Nel trattamento delle acque reflue industriali, il passaggio dal dosaggio manuale dei prodotti chimici ai sistemi automatizzati rappresenta un salto operativo significativo. Tuttavia, persiste un'idea sbagliata: qualsiasi sistema automatizzato si qualifica come “intelligente”. Questa confusione porta a prestazioni insufficienti, in quanto l'automazione di base basata su timer non è in grado di adattarsi alla natura dinamica della chimica delle acque reflue, con conseguenti sprechi di sostanze chimiche, rischi di conformità e qualità incoerente degli effluenti. La vera sfida ingegneristica consiste nel distinguere tra la semplice automazione dei compiti e il vero controllo adattivo del processo.
L'attenzione al dosaggio intelligente è ormai imperativa. Le normative più severe in materia di scarichi, i costi volatili dei prodotti chimici e la necessità di una resilienza operativa richiedono sistemi che non si limitino a far funzionare le pompe. Un sistema di dosaggio intelligente PAM/PAC funziona come un ottimizzatore di processo ad anello chiuso, utilizzando dati in tempo reale per prevedere e regolare, trasformando la coagulazione da arte reattiva a scienza predittiva. Questo cambiamento è fondamentale per raggiungere la sostenibilità economica e ambientale nel moderno trattamento delle acque.
In che modo i sistemi di dosaggio intelligenti si differenziano dall'automazione di base?
Il passaggio fondamentale: Dai setpoint ai loop di feedback
L'automazione di base opera su parametri fissi: la pompa funziona a una velocità prestabilita per un tempo predeterminato, indipendentemente dalle condizioni di afflusso. I sistemi intelligenti sono definiti dalla loro architettura di feedback dei dati. Integrano analizzatori online di torbidità, pH e flusso per creare un flusso di dati continuo. Ciò consente al controllore di formare un anello chiuso, regolando dinamicamente le uscite delle pompe PAM e PAC in risposta ai disturbi misurati. L'elemento di differenziazione principale è questa capacità di adattamento, che va oltre la mera esecuzione dei compiti per passare all'ottimizzazione continua del processo.
Il valore strategico risiede nell'algoritmo
Il vantaggio operativo non si trova nella sola precisione della pompa, ma nella logica di controllo avanzata. Mentre i sistemi di base possono utilizzare semplici anelli proporzionali-integrali-derivativi (PID), i sistemi intelligenti utilizzano algoritmi come la logica fuzzy o i modelli di apprendimento automatico. Questi consentono regolazioni predittive, anticipando l'impatto di un picco di torbidità sulla formazione del fiocco e modificando preventivamente la dose di coagulante. In questo modo il ruolo dell'operatore si trasforma da regolatore manuale a supervisore del sistema, concentrandosi sulla supervisione strategica piuttosto che sull'intervento costante. Nella nostra analisi delle strategie di controllo, abbiamo riscontrato che gli impianti che utilizzano algoritmi predittivi hanno ridotto la variabilità del consumo di sostanze chimiche di oltre 40% rispetto a quelli che utilizzano loop di feedforward di base.
Impatto sulla filosofia operativa
Questo cambiamento tecnologico modifica radicalmente le operazioni dell'impianto. Il processo passa dalla dipendenza dall'operatore e dalla reattività al controllo dei dati e alla proattività. L'intelligenza del sistema ha un impatto diretto sugli indicatori di prestazione chiave: l'efficienza chimica migliora, la conformità diventa più coerente e i dati operativi forniscono una chiara traccia di audit. L'implicazione strategica è che investire nell'intelligenza è un investimento nella stabilità del processo e nella riduzione del rischio, non solo nell'hardware.
Componenti principali di un sistema di dosaggio intelligente PAM/PAC
Architettura hardware: Precisione e affidabilità
L'efficacia di un sistema intelligente dipende dall'hardware integrato. I componenti critici includono pompe dosatrici di precisione con azionamenti a frequenza variabile (VFD) per un'erogazione precisa dei prodotti chimici e unità di preparazione automatizzate che assicurano un'attivazione coerente della PAM, una fonte comune di variabilità delle prestazioni. La base sensoriale comprende gli analizzatori online; la loro affidabilità è fondamentale, come specificato in standard come ISO 15839:2018 per i sensori di qualità dell'acqua. Il controllore logico programmabile (PLC) esegue i complessi algoritmi di dosaggio, mentre l'interfaccia uomo-macchina (HMI) fornisce una finestra sui dati di processo e sul controllo.
La sfida dell'integrazione
Il vero vantaggio operativo deriva dalla perfetta integrazione dei componenti, non dalle prestazioni dei dispositivi autonomi. Uno dei principali ostacoli all'implementazione è l'interfacciamento del nuovo controllore di dosaggio intelligente con l'infrastruttura PLC o SCADA esistente dell'impianto. Spesso le soluzioni generiche non funzionano perché non sono in grado di adattarsi alle architetture di controllo specifiche del sito o ai protocolli di comunicazione tradizionali. Per questo motivo, un'implementazione di successo richiede che i venditori forniscano un supporto ingegneristico di processo approfondito per adattare il livello di integrazione del sistema. Questa personalizzazione garantisce che il modulo di dosaggio intelligente comunichi efficacemente con i controlli più ampi dell'impianto, rendendolo una parte coesa del processo di trattamento piuttosto che un'isola isolata di automazione.
Algoritmi di controllo chiave: Da Feedforward a Model Predictive
La gerarchia della logica di controllo
Le strategie di controllo si evolvono in modo sofisticato. Il controllo feedforward agisce in modo preventivo, regolando la dose di PAC in base a un disturbo misurato dell'afflusso, come un aumento della portata, prima che questo degradi il chiarificatore. Il controllo a retroazione effettua poi una regolazione fine utilizzando sensori sull'acqua sedimentata, chiudendo il cerchio della qualità dell'effluente. Pur essendo efficaci, questi metodi sono fondamentalmente reattivi. I sistemi più avanzati impiegano il Model Predictive Control (MPC), che utilizza un modello di processo dinamico per prevedere le dosi ottimali in un orizzonte temporale futuro, ottimizzando sia le prestazioni immediate che l'efficienza a lungo termine.
Trasformare il Jar Testing in una scienza continua
Questa evoluzione algoritmica è ciò che trasforma il test dei vasi da un'arte manuale e periodica in una scienza predittiva e continua. I sistemi avanzati possono emulare l'analisi automatizzata dei vasi analizzando i modelli di dati storici e in tempo reale per prevedere la relazione sinergica tra PAC e PAM. I sistemi tengono conto delle risposte non lineari e dei ritardi temporali inerenti alla chimica della coagulazione. In questo modo, spostano il processo in un ambito proattivo, mantenendo le condizioni ottimali anche quando le caratteristiche delle acque reflue cambiano. Un dettaglio facilmente trascurato è il requisito di dati storici di alta qualità e convalidati per addestrare efficacemente questi modelli; senza di essi, anche l'algoritmo più sofisticato non può funzionare.
Stabilire la linea di base: Dal test del vaso alla calibrazione del sistema
Il fondamento empirico
Mentre i sistemi intelligenti si automatizzano in tempo reale, la loro calibrazione iniziale si basa sulla base empirica del test in vasca. Questa procedura di laboratorio non è indispensabile per stabilire la relazione sinergica di base tra PAC (il coagulante) e PAM (il flocculante). I loro ruoli sono meccanicamente distinti: il PAC neutralizza le cariche elettrostatiche per creare microfiocchi, mentre il PAM fornisce un ponte polimerico per formare macrofiocchi sedimentabili. Il protocollo del test in vasca sottolinea che il dosaggio, l'energia di miscelazione (valore G) e la rigorosa sequenza di aggiunta (PAC prima di PAM) sono variabili critiche e non intercambiabili.
Dalla linea di base statica alla calibrazione dinamica
I sistemi intelligenti utilizzano i risultati dei test del vaso come setpoint iniziali, ma sono progettati per un adattamento continuo. I sensori del sistema forniscono un flusso costante di dati di processo, consentendo agli algoritmi di controllo di apprendere e regolare la linea di base in risposta alle condizioni reali dell'impianto. Questa calibrazione dinamica è la chiave per gestire le variazioni giornaliere e stagionali. L'implicazione strategica è chiara: gli impianti devono investire nella necessaria infrastruttura di sensori e nella capacità di storicizzare i dati per alimentare questi algoritmi. Questo investimento consente il passaggio cruciale dai test di laboratorio manuali in ritardo all'ottimizzazione dei processi in tempo reale.
Variabili di processo fondamentali per l'ottimizzazione
| Variabile di processo | Ruolo nella coagulazione/flocculazione | Obiettivo di ottimizzazione |
|---|---|---|
| Dosaggio del PAC (coagulante) | Neutralizza le cariche delle particelle | Creare microflussi |
| Dosaggio del PAM (flocculante) | Ponti microfluidi | Formare macroflobi sedimentabili |
| Energia di miscelazione (valore G) | Promuove le collisioni tra particelle | Ottimizzare la formazione del fiocco |
| Sequenza di addizione | PAC prima di PAM | Critico per la sinergia |
| Tempo di reazione | Consente la crescita del fiocco | Garantire l'efficienza di decantazione |
Fonte: Documentazione tecnica e specifiche industriali.
Questa tabella delinea le variabili fondamentali che devono essere caratterizzate durante il test della giara e poi gestite dal sistema intelligente. Ogni variabile ha un ruolo meccanicistico distinto e l'ottimizzazione richiede di bilanciarle come sistema integrato, non come singoli parametri.
Ottimizzazione del dosaggio per le sfide specifiche delle acque reflue
Configurazione della risposta algoritmica
I sistemi intelligenti forniscono valore configurando risposte specifiche alle sfide dinamiche dell'afflusso. Per un evento di elevata torbidità, l'algoritmo deve aumentare la dose di coagulante per destabilizzare il maggiore carico colloidale. Le basse temperature dell'acqua possono richiedere una dose maggiore di polimero o il passaggio automatico a una formulazione di PAM più resistente alle basse temperature. Le fluttuazioni del pH richiedono una regolazione algoritmica immediata, poiché l'efficienza dei coagulanti allumici e ferrici dipende fortemente dal pH. Questa necessità di una logica specializzata e configurabile è il principale elemento di differenziazione rispetto all'automazione di base.
Evoluzione per i contaminanti futuri
L'ottimizzazione non è un evento unico, ma un processo continuo di adattamento a un panorama normativo in continua evoluzione. Poiché le normative sono sempre più mirate a contaminanti specifici come i PFAS o impongono limiti precisi per i nutrienti, i sistemi di dosaggio richiederanno algoritmi e pacchetti di sensori specifici per i contaminanti. I sistemi futuri potrebbero integrare analizzatori spettroscopici o altri sensori avanzati per fornire un feedback diretto sulla rimozione del contaminante target, andando oltre i parametri proxy come la torbidità. Questa evoluzione sottolinea che il software e la suite di sensori del sistema devono essere in grado di essere aggiornati per soddisfare le future richieste di conformità.
Risposte algoritmiche a sfide comuni
| Sfida influente | Risposta dell'algoritmo | Regolazione dei parametri chiave |
|---|---|---|
| Picco di torbidità elevato | Aumentare la dose di coagulante | Dosaggio più elevato di PAC |
| Bassa temperatura | Aumentare la resilienza dei polimeri | Cambiare tipo/dose di PAM |
| Fluttuazione del pH | Regolazione automatica del coagulante | Ottimizzare l'efficienza del pH |
| Contaminanti specifici (ad esempio, PFAS) | Logica specifica per il contaminante | Selezione chimica mirata |
| Limiti rigorosi per i nutrienti | Controllo stechiometrico preciso | Ridurre al minimo il sovradosaggio di sostanze chimiche |
Fonte: Documentazione tecnica e specifiche industriali.
Questo quadro mostra come un sistema intelligente sia programmato per rispondere a specifici fattori di stress. La logica di controllo deve essere abbastanza sofisticata da gestire sfide multiple e simultanee, come ad esempio un evento di temperatura fredda e di alta turbolenza, che richiede una strategia di regolazione combinata.
Superare gli ostacoli tecnici e operativi più comuni
Affrontare i punti di guasto primari
Per un'implementazione di successo è necessario anticipare gli ostacoli principali. L'incoerenza nella preparazione dei polimeri, una delle principali fonti di variabilità delle prestazioni, viene affrontata con unità di preparazione automatizzate con cicli di invecchiamento controllati. L'incrostazione dei sensori, che può accecare gli “occhi” del sistema, viene gestita con meccanismi di pulizia automatica integrati e routine diagnostiche che avvisano gli operatori del calo di affidabilità dei sensori. Gli esperti del settore raccomandano di scegliere sensori con una comprovata resistenza alle incrostazioni e un facile accesso alla manutenzione come criterio critico di progettazione.
Sfide sistemiche e di integrazione
Le sfide più significative sono spesso di tipo sistemico. La relazione non lineare e spesso imprevedibile tra i parametri di qualità dell'acqua e il dosaggio ottimale richiede un approccio di controllo personalizzato; un algoritmo generico non funzionerà a dovere. Il retrofit del dosaggio intelligente negli impianti preesistenti richiede un'attenta revisione idraulica per garantire che i tempi di miscelazione rapida e di ritenzione della flocculazione siano adeguati affinché i prodotti chimici funzionino efficacemente. Questa realtà rivela un'intuizione strategica: il mercato dei retrofit di impianti preesistenti è sostanziale e favorisce i fornitori che sviluppano kit di retrofit modulari e scalabili e che possiedono una profonda esperienza di integrazione con i sistemi di controllo più vecchi, come ad esempio ANSI/ISA-88.00.01 basate su architetture.
Valutazione del costo totale di proprietà e giustificazione del ROI
Analisi della struttura dei costi completa
Un'argomentazione commerciale convincente guarda oltre la spesa di capitale, al costo totale di proprietà. Nel caso del dosaggio di prodotti chimici, le spese operative, in particolare il consumo di prodotti chimici, rappresentano in genere il costo maggiore a lungo termine. Il dosaggio intelligente attacca direttamente questo aspetto, riducendo al minimo il sovradosaggio e ottimizzando la sinergia PAM/PAC. Inoltre, l'impiego di VFD sulle pompe dosatrici consente un notevole risparmio energetico rispetto alle pompe a velocità fissa. L'analisi finanziaria deve tenere conto di questi risparmi a fronte dell'aumento dei costi iniziali di sensori, controllori e software.
La proposta di valore più ampia: Mitigazione del rischio
La giustificazione del ROI va oltre i guadagni diretti di efficienza. La gestione automatizzata dei prodotti chimici riduce al minimo l'esposizione dei lavoratori alle sostanze pericolose, migliorando la sicurezza e riducendo la responsabilità. Un dosaggio preciso e documentato assicura una conformità costante, riducendo direttamente il rischio di multe. La registrazione dei dati del sistema fornisce un'indiscutibile traccia di controllo per la rendicontazione ambientale. Questo trasforma la proposta di valore da semplice risparmio di costi a garanzia e mitigazione del rischio operativo. Nei nostri confronti, gli impianti che hanno tenuto conto della riduzione del rischio di conformità hanno ottenuto periodi di ammortamento inferiori di 30-40% rispetto a quelli che hanno valutato i soli risparmi chimici.
Struttura del costo totale di proprietà
| Categoria di costo | Driver chiave | Impatto del dosaggio intelligente |
|---|---|---|
| Spese in conto capitale (CAPEX) | Hardware e installazione | Investimento iniziale |
| Spese operative (OPEX) | Consumo di sostanze chimiche | 10-30% riduzione tipica |
| Costi energetici | Funzionamento della pompa | I VFD riducono i consumi |
| Conformità e sicurezza | Multe regolamentari, rischio di esposizione | Riduce al minimo la responsabilità e i rischi |
| Manutenzione | Pulizia del sensore, calibrazione | Le routine automatizzate riducono la manodopera |
Fonte: Documentazione tecnica e specifiche industriali.
Questa ripartizione del TCO evidenzia dove i sistemi intelligenti creano valore. La riduzione degli OPEX (prodotti chimici) e l'attenuazione dei costi di conformità spesso giustificano l'aumento del CAPEX iniziale, a condizione che l'analisi catturi tutti i fattori di costo rilevanti nell'arco di un ciclo di vita realistico.
Implementazione del sistema: Una tabella di marcia del progetto per fasi
Un approccio strutturato per ridurre al minimo i rischi
Un'implementazione per fasi è fondamentale per gestire la complessità e garantire il successo dell'integrazione. La fase 1 prevede una caratterizzazione completa del processo: l'esecuzione di test in giara nelle condizioni previste e una verifica completa dell'infrastruttura, dei sistemi di controllo e dei protocolli di comunicazione esistenti. La fase 2 si concentra sui test pilota e sullo sviluppo degli algoritmi, utilizzando un'unità di prova montata su skid per adattare la logica di controllo alla chimica delle acque reflue specifica del sito e convalidare le ipotesi di prestazione.
Installazione graduale e integrazione strategica
La fase 3 consiste nell'installazione graduale dell'hardware e nell'integrazione con lo SCADA dell'impianto. Spesso si inizia con un singolo treno di trattamento o un punto di alimentazione chimico chiave. Il lavoro di integrazione, in particolare il collegamento con i sistemi di controllo distribuiti esistenti, richiede una pianificazione meticolosa. L'obiettivo finale strategico di tale implementazione è quello di consentire modelli operativi avanzati. La convergenza di monitoraggio remoto affidabile, dosaggio predittivo e dati sulle prestazioni apre le porte a contratti basati sui risultati o a offerte “Water-as-a-Service”. Ciò può trasformare la spesa in conto capitale di un cliente in una spesa operativa, creando al contempo nuovi flussi di valore ricorrenti per i fornitori di servizi avanzati. Sistemi intelligenti di dosaggio di sostanze chimiche.
Architettura dei componenti del sistema
| Componente | Funzione primaria | Specifiche/caratteristiche chiave |
|---|---|---|
| Pompe dosatrici di precisione | Dosaggio di sostanze chimiche | Azionamenti a frequenza variabile (VFD) |
| Analizzatori online | Monitoraggio della qualità dell'acqua in tempo reale | Torbidità, pH, corrente di flusso |
| Unità di preparazione automatizzata | Attivazione del polimero (PAM) | Assicura una viscosità costante della soluzione |
| Controllore logico programmabile (PLC) | Esegue gli algoritmi di dosaggio | Si integra con lo SCADA dell'impianto |
| Interfaccia uomo-macchina (HMI) | Supervisione e controllo operativo | Visualizzazione dei dati in tempo reale |
Fonte: ISO 15839:2018 Qualità dell'acqua - Sensori/apparecchiature di analisi in linea per l'acqua - Specifiche e prove di prestazione. Questo standard specifica i requisiti di prestazione e affidabilità degli analizzatori online (torbidità, pH) che sono fondamentali per fornire i dati di feedback in tempo reale su cui vengono prese decisioni di dosaggio intelligenti.
Questa tabella definisce i pilastri hardware e software del sistema. Il successo dell'implementazione dipende non solo dalla scelta dei singoli componenti in base a queste specifiche, ma anche dalla garanzia che siano progettati per funzionare come un'unità coesa e interoperabile.
La decisione di implementare un sistema di dosaggio intelligente si basa su tre priorità: definire il livello di intelligenza di controllo richiesto, oltre l'automazione di base, impegnarsi nel lavoro di base empirico di test completi dei vasi e di calibrazione del sistema e adottare un obiettivo di costo totale di proprietà che valorizzi la mitigazione del rischio insieme al risparmio di sostanze chimiche. Una tabella di marcia per l'implementazione graduale non è negoziabile per gestire il rischio tecnico e ottenere una perfetta integrazione con i controlli dell'impianto esistente.
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Domande frequenti
D: Come si giustifica il ROI di un sistema di dosaggio intelligente al di là del semplice risparmio di prodotti chimici?
R: Il business case è incentrato sul costo totale di proprietà, dove il consumo di energia è spesso il costo maggiore a lungo termine. I sistemi intelligenti ottimizzano l'uso dei prodotti chimici e utilizzano azionamenti a frequenza variabile sulle pompe, riducendo direttamente la spesa energetica. Il ROI si estende alla mitigazione dei rischi, riducendo al minimo l'esposizione dei lavoratori a sostanze chimiche pericolose e assicurando un dosaggio preciso e documentato per una costante conformità normativa. Ciò significa che le strutture che devono affrontare l'aumento dei costi energetici o i limiti di scarico più severi devono valutare il ROI in base alla riduzione del rischio operativo, non solo alla spesa di capitale iniziale.
D: Qual è il primo passo fondamentale per calibrare un sistema di dosaggio intelligente PAM/PAC?
R: La calibrazione del sistema deve iniziare con un test completo sui vasi per stabilire la relazione empirica di base tra i dosaggi di PAC e PAM. Questa procedura di laboratorio definisce le variabili critiche e non intercambiabili del dosaggio, dell'energia di miscelazione e della sequenza di aggiunta dei prodotti chimici. I controllori intelligenti utilizzano questi risultati come setpoint iniziali prima che i loro algoritmi adattivi prendano il sopravvento. Per i progetti con influenze molto variabili, è necessario pianificare test in vasca prolungati in diverse condizioni per costruire una solida base di dati per il sistema di controllo.
D: Qual è l'algoritmo di controllo migliore per gestire le variazioni improvvise della qualità dell'afflusso, come un picco di torbidità?
R: Il controllo Feedforward è progettato specificamente per rispondere ai disturbi misurati in ingresso prima che abbiano un impatto sulla qualità dell'effluente finale. Regola le velocità delle pompe chimiche in base ai dati dei sensori in tempo reale del flusso di acque reflue in ingresso. Questo approccio proattivo viene poi messo a punto dal controllo di retroazione a valle. Se il vostro impianto subisce carichi d'urto frequenti o severi, date la priorità a un'architettura di sistema che integri una solida logica di feedforward con analizzatori online affidabili che soddisfino standard di prestazioni quali ISO 15839:2018.
D: Quali sono i principali ostacoli tecnici quando si installa un sistema di dosaggio intelligente in un impianto di trattamento preesistente?
R: Le sfide principali sono l'integrazione con l'infrastruttura PLC/SCADA esistente e la garanzia di condizioni idrauliche adeguate per la miscelazione e la reazione chimica. Anche l'incoerenza della preparazione dei polimeri e l'incrostazione dei sensori rappresentano rischi operativi significativi che richiedono funzioni di mitigazione automatizzate. Questa realtà significa che i progetti di retrofit richiedono un profondo supporto ingegneristico di processo da parte dei fornitori, non solo la fornitura di apparecchiature. Prima di finalizzare qualsiasi progetto di retrofit, è necessario condurre una verifica dettagliata dell'attuale architettura di controllo e del profilo idraulico.
D: Come fanno i sistemi intelligenti a gestire la relazione non lineare tra il pH dell'acqua e l'efficienza del coagulante?
R: Questi sistemi regolano automaticamente la dose o il tipo di coagulante in risposta alle misurazioni del pH in tempo reale effettuate dagli analizzatori online integrati. Poiché le prestazioni del coagulante dipendono fortemente dal pH, l'algoritmo di controllo è programmato con curve di risposta specifiche per il sito, derivate dai test iniziali sui vasi. Questo adattamento continuo è un vantaggio fondamentale rispetto all'automazione di base. Se il pH delle acque reflue fluttua in modo significativo, è necessario specificare gli analizzatori con pulizia automatica per mantenere dati affidabili per queste regolazioni critiche.
D: Quali standard garantiscono l'affidabilità dei sensori online utilizzati per il controllo del dosaggio ad anello chiuso?
R: Le prestazioni e le specifiche delle apparecchiature di monitoraggio online della qualità dell'acqua sono definite da ISO 15839:2018. Questo standard stabilisce i requisiti e i metodi di prova per parametri chiave come la torbidità e il pH, che costituiscono il feedback essenziale per gli algoritmi di dosaggio. Per le tubazioni chimiche associate, standard di tracciabilità come ISO 12176-4:2003 supportare l'integrità del sistema. Nel valutare i fornitori, richiedere la documentazione di conformità alla norma ISO 15839 per garantire l'accuratezza dei dati del sensore per il processo decisionale automatizzato.
D: Perché si raccomanda una tabella di marcia per l'implementazione graduale di un sistema di dosaggio intelligente?
R: Un approccio graduale minimizza il rischio separando la caratterizzazione, lo sviluppo dell'algoritmo e l'integrazione dell'hardware in fasi distinte. Si inizia con la valutazione completa del sito e il test del vaso (Fase 1), si procede con i test pilota e l'adattamento della logica di controllo (Fase 2) e si culmina con l'installazione a tappe e l'integrazione SCADA (Fase 3). Per i siti complessi con infrastrutture preesistenti, questa progressione metodica è indispensabile per evitare costosi errori di integrazione e garantire che gli algoritmi di controllo siano correttamente sintonizzati sulla chimica specifica delle acque reflue.
