Virtual Reference Feedback Tuning & Artificial Neural Network. Tecniche per il controllo e la simulazione nel trattamento dell’acqua potabile.

Introduzione 
 
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Le tecniche utilizzate sono state tutte “dirette”, basate sulla conoscenza di 
una grande quantità di dati campionati dell‟impianto reale. 
Realizzare un accurato modello idraulico per determinare il flusso d‟acqua; 
così come determinare il modello del processo di chiariflocculazione, 
dipendente da molti fattori (torbidità, portata, pH, temperatura, pressione, lo 
stesso materiale delle vasche, ecc), può essere molto dispendioso e in fine 
discostarsi molto dal reale funzionamento. Un approccio alternativo della 
problematica può essere molto più veloce e con risultati adeguati. 
La soluzione da adottare è lo sviluppo di una tecnica che si basi su un set di 
dati campionati ingresso-uscita e che eluda una conoscenza modellistica 
dell‟impianto, tale tecnica si chiama „Virtual Reference Feedback Tuning’. 
Attualmente, non è mai stata utilizzata per problematiche del genere; dal 
lavoro di tesi si è riscontrata una facilità e velocità di applicazione notevole, 
con risultati che soddisfano pienamente le specifiche.  
Una facile manipolazione dei parametri del controllore o una variazione 
dettagliata delle specifiche di progetto con la VRFT fa pensare alla 
realizzazione di progettazioni strutturali online; con miglioramenti notevoli per 
il controllo del processo nel trattamento dell‟acqua. 
Il metodo di progettazione proposto è diretto; il controllore è progettato su 
dati misurati e le specifiche di controllo sono assegnate attraverso un 
modello di riferimento (Fig. 2). 
 
 
 
 
 
 
Introduzione 
 
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Figura 2 Virtual Reference Feedback Tuning 
 
Per evitare di applicare direttamente il controllore all‟impianto reale è sorto il 
problema di testarlo, non avendo comunque un simulatore e neanche un 
modello matematico approssimato. 
L'utilizzo di tecnologie basate su un approccio più vicino all'intelligenza 
umana e alla conoscenza, piuttosto che a rigide schematizzazioni 
modellistiche, possono dimostrarsi di reale ausilio nella simulazione di 
processi caratterizzati da elementi fisici, chimici e biologici, come appunto 
quelli riguardanti il trattamento delle acque. 
Un approccio neurale artificiale è sembrato il metodo più appropriato; vista 
una ricerca svolta per monitorare il cloro residuo in un sistema di 
distribuzione d‟acqua a Hope Valley, Adelaide (Australia)1, che serve una 
popolazione di circa 180.000 persone. 
 
 
 
                                            
1M.S. Gibbs, N. Morgan, H.R. Maier, G.C. Dandy,J.B. Nixon and M. Holmes. September 2006 
Introduzione 
 
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Nel nostro caso, si tratta di monitorare una quantità di acqua molto inferiore e 
in un tragitto molto più piccolo (Fig. 3). 
 
 
Figura 3 Unknow Plant to Artificial Neural Networks. 
 
L‟approccio utilizzato si è rivelato molto efficiente, con una buona 
approssimazione dell‟errore nelle simulazioni. La progettazione del 
simulatore è stata influenzata dal numero di dati campionati e dalla quantità 
di parametri disponibili; per rendere il simulatore maggiormente attendibile si 
è scelto di progettare un sistema di reti neurali artificiali; realizzare, cioè, una 
rete neurale per ogni bimestre viste le differenze qualitative dell‟acqua. 
Il simulatore è stato realizzato attraverso un sistema di reti neurali artificiali e 
precisamente attraverso un sistema di Multi Layer Perceptron (MLP). 
 
 
Introduzione 
 
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Per la realizzazione di questo lavoro, la So.Ri.Cal S.p.A., una società di 
servizi professionali nella progettazione e gestione di impianti per il 
trattamento e la distribuzione delle acque calabresi, ha messo a disposizione 
sia tutto il materiale necessario sia la conoscenza e l‟esperienza. 
 
 
Capitolo 1 
 
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CAPITOLO 1                                                                                   
Impianto di potabilizzazione Alaco 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capitolo 1 
 
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Introduzione. 
La Calabria è una regione ricchissima d‟acqua con circa 19.342 sorgenti con 
portata di 43.243 litri al secondo e altre 10.442 sorgenti con portata minore. 
Le risorse idriche calabresi oltre ad essere abbondanti, hanno anche 
caratteristiche organolettiche di ottima qualità che le rendono uniche. 
L‟impianto di potabilizzazione „Alaco‟ è uno degli impianti per il trattamento 
dell‟acqua più grandi in Calabria. Per la posizione in cui è situato (Fig. 1.1) 
copre un ampio raggio di distribuzione, attraverso due condotte principali, 
una coprente il lato Jonio e l‟altra coprente il lato Tirreno. 
 
 
Figura 1.1 Posizione impianto di potabilizzazione ‘Alaco’. 
Capitolo 1 
 
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Il trattamento dell‟acqua avviene attraverso dei processi chimico-fisici; 
analizzare le leggi che regolano questi processi non è di facile esame, visto 
l‟elevato numero di fattori che influenzano il processo stesso. 
La parte più complessa riguarda tutti processi di trattamento attraverso 
dosaggi chimici. In questo lavoro di tesi verrà trattato il processo di 
chiariflocculazione e più precisamente la parte che ne regola il dosaggio di 
reagente attraverso una pompetta dosatrice. 
 
1.1 Impianto di potabilizzazione Alaco. 
L‟impianto di potabilizzazione dell‟Alaco (Fig. 1.1) è situato in località 
Mammone (comune di S. Sostene, provincia di Catanzaro, all‟altitudine di 
circa 965 m); attualmente sta affrontando alcuni aggiornamenti strutturali 
sostanziali di dimensionamento per trattare una portata massima di 650 l s-1, 
da ormai un anno è alimentato con acque superficiali derivate dal bacino 
artificiale realizzato sul fiume Alaco (da cui il nome). 
 
 
Figura 1.2 Impianto di potabilizzazione Alaco. 
Capitolo 1 
 
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Gli aggiornamenti apportati non riguardano solo il miglioramento della 
quantità di acqua trattata ma anche la qualità. 
 
1.2 Configurazione d’Impianto. 
Considereremo la struttura dell‟impianto considerando le modifiche che sono 
state o saranno apportate. 
L‟impianto può essere schematizzato da due linee guida di processo 
principale: 
 Linea acque. 
 Linea fanghi. 
 
1.2.1 Linea acque. 
La linea acque è la linea di processo principale dell‟impianto; a essa è 
funzionalmente collegata la linea fanghi. 
Essa è costituita dalle seguenti fasi: 
 Pre-ossidazione, coagulazione e correzione pH; 
 Chiariflocculazione; 
 Filtrazione rapida multistrato; 
 Disinfezione finale, correzione pH e stoccaggio acque trattate. 
La linea acque si completa con il ricircolo dei drenaggi in testa all‟impianto. 
Di seguito riporteremo una breve descrizione delle fasi di processo. 
 
1.2.1.1 Pre-ossidazione, coagulazione e correzione pH.  
L‟impianto viene alimentato a gravità con le acque accumulate dalla diga sul 
fiume Alaco. L‟utilizzo del bacino artificiale, a differenza del passato, 
comporta notevoli miglioramenti sulla costanza di qualità delle acque grezze. 
 
 
Capitolo 1 
 
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Le acque grezze vengono soggette a pre-ossidazione mediante ipoclorito di 
sodio (NaClO), coagulazione mediante policloruro di alluminio (PACl) e, se 
necessario, acidificate mediante acido cloridrico (HCl). 
I dosaggi dei reagenti avvengono in corrispondenza del torrino di carico (Fig. 
1.3) della chiariflocculazione che verrà utilizzata da vasca di miscelazione 
rapida. 
 
Figura 1.3 Torrino. 
La pre-ossidazione ha lo scopo di ossidare le sostanze organiche presenti 
nell‟influente e garantire una copertura minima di agente disinfettante tale da 
evitare indesiderate crescite batteriche e algali all‟interno dell‟impianto 
(canalette di sfioro dei chiariflocculatori, filtri). 
La coagulazione ha lo scopo di destabilizzare le sospensioni colloidali 
connesse alla presenza di torbidità a base prevalentemente inorganica. 
La correzione del pH (per acidificazione) ha lo scopo di massimizzare la 
precipitazione dei coaguli di Al o Fe (in genere l‟idrossido di alluminio ha un 
pH ottimale inferiore a quello dell‟idrossido ferrico) e quindi anche di limitare 
la presenza di Al o Fe disciolto nelle acque trattate. 
 
Capitolo 1 
 
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1.2.1.2 Chiariflocculazione. 
Le acque grezze saranno soggette a trattamento chimico, attraverso un 
flocculante, e sopraggiungono a gravità a tre bacini di chiariflocculazione a 
ricircolo di fango installati in parallelo nel quale avvengono in sequenza i 
processi di flocculazione (cioè di progressiva aggregazione dei coaguli 
formatisi in fase di coagulazione) e di chiarificazione (cioè di separazione dei 
fiocchi formatisi in fase di flocculazione per semplice sedimentazione 
gravitativa). 
Successivamente l‟effluente chiarificato sarà inviato alla filtrazione rapida 
multistrato, mentre i fanghi chimici raccolti sul fondo potranno essere inviati 
alla linea fanghi per il successivo smaltimento. 
 
1.2.1.3 Filtrazione rapida multistrato. 
La filtrazione rapida multistrato è composta di quattro filtri in parallelo, 
ciascuna costituita da due celle di filtrazione, nelle quali avverrà la definitiva 
rimozione dei fiocchi di fango sfuggiti al processo di chiarificazione. 
Le quattro unità di filtrazione vengono periodicamente soggette a contro 
lavaggio con acqua e aria al fine di ricostituire l‟originale perdita di carico.  
 
1.2.1.4 Assorbimento su carbone attivo granulare. 
Le acque filtrate arriveranno a gravità a quattro filtri in parallelo a carbone 
attivo granulare. Queste unità sono state progettate per un miglior 
affinamento del trattamento; vengono eliminate tracce di composti organici e 
soprattutto per abbattere i trialometani (THM). Nel processo di pre-
ossidazione con NaClO oppure lo stesso ipoclorito di sodio reagendo con il 
film dei tubi potrebbe formare i trialometani che possono essere sostanze 
nocive in grosse concentrazioni.