L’efficientamento energetico negli impianti di depurazione: il caso dell’impianto SMAT a servizio della Città Metropolitana Torinese

1. L’efficientamento energetico negli impianti di depurazione:
il caso dell’impianto SMAT a servizio della città Metropolitana Torinese
Luca De Giorgio
Direttore Operativo
SMAT SpA
Martedì 18 aprile 2023 | SMAT, Torino

2. Martedì 18 aprile 2023, Torino
LA REALTA’ SMAT (dati al 31.12.2021)
Depuratori (a.e.) Numero a.e. serviti (2020)
< 10.000 373
2,74 milioni
10.000 ÷ 15.000 4
15.000 ÷ 150.000 15
150.000 ÷ 2.000.000 1
Oltre 2.000.000 1
TOTALE 394 -
• Comuni serviti: 290 (2021)
• Territorio servito: 6.317 km2
• Abitanti serviti: 2,2 milioni
• Utenze servite: 412.043
• Rete di acquedotto: 12.842km
• Acqua erogata: 171 milioni m3
• Fonti approvvigionamento: 1.820
• Impianti di potabilizzazione: 94
• Forza lavoro: 989 dipendenti
• Totale ricavi: 439 milioni €
• EBIT: 47 milioni €
• Rete fognaria: 10.115 km
• Ab. Equivalenti: 2,74 milioni a.e.
• Volumi depurati: 316 milioni m3
• Energia autoprodotta: 9.984 MWh
SMAT è il Gestore unico del Servizio Idrico Integrato per i comuni della Città Metropolitana di Torino
(99,63% della popolazione residente servita – ATO 3 Torinese)
Società per Azioni a partecipazione totalmente pubblica con affidamento in house

3. Martedì 18 aprile 2023, Torino
I COLLETTORI INTERCOMUNALI DI ADDUZIONE ALL’IMPIANTO
1984 1991
• A sud e a nord di Torino una rete ramificata di collettori raccoglie le acque delle
fognature comunali.
• Un grande collettore, lungo più di 15 km, raccoglie gli scarichi a monte di Torino e
li convoglia in Piazza Sofia. Tale collettore, che attraversa il ventre cittadino
parallelamente al corso del fiume Po in sponda sinistra, è costituito da un
manufatto in c.a. dalle dimensioni interne di 2,6 m di larghezza e 2,8 m di altezza;
capace di inghiottire un autobus è in grado si convogliare oltre 5.000 l/s di
liquame.
• La rete consortile, da Piazza Sofia a Settimo, è costituita da tre collettori affiancati
dalle dimensioni di 2,5 m di larghezza per 2 di altezza ciascuno.
Rete collettori principali 250 km

4. Martedì 18 aprile 2023, Torino
LA NUOVA IDROPOLITANA
LUNGHEZZA del COLLETTORE:
14.400 m
POZZI E CAMERE IN NUMERI
• n. 4 pozzi di servizio per la TBM
• n. 2 pozzi per microtunneling
• n. 9 camere di raccordo con le fognature esistenti
• n. 6 pozzi di caduta
• n. 9 pozzi di ispezione
• n. 18 pozzi di servizio
• n. 5 camere per intubamento
• n. 2 pozzi per relining
• n. 2 camere di spinta per microtunnel

5. Martedì 18 aprile 2023, Torino
L’IMPIANTO DI DEPURAZIONE A SERVIZIO DELLA CITTA’ METROPOLITANA
• Comuni serviti 41
• Potenzialità massima 3.200.000 a.e.
• Abitanti equivalenti serviti 2.000.000 circa
• Abitanti serviti oltre 1.400.000
• Portata trattata 200.000.000 m3/anno
• Portata media oraria 22.000 m3/h
• Lavoratori impiegati 82
• Acqua riutilizzata 3.500.000 m3/anno
• Biometano prodotto 6.500.000 Smc/anno
• Sabbie recuperate 3.000 ton/anno

6. Martedì 18 aprile 2023, Torino
L’IMPIANTO DI DEPURAZIONE A SERVIZIO DELLA CITTA’ METROPOLITANA

7. Martedì 18 aprile 2023, Torino
I CONSUMI ENERGETICI NEGLI ANNI
SOMMARIO ARGOMENTI
1. Sezione di deammonificazione (2019) 4. Sostituzione del sistema di diffusione dell’aria (2022 – in corso)
2. Sostituzione dei turbocompressori (2020) 5. Upgrading del biogas a biometano (2021)
3. Implementazione dell’aerazione intermittente (2021) 6. Riepilogo dei risultati conseguiti, interventi in corso e interventi futuri
45,000,000
50,000,000
55,000,000
60,000,000
65,000,000
media '11 - '13 media '14 - '16 media '17 - '19 media '20 - '22
[media kWh/anno per triennio]
Ottimizzazione di processo linea acque
Ottimizzazione di processo linea fanghi
Nuova modalità disidratazione fanghi
Sezione di deammonificazione
Sostituzione turbocompressori
Implementazione aerazione intermittente

8. Martedì 18 aprile 2023, Torino
1. LA SEZIONE DI DEAMMONIFICAZIONE
• La sezione di deammonificazione è basata su una innovativa tecnologia per la rimozione efficace ed efficiente dell’azoto dalle acque di risulta della linea fanghi (flusso ricco di azoto,
derivante dalla disidratazione dei fanghi di depurazione a valle della digestione anaerobica);
• il processo adottato si basa su particolari ceppi batterici, detti Anammox, in grado di rimuovere l’azoto con ottime performance e un consumo energetico notevolmente inferiore
rispetto alle tecnologie tradizionali;
• la sezione di demmonificazione dell’impianto di Castiglione T.se rappresenta, ad oggi, la più grande applicazione in Europa della tecnologia Anammox nel campo delle acque reflue
urbane.
Rispetto al processo tradizionale:
• 95% risparmio di sostanze organiche
• 60% risparmio di energia
• 80% riduzione di fanghi
Azoto totale rimosso: 1.150 kg/d
(consente all’impianto di raggiungere un abbattimento complessivo pari a circa l’80% dell’azoto totale in ingresso)
Investimento: 3.000.000 Euro circa
Parametro U. m. TRADIZIONALE DEAMMONIFICAZIONE ∆
Azoto totale rimosso [kg N/y] 420.480 420.480 -
Consumo specifico di energia [kWh/kg N] 4,0 1,67 -2,3
Consumo complessivo di energia elettrica [kWh/y] 1.681.920 702.202 -979.718
Descrizione attività
Anno 2016 Anno 2017 Anno 2018
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7
Ideazione e progettazione preliminare
Gara d'appalto a procedura aperta e aggiudicazione
Progettazione definitiva
Progettazione esecutiva
Esecuzione lavori

9. Martedì 18 aprile 2023, Torino
2. LA SOSTITUZIONE DEI TURBOCOMPRESSORI
L’intervento ha compreso le seguenti attività:
• sostituzione di n. 9 turbocompressori a servizio del comparto di ossidazione;
• sostituzione dei quadri di comando e controllo dei turbocompressori;
• sostituzione delle valvole di regolazione della portata alle singole vasche di ogni modulo;
• tempo di ritorno stimato in fase di progetto: 6,2 anni.
• I turbocompressori hanno la funzione di soddisfare il fabbisogno di aria necessaria alla sezione di trattamento biologico delle acque reflue.
• Il consumo energetico del comparto di aerazione costituisce tipicamente il 50% circa dei consumi elettrici di un impianto di depurazione.
Descrizione attività
Anno 2017 Anno 2018 Anno 2019
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Ideazione e progettazione
Gara d'appalto a procedura aperta e aggiudicazione
Criticità amministrative legate alll'aggiudicazione
Esecuzione lavori
Investimento: 2.800.000 Euro circa
Risparmio energetico: 2.950 MWh/y

10. Martedì 18 aprile 2023, Torino
3. IMPLEMENTAZIONE DELL’AERAZIONE INTERMITTENTE
Obiettivi dell’intervento
• migliorare l’abbattimento delle forme azotate
• raggiungere l’abbattimento del 78% come TN per obiettivi regionali
• risparmio energetico
• preservare l’impiantistica meccanica ed elettrica, evitare troppi interventi degli interruttori di media tensione.
Soluzione
Realizzazione di un sistema di regolazione «ad hoc» sulla base delle specifiche definite da SMAT  installazione del
controllore di processo in grado di mantenere aerate sempre almeno 2 vasche lasciando in marcia il
turbocompressore in priorità 1  no effetto «attacca – stacca». Distribuzione ottimale delle portate d’aria alle vasche
 controllo portata d’aria ai diffusori regolando le aperture minime delle valvole a fuso.
Sfide legate ad un impianto complesso
• 4 moduli, ognuno con 6 vasche indipendenti
• 2+R compressori per ciascun modulo e valvole di regolazione dell’aria nelle 6 vasche del modulo
• presenza di sonde di ammoniaca e nitrati in ogni vasca
• compressori alimentati in media tensione (6000 V)
Descrizione attività
Anno 2019 Anno 2020 Anno 2021
9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4
Ideazione e progettazione
Installazione
Marcia controllata

11. Martedì 18 aprile 2023, Torino
3. IMPLEMENTAZIONE DELL’AERAZIONE INTERMITTENTE
7.8
6.2
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
TN out impianto
• L’intervento effettuato a seguito della sostituzione dei turbocompressori ha riguardato l’introduzione di una logica di controllo e regolazione dell’aerazione delle vasche di
ossidazione biologica
• La logica di controllo si basa sull’alternanza di fasi di aerazione e di spegnimento dei compressori con il fine di garantire la successione di condizioni ossidative (nitrificazione ) e
anossiche (denitrificazione);
• Il sistema, agendo e regolando la durata delle due fasi, garantisce l’erogazione del giusto quantitativo di aria con il duplice beneficio di minimizzare i consumi energetici e
massimizzare la performance depurativa;
• Investimento: 370.000 Euro circa
• Tempi di realizzazione: 8 mesi
• Risparmio energetico: 1.700 MWh/y circa
Aerazione
continua
Aerazione
Intermittente
Attivazione AE

12. Martedì 18 aprile 2023, Torino
CONSUMI ENERGETICI ED EFFICIENZA DI RIMOZIONE DELL’AZOTO NEL TEMPO
Obiettivo PTA per l’impianto di depurazione di Castiglione T.se: 78% abbattimento di N
Obiettivo futuro
Ulteriore ottimizzazione del reparto di trattamento biologico delle acque reflue mediante:
• Migliore controllo dell’aerazione integrando la tecnologia installata con i nuovi diffusori dell’aria e riducendo le perdite
• Utilizzo di sistemi di monitoraggio dello ione ammonio in vasca con nuove sonde di processo
media '11 - '13 media '14 - '16 media '17 - '19 media '20 - '22
kWh/anno 63,986,364 58,406,274 57,146,086 53,349,089
% abbattimento Ntot 73.93% 73.21% 76.35% 82.55%
68.00%
70.00%
72.00%
74.00%
76.00%
78.00%
80.00%
82.00%
84.00%
45,000,000
50,000,000
55,000,000
60,000,000
65,000,000
kWh/anno
% abbattimento Ntot

13. Martedì 18 aprile 2023, Torino
4. SOSTITUZIONE DEL SISTEMA DI DIFFUSIONE DELL’ARIA
Investimento: 4.900.000 Euro circa
Incremento stimato dell’efficienza di
trasferimento dell’ossigeno: +30%
Riduzione stimata dei consumi energetici: 5.300
MWh/y
Il progetto prevede:
• sostituzione completa della rete di diffusione
dell’aria nelle 24 vasche di ossidazione del
comparto biologico (33.374 diffusori);
• sostituzione di tutti gli elettromiscelatori del 4°
modulo;
• sostituzione delle attuali sonde per la misura
dell’ammonio con analizzatori per il monitoraggio
del parametro ammonio ed ortofosfato.

14. Martedì 18 aprile 2023, Torino
9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7
Ideazione e progettazione definitiva
Autorizzazioni Enti
Gara d'appalto a procedura aperta e aggiudicazione
Progettazione esecutiva
Esecuzione lavori
Descrizione attività
Anno 2018 Anno 2019 Anno 2020
• Tradizionalmente il biogas prodotto dal comparto di digestione anaerobica veniva utilizzato in motori a combustione interna per la cogenerazione di energia elettrica e termica da
fonte rinnovabile;
• La recente innovazione della normativa italiana di settore (DM 2 marzo 2018) ha aperto, e fortemente incentivato, una nuova possibilità di utilizzo del biogas: la biometanazione,
ovvero il processo attraverso il quale la CO2 e gli altri composti indesiderati (H2O, H2S, silossani, composti alogenati, etc.) vengono rimossi dal biogas al fine di produrre una miscela
gassosa con un tenore di metano assimilabile a quello del gas naturale (tipicamente >95%), che possa essere immessa nella rete di distribuzione.
• In particolare il legislatore italiano ha previsto che il biometano immesso in rete sia destinato all’uso nel settore degli autotrasporti, che potrà giovare di una fonte energetica
rinnovabile.
Caratteristiche e rese economiche dell’impianto:
• installazione di 2 linee parallele di uguale capacità;
• capacità di trattamento impianto: 1.800 Nm3/h di biogas
• produzione annua prevista: 6.500.000 Sm3 di biometano;
• Rese economiche (2022): circa 5.500.00 €
5. DALLA COGENERAZIONE ALL’UPGRADING DEL BIOGAS A BIOMETANO
Il biometano prodotto annualmente dall’impianto (circa 6,5 milioni di m3, equivalenti a circa 65.000 MWh) viene
immesso nella rete SNAM e garantisce un risparmio netto di emissioni in atmosfera di CO2 pari a oltre 15.000 tonn/y.
Investimento: 4.400.000 Euro circa

15. Martedì 18 aprile 2023, Torino
CATERPILLAR 16 CILINDRI
• η = 32%
• 4 MW installati
• Produzione: 24 GWh/y
JENBACHER 2 TEMPI
• η = 25%
• 4 MW installati
• Produzione: 8 GWh/y
JENBACHER 4 TEMPI
• η = 41%
• 5,4 MW installati
• Produzione: 30 GWh/y
1984 1993 2009 2021
BIOMETANO
• 99,5% metano
• Immissione in rete SNAM
• Produzione: 6.500.000 Sm3/y
5. DALLA COGENERAZIONE ALL’UPGRADING DEL BIOGAS A BIOMETANO

16. Martedì 18 aprile 2023, Torino
6. RIEPILOGO DEI RISULTATI CONSEGUITI
Intervento Risparmio energetico e risultato ambientale conseguito
Sezione di deammonificazione
Risparmio di 980 MWh/y di energia elettrica
Miglioramento delle performance depurative
Sostituzione turbocompressori Risparmio di 2.950 MWh/y di energia elettrica
Implementazione aerazione intermittente
Risparmio di 1.730 MWh/y di energia elettrica
Miglioramento delle performance depurative
Dalla cogenerazione all’
upgrading del biogas a biometano
Immissione in rete di 6.500.000 Sm3
di biometano prodotto
da fonte rinnovabile
Risparmio di oltre 15.000 ton. di CO2eq/y

17. Martedì 18 aprile 2023, Torino
6. INTERVENTI IN CORSO ED INTERVENTI FUTURI
Intervento Descrizione Vantaggio atteso Beneficio ambientale atteso
Sostituzione diffusori
(in corso)
Sostituzione del sistema di diffusione
dell'aria nelle vasche di ossidazione
biologica per il miglioramento
dell'efficienza di trasferimento
dell'ossigeno e delle performance
energetiche
Risparmio energetico conseguito per
effetto della maggiore efficienza di
trasferimento dell'ossigeno
Minor consumo energetico e
miglioramento delle performance
depurative
Terzo essiccatore termico
di fanghi
Costruzione del terzo impianto di
essiccamento termico dei fanghi per la
riduzione dei quantitativi destinati al
recupero presso piattaforme di terzi
Riduzione dei costi di invio a
recupero dei fanghi e degli annessi
costi operativi e gestionali
Riduzione degli impatti ambientali
legati al trasporto dei fanghi ed alla
loro successiva lavorazione
Ossidatore termico dei
fanghi e recupero
energetico
Costruzione di un impianto per la
valorizzazione energetica ed il recupero
di materia dai fanghi di depurazione, con
conseguenti vantaggi strategici legati
all'autonomia gestionale
Riduzione dei costi di invio a
recupero dei fanghi e degli annessi
costi operativi e gestionali
Recupero di energia elettrica e
termica e potenziale recupero di
materia (futuro).
Riduzione degli impatti ambientali
legati al trasporto dei fanghi ed alla
loro successiva lavorazione
Contatti:
Ing. Luca De Giorgio – Direttore Operativo SMAT S.p.A.
Mail: luca.degiorgio@smatorino.it
Ringraziamenti:
Ing. Daniel Novarino – Responsabile Impianto Castiglione T.se
Ing. Gerardo Scibilia – Centro Ricerche SMAT