SIMULAZIONE TRAMITE SOFTWARE: UN APPROCCIO PER UNA MAGGIORE ACCURATEZZA

A partire dagli anni 80’ il crescente interesse per la salvaguardia degli ecosistemi acquatici, e quindi per le biotecnologie applicate alla depurazione delle acque, condussero allo sviluppo di formulazioni matematiche in grado di descrivere efficacemente i processi aventi luogo negli impianti di depurazione. Tali equazioni e i loro successivi sviluppi furono raggruppate in “modelli a fanghi attivi” (ASMs-Activated Sludge Models) che, come suggerito dal nome, risultano in grado di fornire un’esaustiva descrizione dei processi associati alle biomasse. Tuttavia, nonostante gli ASM permettessero di simulare precisamente gli schemi impiantistici, l’indisponibilità di strumenti di calcolo adeguati (quali i moderni PC)  alla risoluzione di corposi sistemi di equazioni differenziali nonché la mancanza di interfacce grafiche user friendly relegarono l’applicazione degli ASM al mero ambito della ricerca fino a tempi recenti. Dai primi ASM, tramite la scrittura di bilanci di massa a stato stazionario e apportando le dovute semplificazioni, si ottennero le formulazioni ancora oggi riportate nei manuali di ingegneria sanitaria e ambientale, che per lungo tempo costituirono l’unica metodologia di calcolo disponibile (nonostante gli elementi di aleatorietà già menzionati).

L’odierna tecnologia, unitamente al continuo sviluppo degli ASM, permettono oggi la riproduzione di qualsiasi schema impiantistico a fanghi attivi e la relativa simulazione dei processi senza operare semplificazioni di sorta nel bilancio di massa dell’impianto stesso.

Funzionamento in concreto della simulazione/modellazione di un impianto tramite software

A titolo esemplificativo si ripota in Figura 2 una configurazione di particolare complessità riprodotta tramite software.

Figura 2: esempio di configurazione impiantistica complessa riprodotta tramite software di modellazione

Si prenda ad esempio in considerazione il reattore biologico denominato “Ox 1.1” di cui si riporta ingrandimento in  Figura 3.

Figura 3: zoom dell’elemento “Ox 1.1” e flussi afferenti

Il reattore biologico “Ox 1.1” risulta simulato come un elemento CSTR (Completely Stirred Tank Reactor) ovvero come un volume completamente miscelato che non presenta gradienti di concentrazione in nessuna direzione, e che quindi presenta al proprio interno le stesse concentrazioni riscontrabili nel flusso uscente.

Per ogni variabile di stato il software risulta in grado di scrivere il classico bilancio di massa di un reattore biochimico ossia:

IN ± R – OUT = ?

Equazione 1: bilancio di massa generico per un reattore chimico/biochimico

Dove:

• IN: rappresenta il carico entrante;
• R: rappresenta il bilancio delle reazioni che interessano il composto in oggetto;
• OUT: rappresenta il carico uscente.

Se ad esempio si considera la variabile di stato rappresentante l’azoto ammoniacale (N-NH₄⁺), il software calcolerà il carico entrante come somma degli apporti dei flussi 1,2 e 3 e poi, a seconda della concentrazione di ossigeno settata in vasca, della concentrazione di TSS, dell’SRT (Solid Retention Time) e di molti altri fattori, provvede a calcolare i rate delle reazioni biochimiche associate all’azoto ammoniacale stesso, che nello specifico saranno:

• scomparsa di N-NH₄⁺ per ossidazione da parte di AOB;
• produzione di N-NH₄⁺ tramite ammonficazione dell’azoto organico;
• scomparsa dell’azoto ammoniacale utilizzato per la sintesi batterica.

Tale principio risulta essere alla base di qualsiasi calcolo inerente a reattori chimici e biochimici ma l’utilizzo del software presenta alcuni fondamentali vantaggi:

• è possibile riprodurre qualsiasi configurazione impiantistica, anche le più complesse, e il software sarà in grado di descrivere i processi tramite un sistema di equazioni differenziali specifico per lo schema che si vuole simulare. Ciò costituisce la principale differenza con i metodi di calcolo tradizionali che si avvalgono invece di formulazioni valide solo per determinate configurazioni;
• il software effettuerà il bilancio di massa per ogni variabile di stato (N-NH₄⁺, N-NO₃^–,N-NO₂^–, P-PO₄^3-, COD ecc…) e in ogni punto dello schema impiantistico specificato, calcolando automaticamente le concentrazioni in ogni punto ;
• se si esegue una simulazione a stato stazionario, coerentemente alla definizione matematica, il software applicherà un metodo di calcolo numerico atto a determinare i valori delle variabili di stato che annullano tutte le equazioni differenziali del sistema. In sostanza nel bilancio di massa (Equazione 1) precedentemente visto per l’ammoniaca, il valore di concentrazione dovrà essere tale per cui il risultato il bilancio stesso risulta nullo. Se le condizioni operative non lo permettono, il software non troverà una soluzione a stato stazionario!
• è possibile effettuare simulazioni dinamiche qualora le condizioni operative non siano stazionarie (ad esempio in un processo ad aerazione intermittente) oppure si voglia riprodurre una condizione transitoria. Un esempio pratico è la riduzione della portata di supero al fine di ottenere un incremento della concentrazione di TSS (Total Suspended Solids) nei reattori biologici. Il software sarà in grado di riprodurre tale dinamica fornendo il profilo delle concentrazioni allo scarico durante l’intera fase di accumulazione.