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IL PROGETTO BIOCLOC: ATTIVITÀ E RISULTATI
CONFERENZA FINALEPrato, 23 febbraio 2017
Iacopo Ducci – DICEA, Università di Firenze
Daniele Daddi – GIDA Spa
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CAMPI DI APPLICAZIONE DEL TITRIMETRO DIFFERENZIALE
Stima in continuo e in tempo reale del rateo di nitrificazione in un impiantodi depurazione a fanghi attivi
Determinazione del valore ottimale del set-point di ossigeno disciolto, econseguente controllo del sistema di aerazione delle vasche di ossidazione
Rilevazione in tempo reale dei possibili effetti tossici o inibenti da parte direflui influenti all'impianto
L’ITER DEL PROGETTO
3
Controllo dell’aerazione in
funzione della concentrazione di DO
in vasca
Controllo dell’aerazione in
funzione del rateo di nitrificazione in
vasca
Funzionamento del titrimetro differenziale
Ottimizzazione dello strumento
Validazione dei risultati
Calcolo del set-point di DO ottimale
4
FASI DEL PROGETTO
1. Installazione, avviamento e ottimizzazione del prototipo.
2. Verifica dei risultati ottenuti:
Confronto del rateo di nitrificazione fornito dal titrimetro con quelloottenuto dal bilancio di massa dell’azoto ammoniacale;
Modellazione dell’impianto di Calice, per il confronto con il rateo dinitrificazione su scala reale.
3. Costruzione di un algoritmo di calcolo per la determinazione del valoreottimale di DO, in funzione dell’output del titrimetro.
4. Collegamento del prototipo al sistema di controllo dell'impianto di Calice,per l’ottimizzazione del processo di aerazione.
INSTALLAZIONE E AVVIAMENTO DEL PROTOTIPO
5
Refluo civile-industriale da fognatura 39 000 m3 d-1
Fosse settiche + Permeato 400 m3 d-1 Percolati
300 m3 d-1
Installazione del titrimetro
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OTTIMIZZAZIONE DEL PROTOTIPO
1. Grande variabilità del rateo
2. Mancanza di comportamento
“gemellare”
Basse temperature
Estensione dell’intervallo di calcolo del rateo
Necessità di taratura delle pompe
dosatriciDosaggi dei reagenti
Necessità di manutenzione delle
pompe
Problemi Cause Soluzioni
3. Arresto delle prove
Intasamento delle tubazioni di
adduzione e scarico del fango
Risistemazione e potenziamento del
sistema di adduzione e scarico
8
GLI EFFETTI DELL’OTTIMIZZAZIONE:STABILITA’
Aumento della durata dell’operatività fino a più di 7 giorni consecutivi;
Riduzione degli errori nella stima del rateo fino a valori inferiori al 5%;
Riduzione della frequenza dei problemi di intasamento.
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VERIFICA DEL RATEO DI NITRIFICAZIONE MEDIANTE BILANCIO DI MASSA DELL’AZOTO AMMONIACALE
• Nota la portata di fango in ingresso ai due reattori si può determinare il rateo di rimozione dell’azoto ammoniacale (differenziale)
CONFRONTO
Rateo da titrimetro
Rateo da bilancio di massa con l’utilizzo dei kit per l’analisi colorimetrica
Differenza inferiore al
5%
Efficienza di monitoraggio
dN/dt =0
dN/dt ≠0
20 mg L-1
20 mg L-1
Concentrazione di ammonio in ingresso
≈ 20 mg L-1
≈ 20 mg L-1 – ΔN-NH4+
Concentrazione di ammonio in uscita
ReattoreINIBITO
NON INIBITO
Acquisizione e analisi dei dati Funzionamento impianto e bilanci di massa
• Valori giornalieri (portate, concentrazioni degli inquinanti, solidi sospesi) relativiagli anni 2012-2013-2014
Monitoraggio intensivo Dinamiche processi e calibrazione modello
• Caratterizzazione del refluo nelle varie sezioni
• Test respirometrici, titrimetri e test batch per la stima delle cinetiche dellabiomassa eterotrofa ed autotrofa
MODELLISTICA APPLICATA ALL’IMPIANTO DI CALICE
ATTIVITÀ PRELIMINARI
MODELLISTICA APPLICATA ALL’IMPIANTO DI CALICE
Linea 1
Linea 2
Schematizzazione dell’IDL di Calice
Da ingresso Primario a uscita Secondario
Adozione del modello matematico ASM1_AN
• Doppio step di nitrificazione
• Doppio step di denitrificazione
NH4+
NO2- NO3
-
NO3-
NO2- N2
MODELLISTICA APPLICATA ALL’IMPIANTO DI CALICE
Taratura del modello
• Dati giornalieri (Ottobre 2013)
Validazione del modello
• Dati mensili (anni 2013-2014)
• Dati giornalieri (da Febbraio 2014 a Luglio 2015)
• Dati orari
13
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
ML
SS
T [
g L
-1]
d
MLSST_model MLSST_real
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
N-N
H4
+ [
mg
L-1
]
d
N-NH4_out_model N-NH4_out_real
RISULTATI DELLA MODELLISTICA
Il modello di simulazioneutilizzato ha dimostrato di poterdescrivere in maniera precisa edaffidabile il comportamento delprocesso di trattamento a fanghiattivi dell'impianto di Calice.
Il modello ha offerto lapossibilità di validare irisultati del prototipo,confrontando l’output deltitrimetro con il rateo dinitrificazione su scalad’impianto.
Il rateo massimo di nitrificazione, misurato in continuo, permette una calibrazione piùprecisa dei parametrici cinetici della biomassa nitrificante rispetto a quella eseguita coni convenzionali test cinetici batch
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PROCEDURA INNOVATIVA PER LA CALIBRAZIONE DEI PARAMETRI CINETICI DELLA BIOMASSA NITRIFICANTE
Parametri Valori Unità di misura Metodo di Calibrazione
SET A
bA 0.13 d-1
Batch testsµMAX 0.44 d-1
KN-NH3 0.0125 mg N-NH3 L-1
SET B
bA 0.2 d-1Maximum Nitrification
Rate (Titrimeter Output)µMAX 0.34 d-1
KN-NH3 0.009 mg N-NH3 L-1 Experimental WWTP data
0
5
10
15
20
25
320 370 420 470 520
Max
imu
m N
itri
fica
tio
nR
ate
(m
g N
-NH
4+
h-1
)
Time (d)
Experimental Maximum Nitrification Rate
Modeled Maximum Nitrification Rate (SET A)
Modeled Maximum Nitrification Rate (SET B)
15
0
5
10
15
20
25
320 370 420 470 520
Max
imu
m N
itri
fica
tio
nR
ate
(m
g N
-NH
4+
h-1
)
Time (d)
Experimental Maximum Nitrification Rate
Modeled Maximum Nitrification Rate (SET A)
Modeled Maximum Nitrification Rate (SET B)
0
0,4
0,8
1,2
1,6
2
45 95 145 195 245 295
N-N
H4
+[m
g L-1
]
Time (d)
Experimental N-NH4_out
Modeled N-NH4_out (SET A)
Modeled N-NH4_out (SET B)
µmax,AOB
bA
Calibrazione
di KN-NH3
Validazione del
modello con il SET B
ParametersMean
Square Error
SET A 0.07
SET B 0.04
Nutrient Removal and Recovery 2016
Denver – Colorado, Luglio 2016
“Differential titrimeter for nitrification process control
and energetic optimization of aeration systems”
PROCEDURA INNOVATIVA PER LA CALIBRAZIONE DEI PARAMETRI CINETICI DELLA BIOMASSA NITRIFICANTE
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IL TITRIMETRO PRESSO L’IMPIANTO DI CALICE
PER LA VERIFICA DELL’ ACCETTABILITÀ DEI “REFLUI SOSPETTI”
Reflui su gomma
Impianto di
Calice
Fognatura
Fosse settiche
Titrimetro
Verifica dell’effetto inibente sulla
biomassa nitrificante
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Rateo OBIETTIVO
1
3
24
1000)(
hd
Lm
Volume
VolumeQNN
dt
dN
impianto
titrimetroinin
OBIETTIVO
Uguagliando il rateo obiettivo al rateo di vasca si ottiene il valore di DO che si dovrebbe mantenere:
1
3
, 24
1000)(
hd
Lm
Volume
VolumeQNN
KN
N
KDO
DO
dt
dN
impianto
titrimetroinin
Novasca
vasca
MASSIMOTITRIMETRO
IL TITRIMETRO COME SONDA DEL PROCESSO DI AERAZIONE
Scopo:
Stimare, in funzione dei carichi in ingresso, il valore di Ossigeno Disciolto che GIDA deve mantenere in vasca per soddisfare i limiti allo scarico
19
inin
Novasca
vasca
MASSIMOTITRIMETRO
QNNKN
N
KDO
DO
dt
dN
)(
,
IL TITRIMETRO COME SONDA DEL PROCESSO DI AERAZIONE
Output del titrimetro: Rateo massimo di nitrificazione stimato
Costante di semisaturazionedell’ossigeno e costante di semisaturazionedell’ammonio, misurati sperimentalmente
Concentrazione di azoto ammoniacale in uscita, imposta per il rispetto dei limiti
Portata di refluo in ingresso, misurata
Concentrazione di azoto ammoniacale in ingresso, misurata
Incognita dell’equazione:Concentrazione di ossigeno disciolto ottimale
Se…
OBIETTIVOVASCA dt
dN
dt
dN
Aumento graduale delset-point di DO
OBIETTIVOVASCA dt
dN
dt
dN
Riduzione graduale del set-point di DO
20
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
DO
[m
g/l]
Tempo [min]
DO sonde DO 1 m DO 3 m DO 5 m
DomenicaSabatoVenerdìGiovedì Lunedì Martedì
Compressori dell’aria al massimo; Forte variabilità dei carichi in ingresso; Fortevariabilità dell’Ossigeno Disciolto in vasca
Ottimizzazione della relazione tra DO in vasca e DO fornito dal titrimetro
Fase di «work in progress»...
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IL TITRIMETRO COME SONDA DI PROCESSO:È stata messa a punto:
• la comunicazione tra l'output del titrimetro e il sistema di telecontrollo del gestore
• l’ottimizzazione della variazionedel set-point di DO, rispetto al passo di concentrazione tra un set-point e il successivo e alla frequenza con cui variare il set-point.
22
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
0 20 40 60 80 100 120
Oss
igen
o D
isci
olt
o (
mg
/L)
Tempo (Ore)
DO in vasca
Mercoledì Giovedì Venerdì Sabato Domenica
Con il nuovo controllo...
DO Set point
con titrimetro
Carichi alti Incapacità di mantenere il valore di set-point; compressori al max
Carichi medi Modulazione della portata d’aria e mantenimento del set-point
Carichi bassi Incapacità di mantenere il valore di set-point; compressori al min
DO Set point
senza titrimetro
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TEST PER LA VALUTAZIONE DELL’INIBIZIONE:
Ulteriore utilizzo dello strumento: possibilità di rilevare in tempo reale gli effetti dicomposti tossici o inibenti eventualmente influenti all'impianto.
Enorme vantaggio per un impianto come quello di Calice che, oltre a scarichidomestici, tratta effluenti industriali e rifiuti liquidi.
È stata indagata con il prototipo la possibile presenza di un effetto inibente delprocesso di nitrificazione da parte di alcuni percolati comunemente trattatidall’impianto.
• Test su percolati “sospetti”• Test sul permeato della sezione MBR
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TEST PER LA VALUTAZIONE DELL’INIBIZIONE:
Fase 1: Parallelismo
Fase 2: Inibizione in un reattore
Fase 3: Dosaggio di percolato
Inibizione = 27 %
25
y = 0,2575x + 21,848R² = 0,9952
y = 0,5024x - 0,8338R² = 0,9989
y = 0,4119x + 37,204R² = 0,9984
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
NaO
H[m
l]
Time [min]
Percolato
y = 0,0337x + 28,368R² = 0,9578y = 0,2565x + 4,3193
R² = 0,9954
y = 0,2853x - 13,162R² = 0,9938
0
50
100
150
200
250
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Na(
OH
) [m
l]
Tempo [min]
Permeato MBR
Inibizione = 38%
Inibizione = Assente
TEST PER LA VALUTAZIONE DELL’INIBIZIONE:
ATU
ATU
Tempo di risposta immediato (1 ora) per la rilevazione di fenomeni
di inibizione
Ciò consente agli operatori di adottare tempestivamente delle
contromisure
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I risultati della sperimentazione hanno dimostrato che il titrimetrodifferenziale è uno strumento adatto a misurare in continuo e in temporeale il rateo di nitrificazione in un grande impianto di depurazione che trattasia le acque reflue provenienti dalla fognatura (domestiche e industriali) che irifiuti liquidi conferiti su gomma.
L’utilizzo della modellistica ha confermato la bontà dei risultati ottenuti con ilprototipo.
Il rateo massimo di nitrificazione, misurato in continuo, ha permesso dicalibrare con maggior precisione i parametrici cinetici della biomassanitrificante rispetto all’utilizzo dei convenzionali test sperimentali in batch.
Un’ulteriore applicazione dello strumento è legata alla possibilità di rilevarein tempo reale gli effetti di composti tossici o inibenti eventualmenteinfluenti all'impianto
Per concludere...
OTTIMIZZAZIONE DELLA GESTIONE DEL SISTEMA DI AERAZIONE
28
Attività svolte nell’ambito del progetto BIOCLOC:
• Installazione, avviamento e ottimizzazione del prototipo;• Validazione dei risultati ottenuti tramite bilanci di massa dell’azoto
ammoniacale e modellazione dell’impianto di Calice;• Definizione ed implementazione di un nuovo sistema di controllo del
processo di aerazione.
I risultati ottenuti hanno permesso di giungere alla seguente gestione operativa:
SITUAZIONE INIZIALE:Set-point di DO
2.0-2.5 mg/L
SITUAZIONE ATTUALE:Set-point di DO
1.0-1.5 mg/L
RIDUZIONE DEI CONSUMI ENERGETICI RELATIVI AL COMPARTO DI AERAZIONE
Riduzione stimata superiore al 15%
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La depurazione come tutte le attività ha i propri COSTI FISSI e COSTI VARIABILI, ha leproprie “materie prime” e il proprio “ciclo produttivo”.
I costi fissi sono per definizione indipendenti dalla caratteristiche quali-quantitativedella materia prima e sono rappresentati, ad esempio, dai costi di personale.
I costi variabili sono invece dipendenti sia dal ciclo produttivo che dalla materia prima e,nell’attività depurativa l’elemento “variabile” più rilevante è senza dubbiorappresentato dall’energia elettrica, necessaria per lo svolgimento di tutti i trattamenti,a partire dai sollevamenti iniziali, per finire ai trattamenti di affinamento.
Gli impianti di depurazione di GIDA vengono costantemente monitorati, dal punto divista energetico e, per prassi aziendale si procede ad una reportistica con cadenzamensile.
In particolare, a seconda delle caratteristiche singolari dei trattamenti effettuati inciascun impianto, vengono monitorate sezioni specifiche.
Monitoraggio energetico
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Per quanto riguarda l’impianto di Calice, le aree oggetto di controllo sono:
• Linea Esistente (o «linea vecchia»): sollevamenti iniziali, dissabbiatura,sedimentazione primaria, equalizzazione.
• Disidratazione fanghi: ispessimento e centrifuga
• Linea nuova: sollevamento intermedio, denitrificazione, ossidazione biologica,sedimentazione secondaria, chiariflocculazione.
• Impianto di affinamento: trattamento di ozonizzazione.
• Fangodotto.
• Impianto Trattamento REF: linea trattamento fosse settiche e linea trattamentopercolati.
Per alcuni di questi settori è possibile avere informazioni sui consumi delle singolesezioni, mentre altre aree vengono monitorate nella loro interezza, senza quindiavere specifiche rilevazioni.
Monitoraggio energetico
31
Nel mese di Maggio 2014, nell’ottica di consentire unmonitoraggio specifico, sono stati installati misuratori dienergia elettrica in grado di monitorare tutte le macchinepresenti nel comparto biologico, ossia:
• I 3 compressori per l’aerazione delle vasche diossidazione (HV Turbo);• Le 12 pompe di ricircolo della miscela aerata presentinelle vasche di ossidazione (AR);• Le 5 coclee di ricircolo (nr.2 di ricircolo fanghi dallasedimentazione secondaria e nr.3 di ricircolo della miscelaareata).
Monitoraggio energetico
Quadro elettrico di Controllo
Multimetro PowerLogic PM3200 (Schneider).
Per ogni utenza è stato previsto un multimetro PowerLogicPM3200 (Schneider).
L’unità di controllo registra il voltaggio (V), l’amperaggio (A), lapotenza (kW) e l’energia consumata (KWh).Il PLC master (Schneider M340) è interrogato da un pannellooperatore 5.7” touch screen (Schneider HMIGTO) che storicizzale variabili relative ai consumi di ogni singola utenza
32To
uch
scre
en
-SE
TUP
DA
TI
Elenco sistemi monitorati
Numero massimo
Registrazioni
Frequenza di registrazione
Impostata a 300 sec
Monitoraggio energetico Il sistema di misurazione E.E.
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Monitoraggio energetico Report di Monitoraggio
Maggio 2015
Portata liquame trattato m3 1.165.068
E.E. - Linea Nuova kWh 379.344
E.E. - Impianto Affinamento kWh 225.000
E.E. - Linea Vecchia kWh 221.911
E.E.- Fangodotto kWh 1.681
E.E.- ITL kWh 87.184
Energia Elettrica Totale kWh 915.120
E. E. - HV Turbo; 170.998 kWh
E. E. - AR; 104.153 kWh
Maggio 2015 - Distribuzione energetica Comparto biologico
E.E. - Linea Nuova41,5%
E.E.- Impianto Affinamento
24,6%
E.E. - Linea Vecchia24,2%
E.E.- Fangodotto0,2%
E.E.- ITL 9,5%
Maggio 2015 - Distribuzione energeticaTrattamento Completo
E. E. - Biologico74,1%
E. E. - Coclee ric.5,6%
E. E. - Residua LN20,3%
Maggio 2015 - Distribuzione energetica Linea nuova
35
Monitoraggio energetico Report di Monitoraggio
Ottobre 2015
Portata liquame trattato m3 1.168.586
E.E. - Linea Nuova kWh 332.813
E.E. - Impianto Affinamento kWh 251.248
E.E. - Linea Vecchia kWh 211.900
E.E.- Fangodotto kWh 558
E.E.- ITL kWh 121.120
Energia Elettrica Totale kWh 917.640
E. E. - HV Turbo; 146.211 kWh
E. E. - AR; 102.862 kWh
Ottobre 2015 - Distribuzione energetica Comparto biologico
E.E. - Linea Nuova36,3%
E.E.- Impianto Affinamento
27,4%
E.E. - Linea Vecchia23,1%
E.E.- Fangodotto0,1%
E.E.- ITL 13,2%
Ottobre 2015 - Distribuzione energetica Trattamento Completo
E. E. - Biologico76,3%
E. E. - Coclee ric.5,9%
E. E. - Residua LN17,8%
Ottobre 2015 - Distribuzione energetica Linea nuova
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Monitoraggio energetico Report di Monitoraggio
Maggio 2016
Portata liquame trattato m3 1.226.667
E.E. - Linea Nuova kWh 374.852
E.E. - Impianto Affinamento kWh 210.098
E.E. - Linea Vecchia kWh 258.847
E.E.- Fangodotto kWh 1.084
E.E.- ITL kWh 108.038
Energia Elettrica Totale kWh 952.920
E. E. - HV Turbo; 181.582 kWh
E. E. - AR; 101.146 kWh
Maggio 2016 - Distribuzione energetica Comparto biologico
E.E. - Linea Nuova38,6%
E.E.- Impianto Affinamento
21,7%
E.E. - Linea Vecchia27,3%
E.E.- Fangodotto0,2%
E.E.- ITL 12,2%
Maggio 2016 - Distribuzione energetica Trattamento Completo
E. E. - Biologico76,8%
E. E. - Coclee ric.5,4%
E. E. - Residua LN17,8%
Maggio 2016 - Distribuzione energetica Linea nuova
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APPLICAZIONE DEL TITRIMETRO PER IL CONTROLLO DELL’ AERAZIONE
A partire da giugno 2016 è stata messa a punto la comunicazione tra l'output deltitrimetro (Set-point di DO ottimale) e il sistema di telecontrollo del gestore.
La prima fase di applicazione del nuovo sistema di controllo è stata chiaramenteun «work in progress».
Al fine di ottimizzare il funzionamento del sistema di gestione del processo diaerazione sono stati indagati diversi scenari operativi ed ambientali:
Variabilità dei carichi, tempo asciutto e tempo di pioggia, temperatureesterne e dei liquami, diversi limiti allo scarico, diversa gestione dellesoffianti, etc.
Dopo una prima fase di "assestamento", con la messa a regime dello strumento(dicembre 2016 – gennaio 2017) è stata valutata la riduzione dei consumienergetici relativi al comparto di aerazione.
38
Monitoraggio energetico Report di Monitoraggio
Gennaio 2017
Portata liquame trattato m3 1.160.896
E.E. - Linea Nuova kWh 328.761
E.E. - Impianto Affinamento kWh 184.848
E.E. - Linea Vecchia kWh 232.290
E.E.- Fangodotto kWh 1.727
E.E.- ITL kWh 103.955
Energia Elettrica Totale kWh 851.580
E.E. - Linea Nuova38,6%
E.E.- Impianto Affinamento
21,7%
E.E. - Linea Vecchia27,3%
E.E.- Fangodotto0,2%
E.E.- ITL 12,2%
Gennaio 2017 - Distribuzione energetica Trattamento Completo
E. E. - HV Turbo; 131.550 kWh
E. E. - AR; 103.424 kWh
Gennaio 2017 - Distribuzione energetica Comparto biologico
E. E. - Biologico73,6%
E. E. - Coclee ric.7,4%
E. E. - Residua LN19,1%
Gennaio 2017 - Distribuzione energetica Linea nuova
39
Monitoraggio energetico
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
Maggio 2015 Ottobre 2015 Maggio 2016 Gennaio 2017
kWh
/m3
RIDUZIONE DEI CONSUMI ENERGETICI RELATIVI AL COMPARTO DI AERAZIONE (compressori HV Turbo)
Maggio 2015
Ottobre 2015
Maggio 2016
Gennaio 2017
mes
sa a
reg
ime
27%
15%
40
MESSAGGI DEL GESTORE
La strategia di controllo basata sulla misurazione in continuo del rateo massimo diossidazione dell'ammonio supera lo svantaggio di un ritardo nell'ottenimento diinformazioni sulla nitrificazione dovute all'uso di respirometri / titolatori off-line eal controllo del processo attraverso misure dirette (sensori di ammoniaca e sensoridi nitrati) o indirette (pH, redox).
L'applicazione della tecnica testata permette di garantire la rimozione dell'azotodesiderata, e allo stesso tempo di minimizzare il consumo di energia attraverso ilcontrollo della concentrazione di DO.
Il titrimetro differenziale permette di rilevare immediatamente fenomeni diinibizione, consentendo agli operatori di adottare tempestivamente dellecontromisure, e dunque ottimizzare la gestione operativa dell’impianto.