa, poiché da essa dipende l’intero processo depurativo e rappresenta il maggior
consumo di energia elettrica in un impianto di depurazione biologico. Infatti è necessario
mantenere una concentrazione di ossigeno tale da garantire condizioni ottimali per le
reazioni di ossidazione del fango da parte di microrganismi.
E’ stato perciò studiato un possibile sistema di controllo di tale fase del processo.
La presente tesi è articolata in sei capitoli qui di seguito brevemente descritti:
• Nel Capitolo 1 viene illustrato il problema della depurazione delle acque, con
riferimento alla tipologia di impianti biologici e in particolare a fanghi attivi,
vengono inoltre descritte le basi teoriche della fase di ossidazione.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
2
• Nel Capitolo 2 viene presentato l’impianto del caseificio Montirone presso il
quale sono state eseguite le prove oggetto di studio della tesi.
• Nel Capitolo 3 vengono descritte la modalità di esecuzione delle prove, la
rilevazione dei dati, l’identificazione del sistema e i risultati delle prove.
• Nel Capitolo 4 viene presentato lo schema di controllo attualmente impiegato e
i nuovi schemi proposti.
• Nel Capitolo 5 vengono riportati i risultati.
• Nel Capitolo 6 sono presentate le considerazioni conclusive.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
3
CAPITOLO 1
1 LA DEPURAZIONE DELLE ACQUE
1.1 Generalità
L'inquinamento di un mezzo sia esso aria, acqua o suolo, si può definire sinteticamente
come un'alterazione dell'ambiente, per cause antropiche o naturali, che non è in
equilibrio con i cicli naturali esistenti, minacciando l'esistenza e la salute delle persone
degli animali e delle piante e pregiudicando l'esercizio delle attività commerciali,
industriali e ricreative.
L’acqua ha sempre rappresentato uno degli elementi essenziali per la vita e prima
dell’avvento dell’industrializzazione i processi naturali di autodepurazione ne
ripristinavano le caratteristiche naturali compromesse dalle attività umane.
Con l’industrializzazione e l’antropizzazione concentrata nelle aree urbane l’inquinamento
delle acque superficiali e dei suoli ha superato la capacità autodepurativa sia dei corsi
d’acqua, impedendo l’assorbimento dell’ossigeno dall’aria, che delle acque di falda
ostacolandone i processi di filtrazione ed ossigenazione. La capacità di autodepurazione
dell'acqua infatti si basa sui processi di ossidazione biochimica, grazie all'intervento di
microrganismi demolitori che, utilizzando l'ossigeno disciolto, attaccano le sostanze
organiche, trasformandole in prodotti minerali semplici come acqua, anidride carbonica,
solfati. Quando sono compromesse le caratteristiche naturali delle acque i danni sono
molteplici.
Se gli apporti di sostanze inquinanti superano le capacità assimilatrici del corpo ricevente
o quando sostanze tossiche inibiscono l'azione mineralizzatrice dei microrganismi,
risultano compromessi gli usi dell'acqua e si manifestano con evidenza gli effetti negativi
sulle caratteristiche naturali dal punto di vista biologico e ambientale dei corpi idrici con
ripercussioni negative su tutte le attività umane.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
4
L’inquinamento dei fiumi e dei laghi è la causa della eutrofizzazione dove l’apporto di
elementi come azoto e fosforo oltre la naturale capacità ricettiva causa la produzione
abnorme di vegetazione algale che consumando tutto l’ossigeno disciolto nell’acqua
causa condizioni anossiche con asfissia e morte di tutti gli organismi della catena
alimentare dai protozoi ai pesci. Il quadro ambientale è aggravato se si sommano gli
apporti di sostanze come i metalli che aumentano il tasso di tossicità dell’acqua. Il danno
oltre che ambientale è economico soprattutto per quelle attività che si basano su quelle
risorse idriche come ad esempio l’attività turistica.
L’inquinamento dei fiumi e delle falde causa gravissimi danni poiché tali acque sono di
norma utilizzate a scopo potabile e per le varie attività industriali, oggi una piccola fonte
inquinante ha la capacità di compromettere l’utilizzo dell’acqua su una vasta area.
Per permettere alle acque, utilizzate nelle varie attività umane e nei cicli produttivi, il loro
versamento senza compromettere le caratteristiche del corpo idrico ricettore vengono
realizzati gli impianti di depurazione che riuniscono varie tecnologie: edili, idrauliche,
meccaniche, elettriche, ed elettroniche per il loro controllo.
1.2 I sistemi biologici di depurazione
Gli impianti di depurazione biologica rappresentano attualmente a livello mondiale i
sistemi più diffusi di trattamento dei reflui a matrice organica di origine civile o industriale
perché permettono di rimuovere le sostanze organiche e biodegradabili presenti, che
rappresentano l’ambiente ideale per lo sviluppo batterico, consentendo la trasformazione
nelle condizioni aerobiche ossidanti e il corretto scarico nei corsi d'acqua.
Tali impianti sono realizzati su diverse scale di grandezza: da piccole unità al servizio di
pochi abitanti a grandi complessi di depurazione al servizio di grossi poli industriali o di
grandi metropoli.
In oltre cento anni di applicazione e trasformazione i principi di base dei trattamenti di
depurazione biologica rimangono inalterati, con l’obbiettivo principale di riprodurre i
processi di autodepurazione esistenti in natura concentrandoli nello spazio e nel tempo
sotto condizioni controllate dall’uomo.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
5
Il successo dei trattamenti biologici rispetto ai trattamenti chimico-fisici in generale deriva
dal loro alto rendimento depurativo, che in molti casi raggiunge il 99% di abbattimento
degli inquinanti, e dalla vasta gamma di tipologie processuali tra le quali i fanghi attivi
rappresentano la maggiore applicazione.
In tali processi viene sfruttato il fenomeno naturale della fermentazione microbica di tipo
misto, sia per quanto riguarda il substrato da rimuovere, che spesso è costituito da un
miscuglio molto eterogeneo di composti, sia per i microrganismi responsabili del
processo.
Le varie tipologie degli impianti biologici sfruttano le condizioni fisiche più diverse in
termini di temperatura, Ph, presenza o meno di ossigeno, concentrazione e tipologia di
inquinanti, predisponendo le condizioni ideali alla formazione e selezione dei
microorganismi più idonei e specializzati per il processo.
Si spazia infatti dagli impianti aerobici a bassa o alta concentrazione di ossigeno a quelli
anaerobici, dagli impianti a temperatura ambiente di 15-25°C a quelli di 35-40°C, dai
processi acidi a quelli alcalini.
1.3 Il processo a fanghi attivi
Agli inizi del XX secolo ci si rese conto che scaricare le acque di scarico direttamente nei
corpi idrici poteva causare danni alla salute dell’uomo, fu così che vennero realizzati i
primi impianti di depurazione, basati su un sistema prima a filtri e poi a fanghi attivi.
Il processo biologico a fanghi attivi è applicato negli impianti da quasi un secolo per la
depurazione dei reflui civili e da almeno settanta anni per trattare anche i reflui industriali
di natura prevalentemente organica.
Inizialmente sviluppati in Gran Bretagna e negli Stati Uniti, essi costituiscono ancora oggi
uno dei sistemi di depurazione più diffusi, subendo negli ultimi trenta anni grossi impulsi
dalla ricerca ed innovazione delle varie fasi di trattamento per far fronte alla complessità
dei reflui da trattare.
Inoltre lo studio di questi processi è di notevole importanza per affrontare le
problematiche ambientali ed energetiche che determinano l’emanazione di normative
sempre più adeguate e stringenti.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
6
Gli impianti biologici a fanghi attivi effettuano in spazi e tempi più ristretti le fasi dei
processi di degradazione della materia organica che avvengono normalmente in natura:
alla base vi sono reazioni biochimiche sui composti organici da parte dei microrganismi
aerobici (biomassa) formanti una catena alimentare, che utilizzano l’ossigeno disciolto in
soluzione nell’acqua per sfruttare l’inquinamento organico come substrato alimentare per
crescere e sostenere le proprie funzioni vitali, dando luogo a fenomeni di
bioflocculazione1
La quantità di sostanza organica presente nel refluo ed utilizzata dai batteri eterotrofi
che portano alla formazione di fiocchi di fango (detto fango attivo).
I batteri sono i primi responsabili della rimozione della sostanza organica, a cui
concorrono in via indiretta tutti gli altri microrganismi quali i protozoi e rotiferi.
Il primo fattore che influenza il processo biologico è la qualità del refluo organico che
entra nel ciclo di trattamento, poiché determina la crescita e moltiplicazione dei
microrganismi. Questi infatti acquisiscono l’energia e il nutrimento necessario mediante
reazioni biochimiche di ossidazione della materia organica. 2
L’impianto biologico a fanghi attivi nello schema classico più semplice si compone di due
sole fasi: ossidazione e sedimentazione (vedi
è
chiamata BOD (Biochemical Oxygen Demand) misurata indirettamente dalla quantità di
ossigeno consumato dalle reazioni biochimiche. Poiché la misura della BOD viene
convenzionalmente effettuata per incubazione a 20°C per 5 giorni (BOD5) si esegue la
rilevazione della parte organica nel refluo mediante l’analisi molto più veloce (2 ore) della
COD (Chemical Oxygen Demand) che esprime la quantità di ossigeno necessaria ad
ossidare chimicamente la maggior parte della sostanza organica presente.
Figura 1).
L’ossidazione avviene in appositi bacini immettendo ossigeno normalmente mediante
insufflazione di aria compressa inviata dai compressori.
Dalla fase di ossidazione dipende l’intero processo poiché permette la formazione del
fango attivo che è responsabile della degradazione biologica della materia organica e
agevola la successiva fase di sedimentazione.
1 bioflocculazione: consiste in un processo chimico-fisico che porta alla formazione di un sistema colloidale in cui la fase solida tende a separarsi formando dei fiocchi in sospensione. Alla base vi sono fenomeni di adsorbimento che instaurano un'interazione di tipo chimico-fisico, attraverso forze di Van der Waals, sulla superficie di separazione tra le fasi 2 organismi eterotrofi: lo sono gli animali e la maggior parte dei microrganismi che utilizzano come fonte di carbonio composti organici quali zuccheri, lipidi, proteine.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
7
La sedimentazione permette la separazione dell’acqua depurata dal fango; l’acqua in
superficie defluirà all’uscita mentre il fango sedimentato verrà inviato come ricircolo in
testa alla ossidazione o come fango di supero in esubero allo smaltimento previa
eventuale digestione.
Per meglio comprendere il funzionamento dell’impianto a fanghi attivi lo si può
paragonare ad una fabbrica: l’ingresso del refluo in aerazione determina l’intimo contatto
della materia organica col fango attivo (gli operai specializzati) dove i microrganismi si
nutrono e si riproducono (lavorano) a spese di essa. La miscela fango attivo e liquame
depurato giunge in sedimentazione (pausa mensa) dove l’acqua depurata esce dal ciclo
mentre i fanghi decantati vengono in parte ricircolati (dopo la pausa mensa si ritorna al
lavoro) e parte tolti dal ciclo depurativo (operai in pensione).
Nella fase di aerazione oltre alla rimozione della parte organica BOD carboniosa avviene la
nitrificazione, operata dai batteri autotrofi 3 , che traendo l’energia dal composto
inorganico come l’ammoniaca (NH4) e utilizzando come fonte di carbonio l’anidride
carbonica, effettuano l’ossidazione biologica delle forme ammoniacali dell’azoto presente
nel liquame trasformandole in nitriti (NO2) e nitrati (NO3
Tale trasformazione è fondamentale perché permette di ottenere condizioni aerobiche
ossidanti con riduzione dal 90% al 98% della carica batterica e dei microrganismi
).
4
3 organismi autotrofi: lo sono i vegetali ed alcuni microrganismi, che utilizzano come fonte di carbonio composti inorganici. 4 il 2% di batteri nell’acqua depurata è pari a 2 miliardi per litro, per riutilizzarla si effettua la disinfezione.
.
OSSIDAZIONE
RICIRCOLO SUPERO
FANGHI
SEDIMENTAZIONE USCITA
INGRESSO
Figura 1 - Schema di base del processo a fanghi attivi
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
8
1.4
Modello della fase di aerazione
Nella fase di aerazione intervengono contemporaneamente fenomeni di
ossigenazione e deossigenazione che dipendono dal carico organico da trattare
introdotto in vasca (pari a portata per concentrazione) e dall'efficienza del
sistema di aerazione impiegato, come riportato in Appendice A.
Nel metabolismo batterico di un processo biologico aerobico la crescita della biomassa
del fango attivo e la formazione di nuove cellule batteriche ( dx/dt = x ) è conseguenza del
consumo di carico organico (substrato) da parte dei microrganismi ( –ds/dt = s ) nelle
reazioni di ossidoriduzione col relativo consumo di ossigeno per ossidazione del substrato
K’*s e per sintesi batterica K”*x. Tale cinetica segue l’andamento delle reazioni del primo
ordine come descritto schematicamente nella
Figura 2 in cui viene rappresentato
l’andamento nel tempo dei tre soggetti principali alla base del processo: carico organico,
microorganismi, consumo di ossigeno. Il processo biologico viene descritto da cinque fasi
delle curve in cui quelle principali sono la tre e la quattro.
Fase 1 – stazionaria, microorganismi costanti
Fase 2 – avviamento, la velocità di reazione tende alla velocità di regime
Fase 3 – crescita logaritmica illimitata
Fase 4 – crescita limitata dalla disponibilità del cibo (Carico organico)
Fase 5 – fase endogena o morte dei batteri
Figura 2 - Fasi tipiche del processo biologico.
FASI PROCESSO BIOLOGICO
TEMPO
CO
NC
ENTR
AZI
ON
E
Carico OrgOssigenoMicroorgan.
fase 4fase 3fase 1 fase2 fase 5
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
9
CAPITOLO 2
2 L’IMPIANTO OGGETTO DI STUDIO
2.1 Caratteristiche dell’impianto
Le prove della presente tesi sono state effettuate presso l’impianto di depurazione del
caseificio Montirone situato a Montirone (Bs), che tratta le acque reflue provenienti dai
reparti di lavorazione del latte per la produzione di grana padano e formaggi molli, oltre
alle acque reflue dell’attiguo macello. L’impianto è stato progettato e eseguito dal CID di
Brescia nel 1996 ed è composto da bacini in calcestruzzo armato, una cabina comandi e
parti tecnologiche in acciaio inox (vedi Figura 3).
Data la natura prettamente organica degli scarichi del caseificio Montirone il trattamento
adottato è quello biologico a fanghi attivi con pre-denitrificazione, nel quale la fase di
ossidazione avviene con aerazione mediante insufflazione di aria inviata da due
compressori.
La scelta del processo biologico è giustificata dalle alte rese depurative necessarie per tale
tipologia di scarico.
Figura 3 - L'impianto di depurazione del caseificio Montirone.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
10
Nello schema di Figura 4 viene riportato in forma grafica il ciclo di trattamento, che prevede le seguenti fasi :
ingresso delle acque reflue sollevamento accumulo ed equalizzazione risollevamento parzializzazione portata denitrificazione ossidazione sedimentazione ricircolo fanghi supero fanghi digestione aerobica e ispessimento fanghi deflusso delle acque depurate nella roggia
Figura 4 - Schema processuale dell'impianto di depurazione del caseificio Montirone.
L’impianto è composto dalla vasca di accumulo iniziale e dal digestore-ispessitore fanghi
di supero. Lo scarico giunge dai reparti del caseificio al pozzetto di sollevamento dove due
pompe sommerse comandate automaticamente dai sensori di livello lo inviano alla vasca
di accumulo-equalizzazione che ha capacità di accumulo giornaliera di 150m3.
Nella vasca di accumulo è installato un gruppo di miscelazione ad aria e le pompe di
risollevamento che provvedono mediante temporizzazione e sensori di livello ad inviare lo
scarico al processo depurativo previo controllo e parzializzazione della portata secondo i
parametri di progetto. Il parzializzatore è infatti dotato di paratoia che permette di
regolare la portata affluente al trattamento da 4 a 14 m3/h.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
11
Lo scarico equalizzato e con portata costante giunge al bacino di denitrificazione insieme
ai fanghi di ricircolo e da qui in ossidazione; in tale bacino viene inviato l’ossigeno
mediante apporto di aria dai compressori e distribuita in micro bolle dai gruppi di
insufflazione. La miscela di fango attivo formatasi in ossidazione giunge nella zona
centrale di sedimentazione dove avviene la separazione tra il fango che sedimenta e
l’acqua depurata in superficie che defluisce al ricettore finale rappresentato dal corso
d’acqua. Il sollevamento ed invio dei fanghi di ricircolo e supero viene effettuato
mediante air-lift (o idroestrattori) sfruttando l’aria dei compressori ed il differenziale
idrostatico tra insufflazione ed innesto dell’air-lift.
Le macchine presenti sono doppie (di cui una sempre di riserva) e vengono alternate ogni mese.
• N° 2 pompe sollevamento
• N° 2 pompe risollevamento
• N° 2 compressori aria
• N° 2 pompe uscita per invio in roggia
Il sistema di telecontrollo, dotato di PC industriale, collegato alle macchine e alle sonde
permette la rilevazione e registrazione di:
• stato delle macchine (ON-OFF-ALL)
• portate e volume trattati
• qualità dell’ingresso e dell’uscita
• stato del processo
Nella Tabella 1 sono riportati i dati funzionali relativi al 2008:
Voce Valore Portata reflua trattata 37.600 m3/anno
Portata media giornaliera trattata 103 (74-138 ) m3/g
Carico inquinante medio giornaliero trattato 131 Kg/g COD
Ossigeno giornaliero medio fornito 227 Kg/g O2
Consumi medi giorno Energia Elettrica 172 Kwh/g
Abbattimento medio carico organico BOD 98%
Abbattimento medio carico organico COD 96%
Abbattimento medio carico organico N 73%
Abbattimento medio carico organico P 77%
Rapporto medio COD/BOD 3,1
Rapporto medio nutrienti organici BOD:N:P 100:1,8:2,0 Tabella 1 Dati funzionali dell'impianto.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
12
2.2
L’efficienza depurativa del processo biologico a fanghi attivi dipende dai fattori che
interessano le varie fasi del trattamento.
La fase principale è quella di ossidazione, nella quale è essenziale garantire condizioni
ottimali, mantenendo bassi valori di carico dei fanghi (Cf), che rappresenta il rapporto tra
la sostanza organica da degradare (il “cibo”) e la parte organica “attiva”, cioè i
microrganismi e batteri che costituiscono quindi i fanghi attivi. Esso è misurato in
KgBOD/KgSSV, in cui SSV sta per sostanza secca volatile. All’impianto del caseificio di
Montirone i bassi valori il carico del fango sono ottenuti:
Efficienza depurativa e parametri operativi della fase di ossidazione
mantenendo il più costante e minimo possibile l’ingresso (in portata e
concentrazione ) mediante il bacino di accumulo e la regolazione della portata.
mantenendo ottimale in fase di ossidazione il potenziale Redox, indice delle
condizioni ossido-riduttive (Rx< 0mV anaerobiche, Rx=10-50mV anossiche, Rx
>70mV condizioni ossidanti)
agendo sui fanghi di supero per togliere la quantità in eccesso di fanghi attivi
Per tale motivo nella presente tesi si è considerato come parametro operativo il potenziale
Redox (in mV) indice del grado di ossidazione della materia organica e quindi del grado
depurativo poiché la misura in continuo dell’Ossigeno Disciolto (OD) richiederebbe una più
assidua gestione in termini di taratura e pulizia.
Nella Figura 5 è riportato lo schema funzionale della fase di ossidazione con la vasca di
accumulo iniziale dotata di sensore di livello e pompa di risollevamento alla successiva unità
di ossidazione.
Ci
Qi
LC
ingresso
sedimentazione
RxC
Figura 5 - Schema funzionale P&I della fase di ossidazione.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
13
CAPITOLO 3
3 PROVE SPERIMENTALI
3.1 Schema a blocchi della fase di ossidazione
A partire dello schema funzionale di Figura 5 si può schematizzare la fase di ossidazione
come in Figura 6, nella quale il refluo entrante può essere visto come un disturbo additivo
agente sull'uscita del processo.
Il disturbo è rappresentato dal carico in ingresso al trattamento depurativo definito come
concentrazione COD moltiplicata per la portata in ingresso cioè:
In Figura 7 è riportata la rappresentazione della fase di ossidazione mediante schema a
blocchi nel quale si vogliono determinare con la risposta allo scalino le funzioni di
trasferimento del disturbo H(s) e del processo P(s) per realizzare il sistema di controllo.
Qi*Ci
P(s)
H(s)
Rx +
ON/OFF
ON/OFF
Qi(t)*Ci(t)
Rx(t)
Figura 6 - Schematizzazione della fase di ossidazione.
Figura 7 - Schema a blocchi della fase di ossidazione.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
14
Per fare ciò si applica il principio della sovrapposizione degli effetti nei due casi studiati:
- nel primo caso si impone uno scalino sul disturbo mantenendo costante l'uscita del
processo (Figura 8)
-nel secondo caso si mantiene costante il disturbo e si applica uno scalino sul processo
(Figura 9).
Sono definiti disturbi i fattori che provocano disfunzioni o cambiamenti nell’esercizio o
nel rendimento di un processo di trattamento. Esistono due tipologie principali di
disturbo: l’esterno e l’interno.
Il disturbo esterno è principalmente dovuto alla variazione della portata o delle
concentrazioni in ingresso che determinano trascinamento del fango, bassi tempi di
ossidazione, effetto tossico. Per limitare il disturbo esterno si adotta la vasca di accumulo
del refluo influente, come è nell’impianto del caseificio Montirone preso in esame dove la
portata in ingresso al processo viene regolata mediante il parzializzatore di portata e le
concentrazioni di COD in ingresso sono rilevate in continuo mediante l’apposita sonda.
Il disturbo interno in un impianto di depurazione a fanghi attivi è determinato
essenzialmente dai fenomeni di degradazione delle caratteristiche del fango attivo con
conseguenze a volte molto più negative sul processo rispetto alle cause di disturbo
esterno. Infatti mentre le cause di disturbo esterno sono in qualche misura controllabili
quelle per disturbo interno pur avendo come possibile origine il disturbo esterno non
sono controllabili e gli effetti sono prolungati nel tempo. Ad esempio un fenomeno di
bulking (cancro del fango) dovuto ad un accidentale tossico in ingresso può determinare
P(s)
H(s)
d
Rx +
Figura 8 - Scalino sul disturbo.
P(s)
H(s)
d
Rx +
Figura 9 - Scalino sul processo.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
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condizioni anossiche o anaerobiche con la morte del fango attivo l’annullamento del
processo biologico che può durare anche alcune settimane.
Se non è possibile eliminare le azioni di disturbo esse possono essere limitate mediante la
rilevazione dei parametri di controllo che vengono mantenuti a valori stabiliti mediante i
parametri manipolati mediante il sistema di controllo.
Nel caso in esame i parametri manipolati o di uscita dal sistema di controllo sono le
portate d’aria fornite dai compressori mentre i parametri di controllo o di ingresso dal
sistema di controllo sono i valori del Potenziale Redox.
Le prove effettuate hanno permesso di determinare le funzioni di trasferimento del
disturbo H(s) e del processo P(s) nella fase di ossidazione, che rappresentano il
comportamento di un sistema per mezzo di equazioni differenziali, che nel caso in esame
sono rappresentate da equazioni del primo ordine o di ordine zero.
Figura 10 - Rappresentazione del sistema in funzione del tempo.
Una funzione di trasferimento è una rappresentazione matematica della relazione tra
l'ingresso di un sistema LTI (lineare tempo invariante) e la risposta del sistema stesso.
Lineare tempo invariante significa che tutti gli elementi facenti parte del sistema devono
avere un'equazione caratteristica lineare ed i valori dei parametri che costituiscono il
sistema devono essere costanti nel tempo. La funzione di trasferimento si ottiene quindi
eguagliando a zero le equazioni delle n variabili di stato che descrivono il sistema.
Nella teoria dei controlli automatici la funzione di trasferimento è una funzione della
variabile s nel dominio complesso della trasformata di Laplace.
Sia x(t) l'ingresso del sistema, y(t) la sua uscita e U(s) e Y(s) le relative trasformate di
Laplace, allora la funzione di trasferimento H(s) è data dal rapporto tra la trasformata
dell'uscita e quella dell'ingresso:
Le funzioni di trasferimento sono state stimate con funzionamento di uno e di due
compressori per stabilire la capacità di intervento di tali macchine come parametri
manipolati in uscita dal sistema di controllo.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
16
3.2 Dati preliminari
Prima di procedere alla rilevazione dei dati reali è stata effettuata una valutazione
preliminare sui dati funzionali e sulle caratteristiche dell’impianto.
Sono stati valutati i dati storici del funzionamento dell’impianto negli ultimi anni
valutando le modalità di afflusso nella vasca di accumulo, la durata di rilancio del refluo
all’impianto, le portate delle pompe, le portate d’aria dei compressori, le analisi di
laboratorio nelle varie fasi di processo.
Sono state tarate le sonde poste nell’impianto ed è stata sostituita la sonda di rilevazione
dell’ Ossigeno Disciolto con una nuova sonda con metodo ottico di rilevazione. Per la
taratura delle sonde come prevista dalla procedura del S.Q. UNI EN ISO9001-2000
adottato da CID si sono adottati i seguenti criteri:
• Sonda Redox mediante soluzione di taratura
• Sonda Ossigeno mediante soluzione di taratura
• Sonda CID IN rileva in ingresso Sospesi, BOD e COD, mediante analisi di
laboratorio secondo metodica Standard;
• Sonda CID SL rileva in ossidazione la concentrazione dei fanghi in gr/l, mediante
analisi di laboratorio secondo metodica Standard;
• Sonda CID US rileva in uscita Sospesi, BOD, COD, mediante analisi di laboratorio
secondo metodica Standard;
• Sono state eseguite una serie di analisi di laboratorio per confermare le ipotesi
basate sui dati storici.
A monte dell’impianto le pompe di sollevamento inviano alla vasca di accumulo ,in 3 ore
al giorno, lo scarico proveniente dai reparti di lavorazione del caseificio.
Il 90% dello scarico giunge al sollevamento dalle 6.00 del mattino alle 18.00 di sera, come
da grafico riportato in Figura 11.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
17
Figura 11 Grafico mensile delle portate in ingresso all’impianto di depurazione.
Per tale motivo si programma di accumulare nell’apposito bacino il 90% dello scarico
giornaliero e temporizzare l’avvio delle pompe di risollevamento alle 18.00 con termine
alle 6.00 e con regolatore di livello di minimo.
L’impianto è dotato di vasca di accumulo ed equalizzazione di 120 m3
Figura 12
pari al volume
corrispondente allo scarico di oltre 1 giorno lavorativo. In tale vasca sono installate le
pompe di risollevamento che, comandate in automatico da regolatori di livello, inviano lo
scarico, con portata ridotta, al trattamento nell’arco di 12 ore al giorno, 6 ore al mattino e
6 ore al pomeriggio, come da grafico riportato in .
Figura 12 Grafico giornaliero delle portate in ingresso all’impianto di depurazione.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
18
Il sistema di telecontrollo CID presente sull’impianto è stato programmato per le prove in
esame impostando il salvataggio dei dati ogni 15 minuti e verificando alcuni valori
preliminari di Redox e Ossigeno ogni minuto correlando ad una seconda sonda da
laboratorio sia l’Ossigeno Disciolto che il potenziale Redox.
Nella apparecchiatura di telecontrollo è stata aggiunta la circuitazione per l’avvio delle
pompe di risollevamento con temporizzazione e regolatori di livello. Il sistema di
telecontrollo è dotato di computer e S.O. Windows XPprof. oltre al Software Ventura Web
per invio in continuo dei dati via FTP al pc di acquisizione presso gli uffici CID.
Il programma Team Viewer ha permesso di interfacciarsi direttamente con il pc remoto
della postazione.
E’ stata rilevata la portata delle pompe di sollevamento mediante lo strumento portatile
Flowmeter. Si sono inoltre rilevate le portate di risollevamento posizionando il fermo del
perno di regolazione della paratoia del parzializzatore di portata sulle due portate di 7 e
14 m3
Nei mesi precedenti le prove, in fase di valutazione preliminare dei dati, si sono riscontrati
valori di potenziale Redox pari a zero o negativi in seguito al guasto di un compressore e
l’afflusso di alti carichi (
/h.
Figura 13).
Figura 13 - Dati rilevati mese di Gennaio, un solo compressore in funzione il secondo guasto.
0
5
10
15
20
25
30
0102030405060708090
1 34 67 100
133
166
199
232
265
298
331
364
397
430
463
496
529
562
595
628
661
694
727
Redox
Flusso Orario in ingresso m3/h
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
19
Al ripristino del funzionamento regolare dei compressori e regolazione del carico, i valori
del Redox sono ritornati prossimi a 100mV (Figura 14).
Figura 14 - Dati rilevati mese di febbraio, due compressori sempre in funzione.
La curva di regressione del recupero ha un andamento di tipo esponenziale come
riportato in Figura 15, con costante di tempo di 107 ore. Essa rappresenta il tempo
necessario a raggiungere il 63% del valore asintotico k di 89,7 mV.
Figura 15 - Curva di regressione del recupero.
024681012141618
0102030405060708090
100
1 18 35 52 69 86 103
120
137
154
171
188
205
222
239
256
273
290
307
324
341
Redox
Flusso Orario in ingresso m3/h
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
20
3.3 Svolgimento delle prove
Definito il carico in ingresso come disturbo sono state programmate presso l’impianto di
depurazione del caseificio Montirone le prove per stimare, mediante tecniche di
identificazione dei sistemi, le funzioni di trasferimento del sistema nelle diverse condizioni
di carico e di portata di ossigeno fornito nella fase di ossidazione.
Nella programmazione delle prove si è cercato di ottenere un modello sufficientemente
accurato per il caso oggetto di studio, senza mettere a rischio il sistema e con durata delle
prove minore possibile senza ostacolare le normali operazioni dell’impianto di
depurazione.
Considerando i criteri precedentemente esposti, le prove per il presente lavoro sono state
svolte secondo il seguente procedimento:
Accumulo giornaliero del refluo proveniente dai reparti di lavorazione del caseificio per
valutare la variazione dei parametri rilevati con carico giornaliero omogeneo e costante.
Predisposizione della fase di carico di ingresso del refluo al depuratore mediante pompa di risollevamento con avvio alle 18.00 ( termine delle fasi di lavorazione e scarico del caseificio). Campionamento giornaliero del refluo accumulato ed analisi di laboratorio secondo
metodica standard della concentrazione organica in ingresso al processo come CODin e
saltuariamente anche di tutti i parametri inerenti le varie fasi depurative (uscita, fanghi).
Rilevazione in continuo con due sonde delle concentrazioni dell’Ossigeno disciolto e del
potenziale Redox nella vasca di ossidazione e loro correlazione.
Registrazione dei dati delle portate in ingresso al trattamento, delle concentrazioni di
funzionamento delle macchine (pompe e compressori), mediante apparecchiatura di
telecontrollo completa di computer hardware e software di acquisizione dati.
Rilevazione delle variazioni dell’Ossigeno Disciolto e del Potenziale Redox distinte nelle
fasi differenziate sia nel carico in ingresso che nella quantità di ossigeno fornito in
ossidazione mediante l’aria inviata dai compressori.
Si è impostato il programma di rilevazione dati e definite le tipologie di funzionamento.
E’ necessario infatti rilevare la variazione dei valori del potenziale Redox al variare del
carico inquinante in ingresso e al variare della quantità di ossigeno fornita (valori Redox in
salita e in discesa).
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
21
Sono stati impostati i seguenti 5 programmi di rilevazione i cui dati rilevati sono riportati in appendice :
1 - iniziato il 27marzo fino al 6 aprile
- accumulo dalle 7.00 alle 18.00 dello scarico - invio al trattamento mediante pompa di risollevamento con inizio alle
18.00 - parzializzatore posto per portata minima di 7 m3
- compressore C1 in funzione continua /h
- compressore C2 posto temporizzato con funzionamento 0.00-4.00 e 12.00-18
2 - iniziato il 6 aprile fino al 9 aprile
- accumulo dalle 7.00 alle 18.00 dello scarico - invio al trattamento mediante pompa di risollevamento con inizio alle
18.00 - parzializzatore posto per portata minima di 7 m3
- compressore C1 in funzione continua /h
- compressore C2 spento 3 - iniziato il 14 aprile fino al 17 aprile
- accumulo dalle 7.00 alle 18.00 dello scarico - invio al trattamento mediante pompa di risollevamento con inizio alle
18.00 - parzializzatore posto per portata minima di 7 m3
- compressori C1 +C2 in funzione continua /h
4 - iniziato il 17 aprile fino al 21 aprile
- accumulo dalle 7.00 alle 18.00 dello scarico - invio al trattamento mediante pompa di risollevamento con inizio alle
18.00 - parzializzatore posto per portata massima di 14m3
- compressori C1 +C2 in funzione continua /h
5 - iniziato il 21 aprile fino al 25 aprile
- accumulo dalle 7.00 alle 18.00 dello scarico - invio al trattamento mediante pompa di risollevamento con inizio alle
18.00 - parzializzatore posto per portata masima di 14 m3
- compressore C1 in funzione continua /h
- compressore C2 spento
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
22
3.4 Strumentazione di prova
L’adozione della sonda Redox di misura del potenziale ossido riduttivo deriva dalla
constatazione pratica che essa non richiede tarature assidue (praticamente assenti) ed
eventualmente eseguite velocemente immergendo la sonda nella soluzione di taratura.
La sonda ossigeno usualmente adottata necessita di tarature continue e sostituzioni della
membrana di scambio, operazione da effettuare necessariamente in laboratorio e non in
campo ove le condizioni operative sono difficoltose.
Ultimamente sono entrate in commercio sonde per la rilevazione dell’Ossigeno Disciolto
basate sulla lettura con metodo ottico che non hanno gli inconvenienti delle vecchie
sonde a membrana anche se il costo è quadruplo.
Per verificare l’attendibilità di tali sonde per il presente lavoro ne è stata installata una e
dopo 3 mesi di funzionamento il bilancio è positivo.
Caratteristiche sonda Redox :
Azienda distributrice B&C
Trasmettitore di Redox a cristalli liquidi MV3630
Alimentazione e Segnale analogico a 2 fili 4-20mA
Compensazione automatica temperatura
Alimentazione 10-30 Vcc
Sonda pvc H720mm con elettrodo SI263
Elettrodo Redox combinato platino/rif.gel in vetro
Range misura Potenziale Redox 0-1000 mV
Caratteristiche sonda Ossigeno Disciolto :
Azienda distributrice B&C
Dispositivo ottico fluorescente di rilevazione
Trasmettitore segnale analogico 4-20mA
Range misura Ossigeno Disciolto 0-20ppm
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
23
Poiché il trattamento biologico prevede condizioni ossidanti, con presenza di Ossigeno
Disciolto non inferiore a 0.5 ppm, corrispondenti a 60mV di potenziale redox, si sono
effettuate le rilevazioni e trovata la corrispondenza tra i due valori.
Tabella 2 Correlazione tra i dati di Redox e Ossigeno rilevati.
Come si rileva dal grafico di Tabella 2 la corrispondenza è del 92,4% con risposta
immediata, senza ritardo.
Nella presente tesi si è fatto riferimento ai valori del Potenziale Redox per regolare il
processo poiché la sonda Ossigeno è di recente produzione e non è stata testata nel
tempo.
3.5 Identificazione del sistema
La risposta allo scalino dei sistemi è stata stimata utilizzando l’ identificazione ai minimi quadrati, adottando come modello un sistema del primo ordine, uno del secondo ordine e uno integratore.
La procedura di identificazione è stata automatizzata implementando degli script Matlab e dei modelli Simulink per la stima ai minimi quadrati (vedere Appendice B).
MONTIRONE -SONDE Rx O2
y = 0,177e0,015x
R2 = 0,924
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 50 100 150 200 250 300
REDOX mV
O2
ppm
RX mV O2 ppm -100 0,0
0 0,2 25 0,3 50 0,4 75 0,6 100 0,8 125 1,2 150 1,7 175 2,5 200 3,6 225 5,3 250 7,7 275 11,1 300 16,2
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
24
Inizialmente sono stati implementati tutti e tre i modelli di sistema, successivamente il modello del secondo ordine è stato scartato poiché sia il sistema del primo ordine che il sistema integratore fornivano già una buona approssimazione.
La funzione di trasferimento di un sistema del primo ordine si può scrivere come:
in cui T è la costante di tempo, k è il guadagno
i parametri per la stima ai minimi quadrati sono quindi e da cui si ricava il
guadagno k e la costante di tempo T.
La funzione di trasferimento di un sistema del secondo ordine si può scrivere come:
i parametri per la stima ai minimi quadrati sono quindi , e
da cui si ricava il guadagno k e le costanti di tempo T1e T2
il parametro per la stima ai minimi quadrati è pari al guadagno .
.
La funzione di trasferimento di un sistema integratore si può scrivere come:
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
25
3.6 Risultati delle prove
Vengono di seguito riportati i risultati dell’identificazione dei sistemi per le varie prove
effettuate. In Appendice C sono riportati i grafici dei dati e dell'identificazione dei sistemi.
Di seguito per funzione di trasferimento in salita si intende quella calcolata quando il
valore del Redox aumenta, cioè nel caso in cui si mette in funzione il compressore oppure
quando finisce il carico in ingresso, mentre per funzione di trasferimento in discesa si
intende quella calcolata quando il valore del Redox diminuisce, cioè nel caso in cui si
ferma il compressore oppure quando inizia il carico in ingresso.
Nella prova 1 nella funzione di trasferimento di salita compressore non sono state prese
in considerazione le prime due rilevazioni poiché i valori di partenza del potenziale redox
erano bassi rispetto ai valori tipici di partenza.
Prova numero guadagno(mV) costante di tempo (min) ritardo (min) carico
1 - Rx<100 14 36 15 8,3 2 - Rx<100 30 48 15 9,8 3 - Rx<200 104 99 15 8,7 4 - Rx<200 142 50 15 8,7 5 - Rx<200 146 60 15 0
Tabella 3 Prova 1 - Funzione di trasferimento salita compressore
Nella prova 1 nella funzione di trasferimento di discesa compressore non si sono
considerate le prime due rilevazioni perché il carico si esauriva prima dello spegnimento
del compressore. La terza rilevazione non è rappresentativa poiché i parametri di
guadagno e costante di tempo si discostano troppo dalle altre rilevazioni esaminate, ciò è
dovuto ai numerosi fattori che influiscono sul processo.
Tabella 4 Prova 1 - Funzione di trasferimento discesa compressore
Prova numero guadagno(mV) costante di tempo (min) ritardo (min) carico
3 430 375 15 8,7 4 200 60 15 8,7 5 35 33 15 0
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
26
Prova numero guadagno(mV) costante di tempo (min) ritardo (min) carico
2_1 (1Compr) 130 200 15 16,8 2_2 (1Compr) 113 78 0 8,7 2_3 (1Compr) 121 45 15 15,4 2_4 (1Compr) 225 90 0 23,8 2_5 (1Compr) 238 75 - 21,7 2_6 (1Compr) 206 45 - 21,7 2_7 (1Compr) 198 375 0 26,9 3_1 (2Compr) 1456 456 0 24,8 3_2 (2Compr) 134 345 0 16,4 3_3 (2Compr) 102 300 0 36 4_1 (2Compr) 136 300 0 42 4_2 (2Compr) 36 330 0 19 4_3 (2Compr) -13 -12,6 0 36,9 4_4 (2Compr) 166 210 0 64
Tabella 5 Prove 2,3,4 - Funzione di trasferimento salita carico
Nelle prove 2,3,4 riportate nella Tabella 5, nella funzione di trasferimento di salita carico
si sono considerate le rilevazioni con funzionamento con 1 e 2 compressori; non si sono
considerate le rilevazioni 3_1 e 4_3 perché i valori del carico e della costante di tempo si
discostano troppo dalle altre rilevazioni esaminate. La rilevazione 2_7 pur avendo il
guadagno compatibile con le altre rilevazioni è stata scartata poiché nella retta di
regressione il dato abbassa il valore di attendibilità dal 91% al 61%.
Prova numero guadagno costante di tempo (min) ritardo (min) carico
2_1 (1Compr) -2,3(mV/15min) - 0 16,8 2_2 (1Compr) -4,45(mV/15min) - 105 8.8 2_3 (1Compr) -10,7(mV/15min) - 15 15,4 2_4 (1Compr) -14,7(mV/15min) - 255 23,8 2_5 (1Compr) -13,7(mV/15min) - 45 21,7 2_6 (1Compr) -13,9(mV/15min) - 30 21,7 2_7 (1Compr) -12(mV/15min) - 0 26,9
3_1 71(mV) 280 0 24 3_2 106(mV) 300 150 16,4 3_3 96(mV) 240 135 36 4_1 6,5(mV/15min) - 60 42 4_2 100(mV) 261 60 19,3 4_3 86(mV) 70 0 36 4_4 210(mV) 180 0 64
Tabella 6 Prove 2,3,4 - Funzione di trasferimento discesa carico
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
27
Nelle prove 2,3,4 riportate nella Tabella 6, nella funzione di trasferimento di discesa
carico si sono considerate le rilevazioni con funzionamento con 1 e con 2 compressori. La
rilevazione 2-7 pur avendo il guadagno compatibile con le altre rilevazioni è stata scartata
poiché nella retta di regressione il dato abbassa il valore di attendibilità dal 97% al 74%.
La rilevazione 4_3 pur avendo il guadagno compatibile con le altre rilevazioni è stata
scartata poiché nella retta di regressione il dato abbassa il valore di attendibilità dal 76%
al 66% per il guadagno e dal 92% al 30% per la costante di tempo.
Dalle rilevazioni sopra riportate sono state estratte quelle ritenute significative che hanno
permesso di ricavare la Tabella 7 complessiva riassuntiva dei parametri delle funzioni di
trasferimento dei sistemi in salita e discesa. Per le funzioni di trasferimento in salita e
discesa compressore dei pochi dati ritenuti accettabili è stata fatta la media per ottenere
il valore più significativo riportato nella Tabella 7 seguente.
Scalino su Salita/discesa guadagno costante di tempo (min) ritardo (min) carico
Compressore
↗ 123(mV) 75 15 8,7 ↘ 200(mV) 60 15 8,7 ↗ 146(mV) 60 15 0 ↘ 35(mV) 33 15 0
Carico – 1C
↗ 121(mV) 45 - 15,4 ↘ 5 (mV/15min) - - 8 ↗ 225(mV) 90 - 23,8 ↘ 15(mV/15min) - - 23,8
Carico – 2C
↗ 36(mV) 330 0 19 ↘ 106(mV) 300 0 16,4 ↗ 166(mV) 210 0 64 ↘ 210(mV) 180 0 64
Tabella 7 Tabella complessiva delle funzioni di trasferimento con i valori estremi rispetto al carico dell’intervallo considerato
Dai risultati in tabella, per quanto riguarda il ritardo di tempo delle funzioni di
trasferimento, è risultato nullo o al più pari a 15 minuti.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
28
I dati raccolti con l'identificazione del sistema vengono riportati i grafici delle rette di regressione ottenute dalle rilevazioni. In Tabella 8 sono riportati i dati del guadagno e costante di tempo della funzione di trasferimento in salita utilizzati per determinare la retta di regressione.
SALITA-un compressore Carico Guadagno Cost.Tempo 16,8 130 200 15,4 121 45 23,8 225 90 21,7 244 75 21,7 206 45
Tabella 8
Figura 16 Rette di regressione ottenute dai dati della Tabella 8.
In Tabella 9 sono riportati i dati del guadagno e costante di tempo della funzione di trasferimento in discesa utilizzati per determinare la retta di regressione.
DISCESA-1 compressore Carico Guadagno/15min Guadagno/1min
16,8 -2,3 -0,15 8,8 -4,7 -0,31
15,4 -10,7 -0,71 23,8 -14,7 -0,98 21,7 -13,7 -0,91 21,7 -13,9 -0,93 26,9 -12 -0,8
Tabella 9
y = 14,68x - 106,8R² = 0,881
0
50
100
150
200
250
300
0 10 20 30
Gua
dagn
o
Carico (kg/h)
Guadagno fase salita
y = 5,219x - 35,96R² = 0,991
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30Cost
ante
di t
empo
(min
)
Carico (kg/h)
Costante di tempo fase salita
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
29
Figura 17 Retta di regressione ottenuta dai dati della Tabella 9.
In Tabella 10 sono riportati i dati del guadagno e costante di tempo della funzione di trasferimento in salita utilizzati per determinare la retta di regressione.
SALITA-2 compressori
Carico Guadagno Cost.Tempo
3_3 36 102 300 4_1 42 136 300 4_2 19 36 330 4_4 64 166 210
Tabella 10
Figura 18 Rette di regressione ottenute dai dati della Tabella 10.
In Tabella 11 sono riportati i dati del guadagno e costante di tempo della funzione di trasferimento in salita utilizzati per determinare la retta di regressione.
DISCESA-2 compressori
Carico Guadagno Cost.Tempo
3_1 24 71 280 3_2 16,4 106 300 3_3 36 96 240 4_2 19,4 100 261 4_4 64 210 180
Tabella 11
y = -0,043x + 0,033R² = 0,974
-1,20
-1,00
-0,80
-0,60
-0,40
-0,20
0,00
0 10 20 30
Gua
dagn
o in
tegr
ator
eCarico (kg/h)
Guadagno integratore fase discesa
y = 2,876x - 5,770R² = 0,917
0
50
100
150
200
0 20 40 60 80
Gua
dagn
o
Carico (Kg/h)
y = -2,676x + 392,7R² = 0,917
0
100
200
300
400
0 20 40 60 80Cost
ante
di t
empo
(min
)
Carico (Kg/h)
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
30
Figura 19 Rette di regressione ottenute dai dati della Tabella 11.
Le equazioni delle rette di regressione del guadagno e della costante di tempo in funzione
del carico che sono state determinate permettono di adattare i parametri delle funzioni di
trasferimento al variare del carico.
Nella Tabella 12 seguente sono riportati i coefficienti delle rette di regressione desunte
dalle rilevazioni. Si sono omessi quelli relativi ai compressori perchè, a causa della
complessità e instabilità del sistema, le rilevazioni non hanno permesso di ottenere rette
di regressione attendibili poiché il carico si esauriva prima dello spegnimento dei
compressori.
Scalino su Tipologia Equazioni del guadagno in funzione del carico x (COD Kg/h)
Equazioni della costante di tempo (min) in funzione del carico x (CODKg/h)
Carico – 1C ↗ 14,68x - 106,8 [mV] 5,22x - 32,96 ↘ -0,043x + 0,033 [mV/1min] -
Carico – 2C ↗ 2,876x - 5,770 [mV] -2,676x + 392,7 ↘ 2,408x – 39,80 [mV] -2,282x + 325,1
Tabella 12 Tabella complessiva delle funzioni di trasferimento con le equazioni delle rette di regressione
Le due tabelle complessive sopra esposte hanno permesso di progettare il sistema di
controllo per il processo in esame.
y = 2,408x + 39,80R² = 0,757
0
50
100
150
200
250
0 20 40 60 80
Gua
dagn
o
Carico (Kg/h)
y = -2,282x + 325,1R² = 0,923
0
50
100
150
200
250
300
350
0 20 40 60 80
Cost
ante
di t
empo
(min
)
Carico (Kg/h)
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
31
CAPITOLO 4
4 LO SCHEMA DI CONTROLLO
4.1 Schema di controllo attuale
Il processo di ossidazione viene attualmente monitorato dal sistema di telecontrollo che
rileva i dati delle sonde che rilevano Ossigeno e Redox e fornisce i segnali allarme sulla
base di soglie preimpostate.
I segnali di allarme tramite uscite digitali comandano l'accensione e lo spegnimento del
compressore ausiliario, quando la concentrazione dell'ossigeno scende al di sotto o
supera un certo valore di concentrazione nella vasca di aerazione.
Si tratta del tipico controllo a relè nel quale la variabile da controllare viene confrontata
con il valore di setpoint impostato e quando si avvicina a un valore prestabilito, viene
chiuso un contatto in uscita. La variabile di controllo è quindi di tipo on-off non di tipo
analogico.
La frequenza dei cicli di accensione e spegnimento del compressore è limitata, in quanto il
carico elettrico a cui è sottoposto il motore durante la fase di avviamento risulta molto
elevato.
La presenza di rumore sulla misura e la necessità di non commutare continuamente il
contatto in uscita, per evitare il surriscaldamento del motore elettrico, rendono
opportuno l’utilizzo dell’ isteresi. In Figura 20 è riportato lo schema di controllo.
Di conseguenza, il controllo on-off non è in grado di mantenere un parametro controllato
all'interno di un intervallo limitato. Le azioni di controllo on-off causano inoltre un
disturbo significativo, che viene poi trasferito ai processi di valle.
Figura 20 - Schema di controllo a relè con isteresi.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
32
Questa tecnica di controllo di base viene utilizzata tipicamente nell’ambito di regolazioni
di impianti di depurazione con ciclo di processo semplificato.
La variabile controllata evolve infatti secondo una dinamica oscillatoria di ampiezza tanto
maggiore quanto più elevato è il rapporto di controllabilità del processo e ciò può essere
compatibile solo con prestazioni modeste del ciclo di regolazione.
4.2 Lo schema di controllo proposto
Visti i limiti del controllo on-off a relè attualmente impiegato, che non è in grado di
mantenere il parametro Redox all'interno di un intervallo limitato e le modeste
prestazioni si è considerato l’impiego di un controllore PID, molto comune nella realtà
industriale.
Tale controllore è possibile inserirlo in uno schema di controllo in retroazione (feedback),
nello schema con regolazione anticipata (feed-forward) oppure nella combinazione dei
due precedenti.
Il controllo con retroazione prevede la misura di una variabile di processo per effettuare
degli aggiustamenti di una variabile di input. Quest'ultima pertanto diventa una variabile
manipolata. Esso interviene solo quando viene individuato un errore nell'output, per
compensare i cambiamenti osservati.
La regolazione anticipata viene utilizzata per individuare i disturbi in fase di input, prima
che il sistema intervenga, e per apportare aggiustamenti a una o più variabili manipolate,
in modo da ridurre o eliminare gli effetti del disturbo. Esso cerca di compensare i disturbi.
Nelle situazioni in cui il controllo non può essere ottenuto in modo accurato o completo
mediante un meccanismo con retroazione, si può usare una combinazione dei sistemi di
controllo con retroazione e con regolazione anticipata.
Vengono di seguito descritti gli schemi di controllo utilizzati negli impianti di depurazione.
Controllo con retroazione (feedback). Il principio del controllo con retroazione
rappresenta uno dei concetti più intuitivi nell' ambito del controllo del processo. Per
correggere una determinata situazione viene intrapresa una certa azione; si misura quindi
il risultato di questo intervento correttivo ed eventualmente si adotta una nuova azione
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
33
correttiva. Pertanto, invece di misurare un disturbo, viene valutato il cambiamento di un
parametro controllato (come il Redox) e in base a questo, viene calcolato il valore di un
parametro manipolato (flusso di aria).
In Figura 21 è riportato lo schema di controllo in retroazione della fase di ossidazione di
un impianto di depurazione biologico a fanghi attivi.
Figura 21 - Schema di controllo in retroazione della fase di ossidazione.
In Figura 22 è rappresentato il relativo schema a blocchi dell’anello di regolazione in
retroazione, nel quale rappresenta la fdt del controllore, rappresenta la fdt del
processo da controllare e rappresenta la fdt del disturbo.
• variabile di controllo (u)•
: tempo compressori variabile controllata (Rx)
• : Redox
disturbo sull'uscita: carico in ingresso portata*concentrazione del refluo
Qi*Ci
R(s) P(s)
H(s)
+ u Rxsp Rx
+ -
e
Figura 22 - Schema a blocchi del sistema di controllo in retroazione.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
34
Controllo con regolazione anticipata (feed-forward). Questo metodo di controllo
consiste nella misura dei disturbi in modo che i parametri controllati siano mantenuti
all'interno di un intervallo stabilito. Nel caso in esame potrebbe essere utile adottarlo nel
caso in cui il carico del liquame influente (disturbo) viene misurato, mentre viene
calcolata la necessaria variazione del flusso di aria (parametro manipolato) da fornire al
sistema a fanghi attivi per mantenere costante la concentrazione di ossigeno disciolto
nella vasca di aerazione (mediante il controllo del Redox).
In Figura 23 è rappresentato lo schema a blocchi dell’anello di regolazione in retroazione,
nel quale rappresenta la fdt del controllore, rappresenta la fdt del processo da
controllare, rappresenta la fdt del disturbo e rappresenta la fdt del
compensatore feed-forward.
In un algoritmo di controllo statico con regolazione anticipata, un parametro manipolato
viene calcolato in base a una relazione lineare con una variabile controllata. Nel caso
dell'OD, l'ampiezza del segnale richiesto per il flusso di aria, viene calcolata tramite la
seguente formula:
Qa = K * Ql
dove Qa = [ m3/h ] flusso di aria,
K = coefficiente di guadagno (gain) della regolazione anticipata
Ql = [ m3
Poiché risulta molto difficile effettuare le misure del disturbo nel tempo (a causa della
difficoltà di assicurare un continuo di prelievo campioni ed analisi di laboratorio) e quindi
/h ] portata di liquido
R(s) P(s)
H(s)
+
Qi*Ci
u
Rxsp Rx
G(s)
+
Figura 23 - Schema a blocchi del sistema di controllo con regolazione anticipata.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
35
il calcolo della variazione della portata d’aria, il controllo con regolazione anticipata ha
un'applicazione limitata nell'automazione del processo di trattamento delle acque reflue.
Lo sviluppo di analizzatori avanzati di tipo on-line e della modellizzazione al computer dei
processi di trattamento delle acque reflue contribuisce ad ampliare il campo di
applicazione di questo tipo di controllo.
Controllo proporzionale. Nelle modalità di controllo proporzionale, si calcola il valore di
un parametro manipolato sulla base di una relazione lineare che lega questo all'errore
della variabile controllata. In questo caso, l'errore viene definito come la differenza tra il
valore obiettivo della variabile controllata e il valore corrente. Nel caso dell'ossigeno
disciolto OD, l'ampiezza del segnale richiesto per il flusso d'aria è calcolata attraverso la
formula seguente:
Qa = (Kp)(ODsp - OD) + M
dove Qa = portata di aria, m3/h
Kp = coefficiente di guadagno proporzionale del regolatore, (m3/h)/( mg/l)
OD = concentrazione di ossigeno disciolto, mg/l
ODsp = concentrazione obiettivo di ossigeno disciolto al set-point, mg/l
M = costante, spesso identificata come coefficiente di correzione o valore di base, il quale
corrisponde all' output dal controllore quando l'errore è pari a zero, m3
Controllo integrale. In questa modalità di controllo, per determinare l'azione correttiva si
utilizza l'area al di sotto della curva che riporta lo scarto in funzione del tempo. Il cam-
biamento nel parametro manipolato viene calcolato in base ad una relazione
/h
La differenza tra il nuovo valore misurato della variabile controllata e il set-point in
condizioni stazionarie è chiamato scarto. In condizioni non stazionarie lo scarto viene
chiamato errore. L'aumento del valore assoluto del guadagno può far diminuire lo scarto.
Comunque uno scarto non può essere eliminato completamente, perché per raggiungere
uno scarto uguale a zero, il guadagno proporzionale deve essere aumentato
infinitamente. Le dinamiche del processo e l'accuratezza delle misure impongono limiti
considerevoli sul valore di Kp che, di conseguenza, non può essere aumentato
infinitamente.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
36
proporzionale. La modalità integrale costituisce il miglior metodo di controllo che
consente di eliminare lo scarto. In presenza di qualunque scarto, un'azione basata sul
controllo integrale continuerà a effettuare cambiamenti fino alla eliminazione dello
scarto. L'azione di controllo integrale dell'ossigeno disciolto OD può essere descritta dalla
seguente relazione:
= (Ki)
dove Qa = portata di aria, m3/min
ti = tempo di integrazione, min
Ki = coefficiente di guadagno dell'integrazione del regolatore.= Kp/ti, m3/min2
Il controllo PI fornisce una risposta rapida a un errore mediante un'azione proporzionale,
e inoltre consente di eliminare lentamente uno scarto mediante un'azione integrale. Il
rapporto tra Kp e Ki dipenderà dalle dinamiche del ciclo di controllo. Per i cicli veloci,
come il controllo della portata, dovrebbe essere aumentata l'azione di controllo integrale;
per i cicli lenti, quali il controllo di OD, dovrebbe essere usata un' azione proporzionale
)/(mg/l)
t = tempo, min
Gli altri termini sono definiti come in precedenza.
In teoria, attraverso il controllo integrale è possibile mantenere sempre il valore di set-
point in maniera precisa, senza scarto. Tuttavia, se le dinamiche del ciclo di controllo sono
lente e il valore di K è elevato, il sistema diventa instabile a causa di un'azione di controllo
troppo aggressiva. La riduzione del valore di K renderà il sistema di controllo troppo lento
e renderà impossibile compensare i disturbi entro un periodo di tempo ragionevole.
Controllo proporzionale-integrale (PI). Questo è sicuramente il controllo con retroazione
più diffuso. Un algoritmo PI è costituito dalla combinazione di due modi indipendenti,
ovvero il modo proporzionale (P) e quello integrale (I), e fornisce un controllo affidabile e
accurato. Dal punto di vista matematico, il controllo PI può essere rappresentato
mediante la seguente equazione:
i cui termini sono stati definiti in precedenza.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
37
per evitare oscillazioni del processo. Viene chiamato control-loop tuning la procedura che
consente di trovare i valori più appropriati dei coefficienti Kp e Ki. In molti casi una
procedura di questo tipo condotta in modo non corretto può essere causa di un controllo
automatico inefficace e a volte portare ad abbandonare completamente il controllo
automatico. Esistono vari metodi per effettuare un tuning corretto, i quali si avvalgono di
una fase successiva di prova.
Controllo proporzionale-derivativo. (PD) Un controllo migliore del processo può essere
conseguito aggiungendo un termine derivativo, ottenuto dal grafico dell'andamento
temporale dello scarto, al termine di controllo proporzionale. La relazione proporzionale
derivativa per l'OD che ne consegue risulta:
dove td
Controllo con regolazione anticipata e con retroazione. A causa delle limitazioni proprie
del sistema di controllo con retroazione, nel quale cioè una variabile manipolata viene
cambiata solo quando è individuato un errore o il tempo di reazione è lento, la risposta
del processo può essere migliorata aggiungendo un controllo con regolazione anticipata.
= tempo derivativo, min
Lo scopo del termine derivativo consiste nell'anticipare il cambiamento in un sistema,
considerando la velocità di cambiamento nel tempo del termine di errore. Il metodo di
controllo PD viene usato nei cicli di controllo nei quali le dinamiche dei processi sono
veloci. Poiché le dinamiche di processo dei trattamenti delle acque reflue sono
relativamente lenti, il metodo PD viene utilizzato raramente nelle applicazioni che
riguardano le acque reflue.
Controllo proporzionale-integrale-derivativo (PID). La combinazione dei tre metodi sopra
descritti porta a un sistema di controllo ancora più sofisticato ed efficace, descritto dalla
seguente equazione:
.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
38
Attraverso una strategia di controllo combinata, una variabile manipolata risponde
inizialmente ad un disturbo (per esempio un cambiamento di portata) usando un
algoritmo di controllo a regolazione anticipata. L'errore causato da una compensazione
poco accurata del disturbo viene corretto applicando un controllo con retroazione
proporzionale-integrale (PI).
In Figura 24 è rappresentato lo schema a blocchi dell’anello di regolazione in retroazione,
nel quale rappresenta la fdt del controllore, rappresenta la fdt del processo da
controllare, rappresenta la fdt del disturbo e rappresenta la fdt del
compensatore feed-forward.
Con una accurata procedura di control-Ioop tuning, un errore causato da una compen-
sazione non adeguata del disturbo mediante una regolazione anticipata ha una rilevanza
inferiore di un errore che si verifica quando viene adottato il solo controllo con retroazio-
ne. Una combinazione dei controlli mediante regolazione anticipata e retroazione rende il
tuning del controllore più difficile e lungo, perché è necessario un ulteriore coefficiente di
regolazione per il controllo con regolazione anticipata. Come conseguenza, la
combinazione dei controlli mediante regolazione anticipata e retroazione non viene usata
molto spesso. In futuro, i progressi nella modellizzazione al computer dei processi di
trattamento delle acque reflue potranno semplificare la procedura control-Ioop tuning
dei cicli di controllo, e questo sistema di controllo avanzato sarà utilizzato più spesso.
R(s) P(s)
H(s)
+ +
Qi*Ci
u
Rxsp Rx
G(s)
+ -
Figura 24 - Schema a blocchi del sistema di controllo con regolazione anticipata e retroazione.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
39
Lo schema ad azione anticipata è utile adottarlo nel caso in cui il carico del refluo
(disturbo) viene misurato in continuo, mentre nel caso in esame non è disponibile in
continuo il valore del carico ma valori discreti ottenuti dai campioni prelevati e dalle
analisi di laboratorio.
4.3 Implementazione in Matlab/Simulink
Le prove effettuate hanno permesso di determinare le funzioni di trasferimento del
disturbo H(s) e del processo P(s) nella fase di ossidazione ove il refluo entrante è stato
visto come un disturbo agente sull'uscita del processo di ossidazione come dallo schema
in Figura 25.
È stato quindi implementato in ambiente Matlab/Simulink il sistema di controllo in
retroazione utilizzando le funzioni di trasferimento stimate.
In Matlab è stato creato uno script che una volta inizializzati i valori delle costanti del PID
oltre alla durata e inizio del carico effettua la simulazione per poi restituire i grafici
dell’andamento dell’uscita del disturbo del carico e del processo.
Lo script Matlab e i modelli Simulink non presenti in questo capitolo sono in Appendice D.
In Figura 26 è riportato il primo schema implementato in Simulink, che contiene lo
schema a blocchi della fase di ossidazione e il sistema di controllo.
Le funzioni di trasferimento del disturbo H(s) e del compressore P(s) sono inserite in
sottosistemi, dato che è necessario un differente comportamento sul fronte di salita e di
discesa, lo schema richiede molti blocchi Simulink in più.
Qi*Ci
P(s)
H(s)
Rx +
ON/OFF
Figura 25 - Schema a blocchi della fase di ossidazione.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
40
Il carico in ingresso viene letto dal vettore creato con lo script e presente nel workspace
(blocco simcarico) e in uscita dai sottosistemi viene applicato il ritardo di tempo ottenuto
dalla Tabella 7.
Nell’anello di controllo è inserito il controllore PID collegato direttamente all’ingresso del
processo considerando quindi inizialmente una variabile di controllo continua (cioè la
velocità dei motori dei compressori è regolata mediante inverter), utile per determinare il
valore massimo della variabile di controllo e per tarare i parametri del PID con le diverse
procedure disponibili.
Figura 26 - Schema implementato in Simulink, considerando una variabile di controllo continua.
Le prestazioni del regolatore PID sono determinate dal valore dei suoi parametri, esistono
differenti metodi di taratura tra i quali è stato scelto il metodo di Haalman.
Si tratta di un metodo analitico di taratura, che si basa sulla cancellazione polo-zero, in cui
la funzione di trasferimento del regolatore è ottenuta imponendo la funzione di
trasferimento in anello aperto del sistema pari a:
A seconda che il processo sia del primo ordine più ritardo o del secondo ordine più ritardo
si ha un PI o un PID rispettivamente.
Nel caso in esame il processo è del primo ordine più ritardo si ha un PI:
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
41
È stato scelto questo metodo di taratura perché per il caso in esame permetteva di
ottenere un controllore PI, senza l'azione derivativa, che come precedentemente esposto
è adatta nei cicli di controllo nei quali le dinamiche dei processi sono veloci.
Nei sottosistemi e sono stati inseriti degli switch per selezionare la funzione di
trasferimento per il fronte di salita e discesa del carico e del processo.
Considerando la Figura 27 un primo switch serve per selezionare la funzione di
trasferimento, altri due per memorizzare il valore dell’uscita prima della commutazione e
regolare l’offset delle due risposte. Un terzo e ultimo switch per applicare l’offset solo
dopo la commutazione.
Figura 27 - Sottosistema della funzione di trasferimento del carico H(s).
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
42
Nel caso del processo in Figura 28 il sottosistema ha il doppio dei blocchi per tener conto
del fatto che il comportamento del compressore con e senza carico è differente.
Figura 28 - Sottosistema della funzione di trasferimento del processo P(s).
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
43
L’uscita fisica di controllo del compressore in realtà non è analogica ma di tipo
ON/OFF, è quindi necessario modulare la durata di ciascuna delle due fasi ON/OFF, sulla
base dell’uscita dell’algoritmo PID, per mezzo della tecnica PWM (Pulse Width
Modulation).
Si è fissato un periodo Tc, detto tempo-ciclo, il contatto in uscita viene tenuto ON per una
frazione di Tc
cMax
cON Tuuutu
Ttt ⋅−−
=+∆min
min)(),(
pari al valore percentuale che la variabile di controllo ha all’istante t,
cioè per un tempo
allo scadere di Tc, all’istante t+Tc, ∆ON viene ricalcolato sulla base del nuovo valore di
u(t+Tc
PWM Processo y° e u y
- PID
ON
OFF
Tc t
∆k- 1 ∆k ∆k+ 1
u
).
Figura 29 - Lo schema di regolazione a tempo proporzionale e andamento della variabile di controllo.
La scelta del tempo-ciclo Tc determina quanto viene sollecitato l'attuatore, un tempo
troppo basso solleciterebbe eccessivamente il compressore con conseguente
surriscaldamento del motore elettrico e quindi maggiore usura.
Si è tenuto conto di questo fatto imponendo Tc in modo tale che il tempo minimo tra lo
spegnimento e la successiva accensione non fosse inferiore a 60 min, Tc
Nel secondo schema implementato di
è risultata pari a
180 min.
Figura 30 è stato inserito il modulo PWM per
rendere la variabile di controllo di tipo ON-OFF, come è l’attuale azionamento dei
compressori.
Nonostante l'uscita del PWM sia stabile l'introduzione di tale modulo ha reso instabile
l'uscita del PID, ciò è dovuto al fatto che l'approssimazione introdotta con l'imposizione
del tempo di ciclo relativamente lungo non permette l'annullamento dell'errore a regime
e determina l'aumento continuo dell'azione integrale del PID.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
44
Per rendere stabile l'uscita del PID è stata introdotta una saturazione dell'azione integrale
quando il sistema è senza carico in ingresso realizzando il cosiddetto gain scheduling dei
parametri del PID.
Sempre in Figura 30 il gain scheduling del PID è realizzato dallo switch, che in assenza del
carico abilità il PID1 e in presenza del carico l’altro PID.
Figura 30 - Schema implementato in Simulink, considerando l’inserimento del blocco PWM con variabile di controllo discreta.
L’algoritmo PID è stato tarato facendo riferimento come condizioni operative (punti di
lavoro) del processo la presenza o assenza di carico. Infatti come mostrato nelle prove
sperimentali al variare di quest’ultime, i parametri della funzione di trasferimento
cambiano valore, perciò si sono riadattati dinamicamente i parametri dell’algoritmo PID.
Processo y
- PID y°
u
Scheduling variabile ausiliaria
Kp, Ti, Td
Figura 31 - Schema a blocchi del Gain scheduling dei parametri del PID.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
45
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
46
CAPITOLO 5
5 RISULTATI
Vengono riportati i risultati delle simulazioni dei sistemi implementati in Simulink.
Per le simulazioni si è utilizzato un carico medio tipico in ingresso di 16kg/h COD (vedi
Appendice E), con durata dello scarico di 500 minuti pari a circa 8,3 ore.
Nel caso dello schema di Figura 26, si è considerata una variabile di controllo continua e
ciò ha permesso di ottenere i parametri del PID utilizzando il metodo di taratura di
Haalman precedentemente descritto.
In Tabella 13 sono riportati i valori dei parametri del PID, data la differenza modesta tra la
taratura in presenza o assenza di carico si è utilizzato un solo set di parametri.
K Tp Ti d
0.0083884 53.8602 0
Tabella 13 - Parametri del PID.
In Figura 32 è riportata la risposta del sistema imponendo il set-point pari a zero, che
corrisponde a considerare il valore attuale del Redox come valore da mantenere anche
dopo l'ingresso del carico.
Figura 32 - Grafico della risposta del sistema.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
t (min)
Red
ox (m
V)
uscitacarico
kp = 0.0083884 Ti = 53.86
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
47
In Figura 33 è riportato l'andamento della variabile di controllo, utilizzato per determinare
il valore massimo della variabile di controllo (umax
) e quindi impostarlo nel modulo PWM.
Dal grafico si ricava che il valore massimo è pari a 1.457 mV.
Figura 33 - Grafico della variabile di controllo.
Nello schema di Figura 30, è stato introdotto il modulo PWM e il gain scheduling del PID
per rendere stabile la sua uscita, introducendo una saturazione dell'azione integrale
quando il sistema è senza carico in ingresso.
In Figura 34 è riportata la risposta del sistema imponendo il set-point pari a zero, che
corrisponde a considerare il valore attuale del Redox come valore da mantenere anche
dopo l'ingresso del carico.
0 200 400 600 800 1000 1200 14000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
t (min)
variabile di controllo
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
48
Figura 34 - Grafico della risposta del sistema.
In Figura 35 è riportato l'andamento della variabile di controllo (uscita del PID) e l’uscita
ON/OFF del modulo PWM. Dal grafico si ricava che la durata di funzionamento del
secondo compressore è pari a 300 minuti a fronte della durata di 500 minuti del carico.
Figura 35- Grafico della variabile di controllo e dell'uscita del PWM.
0 200 400 600 800 1000 1200
-50
0
50
100
150
t (min)
Red
ox (m
V)
uscitacarico
kp = 0.0083884 Ti = 53.86
0 200 400 600 800 1000 1200-4
-3
-2
-1
0
1
2
t (min)
variabile di controllouscita PWM
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
49
L’ossidazione biologica dell’impianto di depurazione del caseificio Montirone prevede
attualmente il funzionamento di due compressori d’aria di cui uno sempre acceso ed il
secondo comandato a relè su due soglie Redox con avvio a 50mV e arresto a 100mV.
Con carico orario medio di 16 kg/h COD per 8,5 h/g il secondo compressore funziona 7
h/g in automatico con avvio quando il valore del potenziale Redox scende a 50mV e
arresto a 100 mV.
Il controllo di processo studiato nella presente tesi ha permesso di elaborare i parametri
del guadagno e della costante di tempo delle funzioni di trasferimento al variare del
carico utilizzate per implementare in ambiente Matlab/Simulink il sistema di controllo in
retroazione.
Per avere un paragone tra l’attuale funzionamento con relè del secondo compressore e il
controllo PID, della simulazione in Matlab/Simulink, imponendo come carico in ingresso
16 kg/h COD per 500 minuti (8,33ore) il secondo compressore funziona 300 minuti (5 ore)
come risulta dai grafici e dati riportati, al posto delle 7h/g del funzionamento attuale a
relè con risparmio energetico del 6,5% , con miglioramento delle prestazioni del processo
e dell’utilizzo dei compressori.
Controllo di un processo di depurazione biologico a fanghi attivi
50
CAPITOLO 6
6 CONCLUSIONI
Nella presente tesi si è focalizzata l'attenzione sulla fase di ossidazione del fango attivo
per mezzo di aria compressa, poiché da essa dipende l’intero processo depurativo e
rappresenta il maggior consumo di energia elettrica in un impianto di depurazione
biologico come riportato in Appendice E.
Il sistema di controllo mediante controllore PID, studiato nella presente tesi, rappresenta
uno dei sistemi di controllo tra i più economici ed affidabili attualmente presenti nella
realtà industriale.
Nella presente tesi il controllo della fase ossidativa dell’impianto di depurazione biologica
mediante PID presenta i seguenti vantaggi tecnico-economici:
1) Ottimizza la fase ossidativa del processo biologico a fanghi attivi, regolando la
quantità di ossigeno necessario mediante il controllo del valore del potenziale
Redox rilevato dalla apposita sonda.
2) Effettua un controllo molto più affidabile del controllo on-off a relè
normalmente impiegato in alcuni impianti, che oltre alle modeste prestazioni
non è in grado di mantenere il parametro Redox all'interno di un intervallo
limitato .
3) Migliora l’utilizzo dei compressori riducendo l’usura dovuta agli avvii ed arresti,
poiché è stato impostato il tempo minimo tra arresto e successivo avvio
compatibile con le ottimali funzioni del processo.
4) Permette il risparmio energetico ed una migliore efficienza funzionale dei
macchinari preposti alla ossidazione biologica, come documentato in
Appendice E.
5) Rileva l’eventuale ingresso di reflui la cui alta concentrazione risulta tossica al
processo biologico, mediante il controllo della velocità di variazione del
potenziale Redox, in particolare per impianti non dotati di vasca di accumulo-
equalizzazione.