Anno 11 Nr.1 Gennaio 1998

Monitoraggi Ambientali

Monitoraggio dello scarico a fiume e della rete fognaria di uno stabilimento chimico

Una esperienza industriale di integrazione tra le analisi manuali e controlli continui on line

ACNA C.O. Cengio ( Savona) A.Bormida - A. Curti

Sommario
E’ stato realizzato un complesso sistema di controllo automatico computerizzato dello scarico dello stabilimento e della rete idrica interna.
Esso è in grado di consentire, assieme ai controlli manuali, un monitoraggio costante 24 h/24 h e di garantire in qualunque momento, a fronte di qualsiasi evenienza, anomalia, incidente, etc., la qualita’ finale dello scarico.
L’insieme dei vari strumenti di controllo continuo dei numerosi parametri (Portata, pH, Temperatura, Conducibilita’, Potenziale Redox, TOC, NH4, NO2, NO3, Colore, BTX-VOC) e la rilevazione degli stessi, consentono l’esercizio, nel caso di valori anomali, di un bacino disponibile per queste emergenze.
Il costo globale dell’iniziativa e’ stato di ca. 4 MMLit. (di cui la parte di controllo strumentale e’ di ca. 2 MMLit.).

1. Descrizione rete fognaria
I vari reparti di produzione forniscono due tipologie di acque effluenti, il cui convogliamento agli impianti di trattamento avviene tramite due reti di fognature indipendenti:

• BTS: acque a basso tenore salino, praticamente prive di inquinanti, derivanti da cicli di raffreddamento, abbattimenti vari, etc..
  Per le loro caratteristiche questi tipi di acque non passano attraverso l’impianto trattamento acque, ma subiscono un trattamento di neutralizzazione e sedimentazione finali.
• MTS: acque a medio tenore salino, caratterizzate da un COD medio di ca. 1800 mg/l.

Queste acque vengono inviate all’Impianto di Trattamento Acque Reflue (ITAR) costituito da 4 stadi: un chimico-fisico, un biologico a carbone attivo, uno stadio di nitrificazione-denitrificazione ed uno stadio di decolorazione con resine a scambio ionico.
Nello schema e’ sinteticamente descritto il ciclo fognario, che prevede l’unificazione dell’uscita impianto ITAR con le acque BTS prima dell’impianto di neutralizzazione e lagunaggio finale e con successivo scarico a fiume.
Le acque meteoriche sono convogliate per la quasi totalita’ nella corrente BTS.
Fanno eccezione le acque di alcuni pozzetti di raccolta posti nell’immediata adiacenza di qualche reparto che, potenzialmente inquinabili, sono inviate alla corrente MTS.
I bacini di contenimento dei serbatoi hanno di norma una doppia possibilita’ di scarico: BTS o MTS.
Quest’ultima viene utilizzata qualora le acque risultassero inquinate con rilevazione locale a mezzo pHmetri e conduttivimetri.
Le fognature interne dei reparti che raccolgono le acque di lavaggio pavimenti, colaticci, etc., sono collegate per la quasi totalita’ alla fogna MTS.
In funzione del luogo di erogazione, il convogliamento allo scarico delle acque di estinzione di un eventuale incendio puo’ avvenire tramite la fognatura che raccoglie le acque BTS o tramite quella che raccoglie le acque MTS.

2.Descrizione del sistema di controllo
La rete idrica dello Stabilimento viene controllata nei vari punti nodali con strumenti continui e/o analisi manuali.
Il refluo scaricato a fiume viene monitorato al punto finale, in continuo 24 h/24 h, controllando i seguenti parametri: Portata, pH, Temperatura, Conducibilita’, Potenziale Redox, TOC, Ammoniaca, Nitriti, Nitrati, Colore.
I valori ottenuti vengono registrati, oltre che su computer, su carta vidimata dal Sindaco di Cengio, i tracciati vengono inviati al Comune di Cengio che ne provvede alla conservazione per un periodo di 5 anni.
In caso di malfunzionamenti degli strumenti fiscali per periodi superiori alle 8 ore e’ necessario effettuare la comunicazione scritta al Sindaco.
Le acque BTS sono analizzate in continuo 24 h/24 h prima dell’ingresso all’impianto di neutralizzazione ed in 4 punti nodali della rete fognaria, controllando i seguenti parametri: pH, TOC, Ammoniaca, Conducibilita’, BTX, VOC, Colore.
Le acque provenienti dal trattamento acque vengono invece controllate in turno con analisi su campioni istantanei.
A seguito degli elevati tempi di ritenzione e delle masse in gioco nell’impianto, eventuali scostamenti qualitativi dagli standard sono lenti e graduali.
Il vero controllo delle acque avviene, pertanto, tramite gli strumenti di regolazione dei parametri di processo degli impianti di trattamento nonche’ tramite frequenti e sistematiche analisi sulle varie fasi degli stessi.
Inoltre ogni giorno viene caratterizzato lo scarico a fiume su un campione medio delle 24 ore, determinando i seguenti parametri: pH, hazen, ammoniaca, azoto nitroso e nitrico, solfiti, solfati, COD, fosforo, cloruri, rame, mercurio, solventi aromatici, solventi clorurati, microinquinanti.
Con frequenza mediamente quindicinale viene eseguito un campione istantaneo dello scarico a fiume da parte del Laboratorio Chimico dell’ASL n°2 del Savonese, analizzato in contraddittorio anche dal Laboratorio Ecologico per il controllo dei parametri previsti dalla Legge Merli e dei microinquinanti.
Con frequenza giornaliera viene analizzato un campione istantaneo di corrente BTS per il controllo di pH, ammoniaca, colore.

3.Gestione Bacino Emergenza
Tutti gli strumenti continui sopra elencati interfacciano con un PS2, che tramite rete invia i dati alla sala controllo Impianto ITAR ed alla sala controllo acque Laboratorio Ecologico (oltre che ad una sala centralizzata di raccolta dati acqua ed aria, CED).
In caso di inquinamento occasionale, gli strumenti evidenziano un eventuale valore superiore ai limiti prefissati, con conseguente messa in funzione del bacino di emergenza, azionando direttamente da sala controllo Impianto ITAR, le serrande automatizzate di deviazione (comandabili anche da quadro locale in campo).
Questo bacino garantisce un tempo di oltre 5 ore per individuare e/o rimuovere le cause se si tratta di un fenomeno perdurante (esiste un piano di emergenza acque di stabilimento che, con opportune riduzioni dei consumi di acqua per ogni reparto, consente l’allungamento del tempo di disponibilita’ del bacino fino a 24 ore).
E’ previsto che le acque raccolte nel bacino di emergenza vengano poi inviate all’impianto di trattamento ITAR
La rete di controllo dei vari sotto punti della fognatura BTS, consente di accelerare al massimo la ricerca dell’anomalia o addirittura di anticipare l’evidenza del problema.

4. Descrizione del sistema di controllo continuo scarico stabilimento
Il controllo continuo dello scarico a fiume, avente piu’ uno scopo fiscale che gestionale, monitora i seguenti parametri:
La determinazione dei parametri TOC, Ammoniaca, Nitriti, Colore, Nitrati, viene effettuata previo trasferimento del campione nella sala controllo acque reflue del Laboratorio Ecologico.
I parametri Portata, pH, Temperatura, Conducibilita’, Potenziale Redox, vengono determinati con strumenti in loco, i cui segnali vengono rinviati tramite rete ai tre PS2 posti rispettivamente nelle sale controllo del Laboratorio Ecologico, dell’Impianto ITAR e della Sala CED.

4.1 Controllo di TOC, Ammoniaca, Nitriti, Nitrati, Colore
Le determinazioni analitiche strumentali vengono effettuate nella sala controllo acque reflue del Laboratorio Ecologico, situata a ca. 700 m dal punto di scarico del refluo a fiume.
Il trasferimento del campione avviene tramite pompa attraverso una linea in polipropilene ad alta densita’, con flusso di ca. 5 mc/h.
Un’aliquota campione, ca. 10 l/h, viene prelevata in continuo, la rimanente parte viene riciclata.
Il campione di refluo, prima di arrivare ai singoli analizzatori automatici, passa attraverso un sistema di chiarificazione e filtrazione.
Tale sistema e’ costituito da: una colonna di vetro con riempimento a ghiaia (volume totale 0.5 l) pezzatura 0.5 - 3 mm Il refluo chiarificato, tramite pompa peristaltica, viene inviato agli analizzatori automatici. I segnali rilevati dagli strumenti vengono, mediante computer e modem, inviati alle sale controllo dell’Impianto ITAR e di Ecologia.

Analizzatore di TOC:

Principio di funzionamento:
acidificazione del campione, strippaggio della CO2 (inorganica), ossidazione del carbonio organico in presenza di raggi ultravioletti con sodio persolfato, lettura della concentrazione dell’anidride carbonica con detector infrarosso non dispersivo.Lo strumento effettua la calibrazione (settimanale) automatica a gas ed automatica (o manuale) a liquido, utilizzando come standard: acqua demineralizzata come O mg/l soluzione di ftalato acido di potassio, 100 mg/l come C.

Analizzatore di Ammoniaca:

Principio di funzionamento:
E’ un analizzatore che effettua una determinazione ogni 12 minuti ca., con basificazione del campione con soda caustica con trasformazione dello ione ammonio in ammoniaca (a pH 11-13), determinazione con elettrodo ione selettivo a membrana intercambiabile.La taratura dello strumento viene effettuata automaticamente una volta all’ora.

Analizzatore di Nitriti:

Principio di funzionamento:
la determinazione si basa sulla reazione di diazotazione dei nitriti con sulfanilamide che opera la copulazione della N (1-naftil) etilendiammina con sviluppo di colore a temperatura ambiente. L’assorbanza e’ valutata a 540 nm, con sonda ottica. Il range di misura e’ 0 - 1 mg/l N-NO2. La taratura viene effettuata manualmente (ogni settimana).

Analizzatore di Nitrati; 

Principio di funzionamento:
misura potenziometrica con elettrodo selettivo effettuata con il metodo delle aggiunte note.Range di misura: 0 - 50 mg/l N-NO3.La taratura viene effettuata manualmente ogni settimana.Lo strumento effettua ciclicamente una correzione della taratura automaticamente.

Analizzatore di Colore:  

Principio di funzionamento:
misurazione dell’assorbanza con sonda a fibre ottiche a 420 nm, previa filtrazione.La taratura viene effettuata settimanalmente.

4.2 Controllo portata, pH, temperatura, conducibilita’, potenziale redox
Gli strumenti di controllo e di registrazione di questi parametri sono situati in una sala quadro nelle immediate adiacenze dello scarico.Il campione prelevato in continuo allo scarico viene trasferito con pompa centrifuga, tramite linea in acciaio inox (ca. 30 m) agli analizzatori.I segnali degli strumenti vengono replicati in sala controllo impianto ITAR con registratori di tipo tradizionale ed inviati ai PC.

Misura della Portata Elemento di misura: canale aperto tipo Parshall, misuratore ad ultrasuoni con indicazione locale e registrazione a quadro. Segnale O - 100 lineare Campo di misura 0 - 3000 mc/hRegistratore 

Misura del pH Elemento di misura : Campo di misura 0 - 10 unita’ di pH Registratore Questa misura e’ importante in quanto puo’ essere indicatrice di un’anomalia in atto. Tale strumento da’ una risposta immediata e continua allertando in tempo reale.

Misura della temperature Elemento di misura: termoresistenza Pt 100 O°C - Campo di misura 0 - 40°C - Registratore 

Misura della conducibilità Elemento di misura con cella (costante K = 10 cm-1) - Campo di misura 0 - 4 uS- Registratore - Questa misura e’ importante in quanto puo’ essere indicatrice di un’anomalia in atto.Tale strumento da’ una risposta immediata e continua allertando in tempo reale.

Misura del potenziale Redox- Elementi di misura: 2 elettrodi di cui uno di platino e l’altro di riferimento.Campo di misura 0 - 1000 mV- Registratore .- Questa misura e’ importante in quanto puo’ essere indicatrice di un’anomalia in atto.- Tale strumento da’ una risposta immediata e continua allertando in tempo reale.

5. Controlli manuali effettuati sull’impianto di trattamento acque
L’impianto di depurazione ITAR viene controllato in turno effettuando analisi su campioni istantanei.Poiche’ i tempi di ritenzione dell’impianto sono elevati, variazioni significative della qualita’ dei reflui avvengono gradualmente e lentamente, per cui controlli effettuati con la sufficiente periodicita’ consentono interventi correttivi opportuni (dal momento in cui l’acqua entra nell’impianto al momento di uscire trascorrono ca. 4-5 giorni).

In tabella sono indicati i tipi di campioni ed i parametri controllati.
I parametri sopra citati vengono controllati con analisi in laboratorio con frequenza giornaliera e vengono integrati con altri controlli manuali effettuati in campo dagli operatori di impianto utilizzando kit predisposti per analisi in loco.Inoltre vengono effettuati altri controlli con minore frequenza (analisi biomassa, esame al microscopio, etc.) volti a valutare aspetti piu’ tipicamente microbiologici nelle fasi di trattamento biologico carbonaceo e di nitrificazione / denitrificazione.

6. Controlli continui effettuati sulla rete fognaria BTS

I parametri sottoposti a controllo continuo sulla rete BTS sono: pH - TOC - Ammoniaca - BTX - Conducibilità - VOC - Colore
Lo scopo fondamentale degli strumenti posizionati al punto finale di confluenza delle acque BTS, e’ quello di esercire il bacino di emergenza; mentre gli strumenti posizionati nei 4 punti nodali consentono una piu’ rapida individuazione della fonte dell’anomalia e/o un anticipo della messa in esercizio del bacino di emergenza.

6.1 Punto finale confluenza BTS
La determinazione dei suddetti parametri viene effettuata, previo trasferimento del campione nella sala controllo acque reflue del Laboratorio Ecologico.
Il campione di refluo prelevato, prima di arrivare ai singoli analizzatori automatici, passa attraverso un sistema di filtrazione a sabbia.
Le acque, a basso tenore salino, che non passano attraverso il sistema di trattamento acque, vengono analizzate in continuo per i parametri sopra indicati prima dell’ingresso all’impianto di neutralizzazione dove vengono convogliate anche le acque provenienti dal trattamento acque.
I parametri sotto controllo consentono unitamente alle segnalazioni provenienti dagli strumenti sullo scarico finale, attraverso segnalazione via computer alla sala quadro impianto ITAR, la gestione del bacino di emergenza.
Il sistema di campionamento, pompe. etc. e’ del tutto equivalente a quello realizzato sullo scarico finale.

Analisi del TOC: Analogo all’analizzatore dello scarico finale.

Misura del pH: Strumento analogo a quello dello scarico finale.

Il punto BTS e l’immissione nel bacino di decantazione sono monitorati con strumenti locali ed il segnale e’ trasmesso e registrato a sala quadro Impianto ITAR.

La misura del pH e’ importante non fine a se stessa (in quanto l’impianto di neutralizzazione finale consente comunque correzioni sia per pH acidi che basici) quanto come indicatore di un’anomalia che potrebbe interessare anche altri parametri.
Il vantaggio di tale strumento e’ quello di dare una risposta IMMEDIATA e CONTINUA e di ALLERTARE IN TEMPO REALE.

Analisi del VOC:Strumento costituito da: PTS (Purge and trap sampler) PTI (Purge and trap injector) GC (Gas cromatografo) PS2 con data system (Software di acquisizione/integrazione) e software di comunicazione. Lo strumento esegue una determinazione gas cromatografica ogni ora, durante il tempo di analisi campiona in continuo preparando il campione medio che verra’ analizzato nell’ora successiva.

Vengono controllati i seguenti parametri: Benzene Toluene Xileni Tetracloroetilene Tetracloroetano Diclorobenzeni Naftalene 1.2.4.Triclorobenzene

I composti volatili sono strippati dal campione di acqua da un gas inerte (elio) a temperatura moderata (20-60°C) il flusso contenente i VOC passa attraverso un condensatore mantenuto a -15°C. In questo condensatore viene rimossa l’acqua strippata, per evitare che geli nella trappola fredda. La trappola, un tubo capillare di silice fusa, e’ raffreddata per mezzo di azoto liquido a -100°C i componenti da analizzare vengono bloccati nella trappola fredda. Successivamente il campione viene iniettato nel gas cromatografo per repentino riscaldamento della trappola.

Misura della conducibilità :Elemento di misura con cella (costante K = 10 cm-1 campo di misura 0-4 uS).Anche questa misura e’ importante quale indicatrice di una anomalia in atto; come il pHmetro, da’ una risposta IMMEDIATA e CONTINUA ed allerta in tempo reale.

6.2 Sotto punti rete BTS

Ogni singolo punto della rete fognaria BTS e’ provvisto di una stazione di pompaggio dalla quale, mediante un sistema di tubazione in polipropilene ad alta densita’ il campione di acqua viene inviato in continuo agli analizzatori automatici collocati nel Laboratorio Ecologico. Il sistema di campionamento, pompe, etc., e’ simile a quello realizzato sullo scarico finale.Questo sistema da’ la possibilita’ di rilevare con sufficiente anticipo anomalie di qualita’ delle acque reflue dovute per esempio a sversamenti accidentali e quindi puo’ rendere molto piu’ tempestivo l’avvio delle procedure di emergenza e l’individuazione/rimozione delle cause.

Analisi del TOC: Analogo all’analizzatore dello scarico finale.

Analisi dell'ammoniaca: Strumento analogo all’analizzatore del punto finale BTS; multi canale che consente a rotazione il controllo dei punti indicati con frequenza oraria.

Misura del pH: 4 pHmetri sull’arrivo dei 4 sotto punti che consentono il controllo continuo di ogni punto (segnale immediato).

Misura della conducibilità: 4 conduttivimetri sull’arrivo dei 4 sotto punti che consentono il controllo continuo di ogni punto (segnale immediato).

7. Azionamento bacino di emergenza
Il bacino di emergenza viene messo in servizio quando i dati analitici degli strumenti del punto finale di confluenza rete BTS superano il primo set di allarme,
o qualora dai reparti di produzione venga segnalato un incidente che interessi reflui acquosi (i dati dei punti intermedi servono per dare il preallarme e stabilire la zona di provenienza dell’anomalia).
A bacino di emergenza inserito (serranda di ingresso al bacino L chiusa, serranda di ingresso al bacino I aperta, serrande allo scarico da manovrare a seconda del caso) dovranno essere effettuate 4 azioni necessarie al miglior utilizzo del volume disponibile nel bacino di emergenza (ca. 10000 mc).

Esse sono:

• a. Ricerca della fonte di inquinamento avvisando il reparto o i reparti da cui proviene
• b. Riduzione portata scarico impianto di trattamento biologico a ca. 100 mc/h che consente una riduzione istantanea di portata di ca. 400 mc/h
• c. Avviso ai reparti di inizio emergenza acque per riduzione acque BTS
• d. Fermata totale impianti

L’azione a. e’ automatica mentre in funzione della situazione si decidera’ se passare progressivamente alla fase b, c, e, d.

8.Ritardo nella risposta della strumentazione continua

8.1 Scopo
Lo scopo di questa analisi e’ stato quello di quantificare piu’ correttamente possibile, l’inerzia in termini di tempi tra il verificarsi di una anomalia ed il riscontro strumentale che avvia le procedure di allarme ed emergenza.

8.2 Analisi
La risposta della strumentazione analitica della rete BTS e’ soggetta a ritardo dovuto a tre fattori:

• a. tempo di pompaggio dal punto di campionamento alla strumentazione sita al Laboratorio Ecologico
• b. tempo di filtrazione del campione e suo invio allo strumento
• c. tempo di analisi dello strumento

I tre fattori sopra descritti sono stati valutati, vistane l’importanza cruciale dal punto di vista gestione emergenza, per il punto BTS. Per questo punto, a computer si hanno i seguenti segnali:TOC- Ammoniaca Conducibilita’ - pH - VOC / BTX

8.3 Risultati
L’analisi e’ stata condotta per TOC, Ammoniaca, Conducibilita’ in maniera separata per i 3 diversi fattori di ritardo:

• a. Tempo di pompaggio: tale prova e’ stata condotta usando come tracciante una soluzione a pH alcalino per idrossido di sodio; il tempo di pompaggio e’ risultato di 21 minuti
• b.Tempo di filtrazione anche in questo caso si e’ usata una soluzione alcalina e si e’ ottenuto un valore di 14 minuti
• c. Tempo di analisi per questa prova si e’ alimentata, direttamente al punto di prelievo dei robot analitici una soluzione contenente ammoniaca, metanolo, solfato di sodio.

Per la risposta concernente il segnale del TOC, il valore ottenuto di 15 minuti e’ univoco.Per quel che riguarda lo strumento che analizza l’ammoniaca, il tempo di risposta dipende dalla fase in cui si trova l’analizzatore; infatti tale strumento esegue una taratura ogni 4 campioni di punto BTS. Pertanto, a seconda della fase in cui si ha l’arrivo del campione, i tempi di risposta analitica possono essere:

• minimo : 17 minuti massimo: 31 minuti

In conclusione, i tempi totali di ritardo sono risultati essere:

• ritardo allarme TOC : 58 minuti
• ritardo allarme NH3 minimo: 52 minuti
• ·massimo: 66 minuti

Invece i parametri pH e conducibilita’ hanno invece una risposta (entro 10 minuti) e nel caso del punto BTS immediata, essendo l’elettrodo posizionato in campo. Poiche’ i tempi di ricorrenza del bacino finale sono molto superiori (4-5 ore) il ritardo di segnalazione viene compensato dall’hold-up del bacino che impedisce pertanto anche un modesto sversamento a fiume durante il tempo di inerzia strumentale.

9. Raccolta dati
I dati vengono visualizzati sul computer per gruppi omogenei (scarico, rete BTS). Ogni singolo parametro viene rappresentato da una schermata grafica, in cui compare il valore numerico istantaneo ed il confronto visivo con barrette colorate tra il valore misurato ed i set di primo e secondo allarme.I dati registrati dal computer vengono quindi automaticamente rielaborati su base statistica fornendo tutta una serie di informazioni quali: medie giornaliere, mensili, annue, deviazioni standard, etc..Analogamente vengono raccolti elaborati i dati delle analisi effettuate manualmente.

10.Conclusioni
Gli ormai 10 anni di esercizio di questo sistema, nella sua estesa globalita’, hanno dimostrato la sua efficacia sia nel controllo routinario della qualita’ dell’acqua che nella raccolta dati, a garanzia delle attuali condizioni di massima affidabilita’ del sistema acque nella sua totalita’.

(Da una relazione presentata alla Tavola Rotonda organizzata dalla AIS-Associazione Italiana Strumentisti - durante la Mostra ECOAQUA alla Fiera di Genova il 20 Novembre 1997)

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