Capitolo 4

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CAPITOLO IV: INTRODUZIONE ALLA PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE

IMPATTO DEI FLUSSI E DEI CARICHI IDRAULICO ED ORGANICO SUL PROGETTO 2 VALUTAZIONE E SELEZIONE DEI FLUSSI DI PROGETTO 3 PREVISIONE DEI FLUSSI MEDI 3 GIUSTIFICAZIONE LOGICA PER LA SELEZIONE DEI FATTORI DI FLUSSO 3 FATTORI DI FLUSSO MINIMO E DI PICCO 3 VALUTAZIONE E SELEZIONE DEI DI CARICHI DI MASSA DI PROGETTO 5 VARIAZIONI DI CONCENTRAZIONE DEI COMPONENTI DELL’ACQUA REFLUA 5 ANALISI DEI CARICHI DI MASSA 7 PICCHI DI CARICO PROLUNGATI 8 L'IMPATTO DELLE SOSTANZE TOSSICHE ED ALTRI INQUINANTI INIBITORI DEL PROCESSO BIOLOGICO 11 SELEZIONE DEL PROCESSO 12 FATTORI IMPORTANTI NELLA SCELTA DEL PROCESSO 12 SCELTA DEL PROCESSO IN BASE ALLA CINETICA DI REAZIONE 14 TIPOLOGIA DI REATTORI 14 CARATTERISTICHE IDRAULICHE DEI REATTORI 16 REGIME DI FLUSSO E COMBINAZIONI DI PIÙ REATTORI 18 SELEZIONE DELLE ESPRESSIONI DI VELOCITÀ DI REAZIONE 19 APPLICAZIONE DELL'ANALISI DEL BILANCIO DI MASSA. 19 SCELTA DEL PROCESSO IN BASE A RELAZIONI EMPIRICHE 29 L'IMPATTO DELLE VARIAZIONI DI PORTATA E DEL CARICO ORGANICO 30 AFFIDABILITÀ NELLA SELEZIONE E PROGETTO DEL PROCESSO 31 ELEMENTI CONCETTUALI DI PROCESSO APPLICATI AL PROGETTO 32 PERIODO DI ATTIVITÀ DELLE OPERE E DEGLI IMPIANTI 32 DIAGRAMMA DI FLUSSO DEL PROCESSO 32 STABILIRE I CRITERI DI DIMENSIONAMENTO 35 DIMENSIONARE IN MODO PRELIMINARE LE VARIE UNITÀ DI TRATTAMENTO 35 PREPARARE I BILANCI DI MASSA DELLE DIVERSE O.U. 35 EFFETTUARE DELLE CONSIDERAZIONI SULLA POSIZIONE DEL SITO DI COSTRUZIONE 35 VALUTAZIONE DELL’IDRAULICA DELL’IMPIANTO 1

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CAPITOLO IV: INTRODUZIONE ALLA PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE In questa parte del corso vengono messi in risalto gli aspetti preliminari della progettazione che sono: - IMPATTO DEI FLUSSI E DEI CARICHI IDRAULICO ED ORGANICO SUL PROGETTO - VALUTAZIONE E SELEZIONE DEI FLUSSI - VALUTAZIONE E SELEZIONE DEI CARICHI - SELEZIONE DEL PROCESSO - ELEMENTI CONCETTUALI DI PROCESSO APPLICATI AL PROGETTO

IMPATTO DEI FLUSSI E DEI CARICHI IDRAULICO ED ORGANICO SUL PROGETTO Normalmente, il dimensionamento di un impianto di depurazione si basa sulla media giornaliera dei flussi di materia (carico idraulico e carico organico) calcolata in un anno. Devono essere considerati, inoltre i picchi di flusso idraulico al fine di un corretto dimensionamento delle condutture. Analogamente, i picchi di carico organico sono importanti per il dimensionamento delle varie unità di processo Nella seguente tabella sono illustrati i principali fattori che vanno tenuti in considerazione nella prima fase di progetto

tabella 4. 1: fattori da considerare in fase di progetto

fattore Applicazione In base alla portata Picco oraria Dimensionamento sistema di pompaggio e di

condutture; dimensionamento grigliatura Dimensionamento unità fisiche: desabbiatura, vasche

di sedimentazione, filtri; dimensionamento vasca di contatto per clorazione

Massima giornaliera Dimensionamento del sistema di pompaggio Massimo prolungato Grigliatura e stoccaggio sabbia Massimo settimanale Archiviazione e resoconto Massimo mensile Archiviazione e resoconto; dimensionamento

stoccaggio reagenti Minimo orario Dimensionamento cicli on-off delle pompe di

sollevamento e fondo scala per gli strumenti di misura del flusso

Minimo giornaliero Dimensionamento condotte di ingresso per evitare deposizione solidi; dimensionamento ricircolo effluente per filtri percolatori

3

effluente per filtri percolatori Minimo mensile Scelta di un numero minimo di unità operative

richieste durante un periodo di basso flusso Basato sui carichi di massa Massimo giornaliero Dimensionamento delle unità del processo biologico

selezionato Massimo prolungato Dimensionamento ispessimento e disidratazione

fanghi Picchi sostenuti Dimensionamento delle unità del processo dei fanghi

selezionate Massimo mensile Dimensionamento dello stoccaggio in linea fanghi;

dimensionamento compostaggio Minimo giornaliero Dimensionamento ricircolo filtri percolatori

VALUTAZIONE E SELEZIONE DEI FLUSSI DI PROGETTO La procedura per una corretta valutazione e selezione dei flussi in fase di progetto comprende lo sviluppo dei flussi medi basati sulla popolazione servita e sui possibili aumenti di popolazione, sui contributi di flussi industriali e di possibili infiltrazioni. I flussi medi sono moltiplicati per appropriati fattori di picco. Per lo sviluppo dei flussi medi e i flussi di picco si considera: a) lo sviluppo e la previsione dei flussi medi giornalieri; b) giustificazione logica nella scelta dei fattori di flusso; c) applicazione dei fattori di minimo flusso e picco massimo; d) controllo a monte dei flussi di picco che possono influenzare il progetto dell'impianto. Previsione dei flussi medi Lo sviluppo e la previsione dei flussi medi è necessaria al fine di determinare la portata e le esigenze idrauliche del sistema di trattamento. Si considerano:

- i flussi attuali di base (oppure le stime generiche (250-270 l/a.e. g) qualora non vi siano dati disponibili); - la stima dei flussi futuri; - le infliltrazioni.

Giustificazione logica per la selezione dei fattori di flusso Ciò è basato su considerazioni idrauliche e di processo. Le singole unità di processo e le condutture devono essere dimensionate correttamente anche in funzione dei picchi di flusso massimo e minimo. E' inoltre necessario provvedere all'installazione di by-pass, anche se le varie unità di processo devono assicurare l'atto depurativo in termini di rimozione del BOD, SS, etc., nel più ampio intervallo di carico idraulico. Fattori di flusso minimo e di picco Nel progetto di un impianto di depurazione è necessario tenere in considerazione i fattori di flusso minimo, in particolare durante il primo periodo di marcia dell'impianto, quando lavora al di sotto delle condizioni idrauliche di progetto.

4

Devono inoltre essere previsti eventuali ricircoli dell'effluente dell'impianto al fine di assicurare l'autosostentamento del processo. In assenza di dati riguardanti i flussi, il minimo flusso giornaliero viene considerato come il 30-50% del flusso medio per impianti per piccole-medie comunità. I picchi di flusso orari sono usati per il dimensionamento del sistema di condutture idrauliche ed altre unità di processo come la sedimentazione e la vasche di clorazione, dove è disponibile un piccolo volume per lo smorzamento del flusso. Altri fattori di picco come quello massimo settimanale e mensile caratterizzano il dimensionamento di altre unità di trattamento, in particolare quelle relative alla linea fanghi, dove, generalmente i tempi di ritenzione sono più lunghi. I fattori di flusso sono calcolati in base a:

- DATI EMPIRICI raccolti direttamente nell'area interessata;

- STIME basate su dati pubblicati. La curva della seguente figura illustra l'andamento del fattore di picco orario, in funzione del flusso medio; esso è stato sviluppato dall'analisi di dati raccolti negli U.S.A.

figura 4. 1: fattore di picco orario per acque domestiche

Ulteriori considerazioni devono essere fatte nel progetto per una adeguata gestione dei picchi di flusso:

1) OTTIMIZZAZIONE NEL SISTEMA DI COLLETTAMENTO DELLE ACQUE AL FINE DI RIDURRE AL MINIMO I PICCHI DOVUTI AD INFILTRAZIONI ESTERNE;

2) INSTALLAZIONE DI SISTEMI DI EQUALIZZAZIONE PER ASSICURARE LO STOCCAGGIO TEMPORANEO IN FASE DI COLLETTAMENTO O A MONTE DELL'IMPIANTO DI TRATTAMENTO.

Migliaia di Abitanti Equivalenti

1.43 2 5 10 20 50 100 200 500 1000

4

3

2

1,5

0380 760 1890 3785 7570 18930 37855 75710 189270 378540

Porta media m3/d

Fa

tto

re d

i p

icco 4

3

2

1,50

1430

Migliaia di Abitanti Equivalenti

1.43 2 5 10 20 50 100 200 500 1000

4

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1,5

0380 760 1890 3785 7570 18930 37855 75710 189270 378540

Porta media m3/d

Fa

tto

re d

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3

2

1,50

1430

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VALUTAZIONE E SELEZIONE DEI DI CARICHI DI MASSA DI PROGETTO Al fine di una corretta valutazione e selezione dei carichi è necessario determinare:

- LE VARIAZIONI DELLE CONCENTRAZIONI DEI DIVERSI PARAMETRI NELLE ACQUE REFLUE;

- L'ANALISI DEI CARICHI MEDI E PICCHI DI CARICO;

- L'IMPATTO DELLE SOSTANZE TOSSICHE ED ALTRI INQUINANTI INIBITORI DEL PROCESSO BIOLOGICO.

Variazioni di concentrazione dei componenti dell’acqua reflua Un impianto progettato senza tener conto dei fattori di picco, ma solamente delle condizioni medie, risulta sicuramente deficitario. In alcune comunità il valore di concentrazione di picco del BOD o dei TSS in arrivo può raggiungere il doppio del valore medio. È inoltre importante considerare che i picchi di flusso e di carico di massa in BOD e TSS non arrivano contemporaneamente, per cui un progetto basta sulla contemporaneità degli eventi, risulterebbe sovradimensionato. Le principali cause responsabili delle variazioni di carico sono:

- le abitudini della comunità residente, che può portare a variazioni orarie, giornaliere o settimanali;

- la stagionalità, che normalmente provoca variazioni a lungo termine;

- le attività industriali che possono essere causa di variazioni a breve e a lungo termine. Nella seguente figura, fig 4.2, sono riportati gli andamenti giornalieri tipici di alcuni parametri in ingresso ad un impianto di depurazione. Quella illustrata in figura è una variabilità a breve termine. figura 4. 2: tipica variazione della portata e della concentrazione in acque domestiche

18930 m3/d

15140 m3/d

11360 m3/d

7570 m3/d

3785 m3/d

0 m3/d

18930 m3/d

15140 m3/d

11360 m3/d

7570 m3/d

3785 m3/d

0 m3/d

12 16 8 12 16 8 24

PORTATA

SOLIDI SOSPESI

BOD

500 mg/l

400 mg/l

300 mg/l

200 mg/l

100 mg/l

0 mg/l

Ore del g iorno

18930 m3/d

15140 m3/d

11360 m3/d

7570 m3/d

3785 m3/d

0 m3/d

18930 m3/d

15140 m3/d

11360 m3/d

7570 m3/d

3785 m3/d

0 m3/d

12 16 8 12 16 8 24

PORTATA

SOLIDI SOSPESI

BOD

500 mg/l

400 mg/l

300 mg/l

200 mg/l

100 mg/l

0 mg/l

Ore del g iorno

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I flussi derivanti da soli insediamenti domestici, in cui non sono apprezzabili i contributi delle infiltrazioni, hanno una variazione giornaliera che si ripete costantemente nel corso dell’anno, il valore del carico di massa varierà invece a seconda delle abitazioni servite. Nelle reti combinate, le variazioni stagionali di BOD e TSS sono funzione della quantità di acqua piovana che entra nella rete. Durante le piogge la concentrazione media di questi componenti è generalmente più bassa dei valori che si riscontrano nelle sole reti domestiche. La figura 4.3 mostra la variazione stagionale di BOD che si registra in un impianto degli Stai Uniti. Sebbene durante le piogge la concentrazione in BOD e TSS si abbassa, un carico significativamente più alto si può registrare durante le cosiddette “acque di prima pioggia” soprattutto se la pioggia segue un periodo di secco prolungato: il materiale depositato viene trascinato all’interno della rete fognante. L’infiltrazione è un altro fattore che tende a far diminuire la concentrazione di BOD e TSS, ma dipende dalle caratteristiche dell’acqua che recapita nella fogna. Nel caso in ci il terreno contenga alti livelli di sostanze inorganiche, esse possono ritrovarsi nella acqua reflua. Il grafico di figura 4.4 mette in relazioni carichi idraulici con la concentrazione ed il carico di massa in TSS in un impianto acque reflue civili .

figura 4. 3: variazione di portata e di concentrazione del BOD in un impianto di statunitense,

concentrazione

carico

mesi

BO

D

med

ia m

ensi

le(5

ann

i)

porta

ta

med

ia m

ensi

le(5

ann

i)

7

figura 4. 4: variazioni in portata e concentrazioni di TSS registrate in un impianto in provincia di Ancona

Diverso è il caso di reflui industriali in cui le concentrazioni di BOD e TSS possono cambiare significativamente durante il giorno. analisi dei carichi di massa L'analisi dei dati relativi alle acque reflue comprende la determinazione delle variazioni dei flussi e dei carichi. Questa analisi comprende le medie semplici o pesate delle concentrazioni degli specifici parametri. La media semplice della concentrazione è espressa come:

∑=

=n

1iix

n1

x

dove: x = concentrazione media aritmetica del parametro

n = numero di osservazioni xi = concentrazione media del parametro durante il periodo i.

La media pesata della concentrazione è espressa come:

∑

∑

=

== n

1ii

n

1iii

w

q

qxx

0

4000

8000

12000

16000

20000

16/11 24/2 4/6 12/9 21/12 31/3 9/7 17/10 25/1

m3/

d

kgT

SS

/d

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

mgT

SS

/l

TSS kg/d Q m3/d TSSmg/l

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dove: xw = concentrazione media pesata del parametro

n = numero di osservazioni xi = concentrazione media del parametro durante il periodo i

qi = flusso medio durante il periodo i. Il carico medio di un parametro (BOD, COD, etc.) è generalmente espresso in Kg/d :

Carico (Kg/d) = (concentrazione, g/m3)(portata, m3/d) / 103(g/kg) (da ricordare che nel sistema di misura SI la concentrazione espressa in milligrammi per litro corrisponde a grammi per metro cubo.) L’impatto della variabilità del BOD influente in un impianto si risente in particolar modo nel processo biologico per cui in fase di progettazione deve esserne tenuto conto. picchi di carico prolungati Nel dimensionamento di un impianto di depurazione che operi sotto diverse condizioni di carico devono essere disponibili dati che consentono di ricostruire le condizioni con cui si opererà, attraverso lo studio dei picchi di carico prolungati. Quando non è presente una serie storica di dati, si utilizzano dati di letteratura espressi sotto forma delle curve mostrate in figura 4.5

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figura 4. 5: rapporto tra massimi e minimi prolungati e carico di massa medio per BOD, SS, Azoto e Fosforo, rispettivamente

Numero di giorni consecutivi in cui il carico di massa è sostenuto

Rap

port

o tr

a ca

richi

mas

sim

i e

min

imi p

rolu

ngat

i val

ore

med

io

Valore tipico


Rap

porto

tra

caric

hi m

assi

mi e

m

inim

i pro

lung

ati v

alor

e m

edio

Valore tipico


Rap

porto

tra

caric

hi m

assi

mi e

m

inim

i pro

lung

ati v

alor

e m

edio


Rap

port

o tr

a ca

richi

mas

sim

i e

min

imi p

rolu

ngat

i val

ore

med

io

Valore tipico


Rap

porto

tra

caric

hi m

assi

mi e

m

inim

i pro

lung

ati v

alor

e m

edio

Valore tipico


Rap

porto

tra

caric

hi m

assi

mi e

m

inim

i pro

lung

ati v

alor

e m

edio

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Tali curve si costruiscono secondo la procedura di:

1) determinare il carico medio per il periodo della registrazione dei dati;

2) annotare, nel periodo di registrazione dei dati, i valori di massimo e minimo carico prolungato giornaliero; questi valori sono divisi per il carico medio ed il risultato viene posto in grafico;

3) si segue la stessa procedura per 2 giorni consecutivi di picco prolungato di carico, 3 giorni consecutivi, etc., per il periodo di interesse (generalmente 10-30 giorni). Esempio di costruzione di curva di picco di carico prolungato per BOD

Si consideri una portata media giornaliera di periodo di 1 m3/sec e la concentrazione media su lungo periodo del BOD 200mg/L.

1- si calcoli il carico medio giornaliero in BOD, come portata per concentrazione. Per ottenere i kg/d si ricordi di trasformare i mg/l, cioè i g/m3 in kg/m3 e i m3/sec in m3/d.

quindi : ( ) ( ) ( ) ( ) ( )d/kg17280d/3m246060sec/3m13m/kg1000

13m/g200 =∗∗∗∗∗

2- dalla curva dei carichi di massa in figura 4.5, si riesce a costruire la tabella sottostante

lunghezza del picco prolungato

fattore di picco

carico di massa di picco del BOD

carico di massa totale

d kg/d kg 1 2,4 41.472 41.472 2 2,1 36.288 72.576 3 1,9 32.832 98.496 4 1,8 31.104 124.416 5 1,7 29.376 146.880 10 1,4 24.192 241.920 15 1,3 22.464 336.960 20 1,25 21.600 432.000 30 1,15 19.872 596.160 365 1,0 17.280 6.307.200

In cui le colonna 1 e 2 sono dedotte dai dati di figura 4.5 (a), la colonna 3 è costruita dal dato medio moltiplicato il fattore di picco, mentre la colonna 4 che rappresenta la massa totale che l’impianto riceverebbe in un periodo stabilito, è data dalla moltiplicazione tra il carico di massa di picco relativo al periodo considerato per i giorni che costituiscono il periodo. Un plottaggio dei dati ricavati evidenzia maggiormente la situazione.

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figura 4. 6: curva derivante dall’analisi dei picchi

l'impatto delle sostanze tossiche ed altri inquinanti inibitori del processo biologico Metalli pesanti e non metalli, tra cui i composti organici, possono entrare nell’acqua reflua ed avere un effetto tossico o inibente per i trattamenti. Una lista di inquinanti che possono avere un effetto inibitorio sui processi a fanghi attivi, è mostrata nella tabella 4.2 I metalli in questione possono interagire con gli enzimi e ritardare o bloccare del tutto il metabolismo microbico. Metalli pesanti presenti nel precipitato possono passare in soluzione se sussiste un cambiamento di pH; composti complessi in determinate condizioni possono rilasciare metalli che inibiscono il processo biologico. È bene quindi prevedere, in caso di liquami con contenuto di metalli pesanti, alcuni pretrattamenti prima del processo biologico. La presenza di metalli pesanti inoltre si riscontra anche nell’effluente e nei fanghi rendendo critico il loro smaltimento (un fango contenente metalli pesanti non può essere smaltito sui terreni ma in particolari discariche).

0

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

700.000

0 5 10 15 20 25 30

lunghezza del carico di picco prolungato , d

cari

co d

i mas

a to

tale

BO

D,

kg/d

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

fatt

ore

di p

icco

BOD totale

fattore di picco

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tabella 4. 2:concentrazione limite delle sostanze potenzialmente inibenti,

concentrazione, mg/L inquinante rimozione carbonio nitrificazione alluminio 15-26 ammoniaca 480 arsenico 0,1 borato 0,05-100 cadmio 10-100 calcio 2500 cromo(esavalente) 1 - 10 0,25 cromo(trivalente) 50 rame 1 0,005-0,5 cianuro 0,1-5 0,34 ferro 1000 manganese 10 magnesio 50 mercurio 0,1-5,0 nichel 1,0-2,5 0,25 argento 5 solfato 500 zinco 0,8-10 0,08-0,5 fenoli fenolo 200 4- 10 cresolo 4- 16 2-4 dinitrofenolo 150

SELEZIONE DEL PROCESSO Al fine di una corretta selezione del processo è necessario considerare:

1) alcuni importanti fattori nella selezione del processo in seguito elencati;

2) l'analisi cinetica;

3) relazioni empiriche;

4) l'impatto delle variazioni di portata e del carico organico;

5) affidabilità di processo in funzione delle esigenze di depurazione. FATTORI IMPORTANTI NELLA SCELTA DEL PROCESSO Uno degli aspetti fondamentali nella progettazione degli impianti di trattamento risiede nell’analisi e nella scelta del processo in grado di ottemperare ai requisiti richiesti. Una sintesi dei fattori da considerare è evidenziato nella tabella 4.3:

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tabella 4. 3: fattori per la scelta del processo

Applicabilità del processo Si valuta sulla base di esperienze precedenti, serie di dati disponibili e in caso di nuova tecnologia sulla sperimentazione in impianti pilota

Range di portata applicabile Il processo deve essere attuato al range di portate atteso Variazioni di flusso applicabile La maggior parte delle operazioni unitarie e dei processi

devono essere progettate per lavorare ad ampie variazioni di portate. Molti processi lavorano bene a portate costanti, quindi è necessario prevedere un sistema di equalizzazione.

Caratteristiche acque reflue in ingresso Le caratteristiche dell’influente incidono sul tipo di processo da utilizzare (i.e. chimico o biologico) e sui requisiti per una corretta operazione

Componenti inibitori e recalcitranti Quali componenti sono presenti e quali di essi possono inibire i processi o non vengono abbattuti durante il trattamento

Vincoli climatici La temperatura influisce sulla velocità delle reazioni chimiche e biologiche. La temperatura può anche influenzare il funzionamento degli strumenti. Temperature miti possono accelerare la generazione di odori.

Cinetiche di reazione e scelta del reattore Il dimensionamento del reattore è basto sulle cinetiche che governano il processo. I dati per le espressioni cinetiche possono derivare dalle esperienze, dai dati di letteratura e dagli studi su impianti pilota.

Prestazioni Le prestazioni in genere si misurano in termini di qualità dell’effluente che deve essere conforme ai requisiti di scarico esistenti

Trattamento del materiale di scarto Il tipo e le quantità di scarti solidi, liquidi e gassosi deve essere noto o stimato

Trattamento dei fanghi Esistono dei vincoli per cui il trattamento fanghi potrebbe risultare non fattibile o molto dispendioso? Come possono i carichi di ricircolo dal processo dei fanghi influenzare il funzionamento o i processi dell’unità i linea acque? La scelta del processo dei fanghi deve essere compiuta di pari passo con i trattamenti in linea acque.

Vincoli ambientali Fattori ambientali quali venti, vicinanza alle aree residenziali può influenzare la scelta di alcuni processi quando questi comportano l’emissioni di odori. Traffico e rumore possono incidere sulla scelta del sito. Le acque di recapito potrebbero avere limitazioni speciali su alcuni specifici costituenti, come ad esempio i nutrienti.

Richiesta di prodotti chimici Quali e quanti prodotti chimici devono essere commissionati per garantire il funzionamento a lungo delle varie operazioni. Quali effetti po’ avere l’aggiunta di reagenti chimici sulle caratteristiche dei residui e quanto può costare il loro il trattamento.

Richiesta di energia È necessario conoscere le richieste energetiche ed i costi correlati se devono essere stabiliti gli effettivi costi di trattamento.

Richiesta di personale Quante persone con quale grado di specializzazione sono richieste per far funzionare i processi o le operazioni unitarie. Prevedere corsi di formazione se non disponibile personale adeguato.

Processi ausiliari Quali processi di supporto sono necessari e come influenzano le caratteristiche dell’effluente quando non funzionano

Affidabilità Quale è l’affidabilità a lungo termine del processo considerato. Può essere facilmente sostituito da un altro. Può supportare improvvisi shock di carico e come influenzano la qualità

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dell’effluente. Difficoltà Quanto risulta complesso il processo per funzionare in

condizioni di routine o di emergenza. Quale grado di conoscenza deve avere il personale per far funzionare il processo.

Compatibilità Il processo o l’unità operativa può funzionare correttamente con le apparecchiature esistenti? L’espansione dell’impianto può essere realizzata facilmente?

Disponibilità di spazi Esiste spazio a sufficienza per ospitare non solo l’esistente ma anche in previsione di una espansione futura? Quanto spazio è necessario per preservare l’orizzonte e minimizzare l’impatto visivo?

SCELTA DEL PROCESSO IN BASE ALLA CINETICA DI REAZIONE I trattamenti biologici dei reflui avvengono in vasche di vario tipo in condizioni di esercizio controllate. Tipicamente le trasformazioni chimiche e biologiche avvenute in un reattore sono seguite da un sedimentatore dove avviene la separazione solido liquido dei prodotti di reazione. Nel seguente paragrafo sono esposti i principali tipi di reattori dove avvengono le reazioni chimiche e biologiche di interesse. Tipologia di reattori Nell’industria e negli impianti di trattamento acque esistono diverse tipologie di reattori applicati denominati “reattori singoli ideali”: qualunque tipo di reattore, per complesso che sia, può essere ricondotto ad uno di questi schemi ideali o comunque ad una combinazione di questi. I reattori singoli ideali sono di tre tipi (figura 4.7): -reattore discontinuo completamente miscelato (BATCH); -reattore continuo con flusso a pistone (Plug Flow Reactor, PFR o PTFR, T= tubolar) -reattore continuo completamente miscelato (Completely Stirred Tank Reactor, CSTR) Per rappresentare uno schema di flusso di un reattore attraversato da un fluido, si assumono , come “casi limite” i modelli ideali di flusso a pistone e di completa miscelazione. figura 4. 7:i tre tipi di reattori ideali: (a) reattore discontinuo; (b) reattore con flusso a pistone; (c) reattore continuo a mescolamento

Si parla di flusso a pistone quando la velocità del fluido è uniforme in tutte le sezioni trasversali del reattore: ogni elemento che entra nella vasca avanza senza interazioni con gli elementi entrati

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precedentemente o successivamente, non c’è quindi mescolamento con nessun altro elemento lungo la direzione del flusso. L’unico mescolamento è quello normale all’asse del reattore. Si parla invece di miscelazione completa nel caso in cui il contenuto del reattore è completamente omogeneo, fino a scala molecolare: le caratteristiche dell’effluente sono uguali a quelle del refluo all’interno della vasca, infatti ogni punto all’interno del reattore è caratterizzato dallo stesso valore delle variabili caratteristiche (temperatura, concentrazione, densità, viscosità, ecc.) ciò è vero sia in regime continuo che discontinuo. La differenza tra un reattore batch, discontinuo o a cariche, ed un CSTR alimentato in continuo è infatti l’elemento tempo: per il BATCH tale condizione è vera per ogni istante caratteristico t, mentre i valori delle variabili cambiano con continuità al variare di t. Nel CSTR i valori delle variabili rimangono uguali indefinitivamente in condizioni di regime stazionario. In realtà si riscontra che gli schemi di flusso sono intermedi a queste due situazioni limite (PF e CSTR): all’interno di un reattore del tipo a plug flow, infatti si possono verificare fenomeni di dispersione del flusso o di parziale miscelazione tra le diverse sezioni trasversali. Si possono inoltre verificare alcuni fenomeni anomali del tipo:

q by-pass di una aliquota della portata entrante (quando una parte del flusso percorre la vasca con maggiore velocità);

q la formazione di spazi morti, cioè nel caso in cui in una porzione della vasca si formano volumi stagnanti con scambi di massa praticamente nulli,

q la formazione di ricircoli o comunque di zone con comportamento idrodinamico differente (Figura 4.8).

figura 4. 8: situazioni di volume morto e by-pass.

Alle tipologie descritte occorre aggiungere il reattore a letto impaccato ed il reattore a letto fluido, schematizzati secondo la figura 4.9

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figura 4. 9: schematizzazione reattori a letto fisso e letto fluido

Il reattore a letto impaccato (PBR) consiste in un reattore riempito con del materiale inerte (roccia, ceramica, plastica…) e percorso dal flusso, ascenzionale o discenzionale, in modo tale da impaccare ancora di più il letto. Il reattore può essere completamente sommerso (filtro anaerobico) o parzialmente (filtro percolatore). Il reattore a letto fluido (FBR) differisce dal primo per il verso di percorrenza del flusso che andando obbligatoriamente dal basso all’alto espande il letto. I fattori operativi che è necessario considerare nell’utilizzo di uno o più reattori sono:

1) la natura del refluo da trattare 2) la cinetica di reazione che governa il processo 3) i requisiti del processo 4) le condizioni ambientali locali

Caratteristiche idrauliche dei reattori Le caratteristiche idrauliche dei più comuni tipi di reattori vengono mostrate in figura 4.10. Per evidenziarle si perturba il sistema con un segnale in ingresso e si analizza il segnale di risposta in uscita. La perturbazione si realizza attraverso l’immissione di tracciante all’ingresso della vasca e la risposta si valuta attraverso l’osservazione nel tempo dell’andamento delle concentrazioni in uscita. Il tracciante è introdotto secondo una metodologia semplice, proponendo usualmente un segnale di tipo ad impulso o a scalino: nel segnale definito ad impulso si ha lo sversamento istantaneo di tutta la quantità di tracciante prevista, nel segnale a scalino il tracciante è dosato in portata costante per un tempo sufficientemente lungo. Si consideri un reattore in cui inizialmente non si abbia concentrazione di tracciante e si introduca un segnale a scalino di concentrazione co.. Se chiamiamo con c il valore della concentrazione in uscita, allora la curva F(t) , definita come c/c0 ha l’andamento mostrato in figura. Se il segnale immesso è ad impulso, allora la curva di risposta normalizzata viene chiamata C(t). La normalizzazione della curva si effettua dividendo la concentrazione c(t) per l’area sottesa dalla curva c(t).

Mezzo impaccato

Mezzo espanso

17

figura 4. 10: risposta dei vari tipi di reattori alla perturbazione a scalino e ad impulso

Gli schemi sopra riportati evidenziano la risposta idraulica in due reattori ideali, PF e CSTR, e in uno reale in cui il flusso non è definito. Nel caso di reattore plug-flow in cui viene immesso un tracciante, esso viene registrato dopo un tempo pari al tempo di ritenzione idraulica del reattore (pari a V/Q), a seconda dell’immissione a impulso o a scalino si ha registrazione in un istante o prolungata nel tempo. Nel reattore a completa miscelazione la registrazione del tracciante nei due casi è regolata dalla curva rappresentata. La realtà si discosta dai casi reali: nel caso in cui si abbia un reattore plug-flow non ideale, (come avviene in realtà) in cui quindi è presente dispersione assiale o fenomeni di disturbo nelle sezioni di ingresso e di uscita, la curva della concentrazione in uscita è rappresentata in figura 4.11

18

figura 4. 11: risposta di un reattore plug flow ideale e non ideale in caso di a) immissione di acqua pulita in reattore a concentrazione iniziale C0 , b) immissione di tracciante a concentrazione C0 in un reattore con acqua pulita

Regime di flusso e combinazioni di più reattori I più comuni regimi di flusso e combinazioni di reattori adottati nel campo del trattamento delle acque reflue vengono esposti nella figura che segue: figura 4. 12: regimi di flusso e combinazioni più comuni di reattori

ReattoreFlusso ingres.

By pass

Reattore

Ricircolo

Flusso ingres.

Reattore plug-flow

Flusso ingres.

Reattore plug-flow

Flusso ingres.

a)

d) e)

ReattoreFlusso ingres.

By pass

Reattore

Ricircolo

Flusso ingres.

Reattore plug-flow

Flusso ingres.

Reattore plug-flow

Flusso ingres.

a)

d) e)

0 0.5 1.0 1.5 2.0

1.0

0.5

0

Curve di risposta non ideali

Plug-fow ideale

C/C

0

0 0.5 1.0 1.5 2.0

1.0

0.5

0

C/C

0

Curve di risposta non ideali

Plug-fow ideale

a) b)

θ=t/t0 θ=t/t0

19

La soluzione illustrata in figura 4.12a , è utilizzata per raggiungere un grado intermedio di trattamento miscelando insieme diversi quantitativi di acque trattate e non trattate. Il regime di flusso adottato nello scema b è di solito utilizzato laddove è necessario ottenere un profondo controllo del processo. Gli ultimi due schemi di flusso si utilizzano quando si vuole evitare un forte carico in testa al reattore plug-flow, entrambi possono prevedere il ricircolo dell’effluente o il by-pass dell’influente. Selezione delle espressioni di velocità di reazione Nel progetto di un impianto di depurazione, le unità di processo sono dimensionate sulla base della velocità di reazione piuttosto che sulla base dell'equilibrio di reazione, poiché normalmente la reazione si completa in tempi molto lunghi. In questo caso, le quantità di sostanze chimiche in eccesso possono essere usate per portare a termine la reazione in un tempo ragionevole. La selezione delle espressioni delle velocità di reazione è basata su:

1) informazioni di letteratura; 2) esperienze relative a progetti e gestioni di sistemi simili; 3) dati provenienti da studi su impianti pilota.

il ricorso ad esperienze in impianti pilota è consigliabile quando devono essere sottoposte al trattamento acque con caratteristiche chimico-fisiche inusuali o quando deve essere sperimentata una nuova tecnologia. Applicazione dell'analisi del bilancio di massa. Il bilancio di massa rappresenta un modo conveniente di definire ciò che avviene in un impianto di trattamento come funzione del tempo. Per applicare il bilancio di massa in un reattore completamente miscelato, si assume che:

1. la portata in ingresso ed in uscita dal reattore è costante; 2. il liquido all'interno del reattore non è soggetto ad evaporazione; 3. il liquido all'interno del reattore è completamente miscelato; 4. la reazione chimica che coinvolge il reagente C avviene all'interno del reattore; 5. il gradiente di concentrazione del reagente C è governato secondo il modello del primo

ordine (rc = -kC).

La figura 4.13 rappresenta schematicamente l’individuazione di un sistema confinato all’interno del quale operare il bilancio di massa.

20

figura 4. 13: Schema definito per l’analisi del bilancio di massa in un reattore a completa miscelazione

Viste le assunzioni sopra elencate, il bilancio di massa può essere formulato nel modo seguente: La quantità di reagente accumulata nell’unità di tempo all’interno del sistema

=

Quantità di reagente che entra nell’unità di tempo nel sistema

-

Quantità di reagente che esce nell’unità di tempo dal sistema

+

Quantità di reagente che si produce (utilizza) nell’unità di tempo all’interno del sistema

Che semplificato può essere espresso come: Accumulo = Ingresso-Uscita+Generazione Ovvero:

VrQCQCVdtdC

Co +−=

ed esprimendo la velocità con kCrc −= si ottiene l’espressione:

( )kCVQCQCVdtdC

o −+−=

V = volume del reattore, L3 dC/dt = velocità di variazione della concentrazione del reagente c all’interno del reattore, ML-3T-1 Q= portata influente ed effluente il reattore, LT-1 Co= concentrazione del reagente nell’influente, ML-3 C= concentrazione del reagente nell’effluente, ML-3

Contenitore V,C

Q,CQ,C0

Mixer

Confine del sistema

21

K= costante specifica della velocità di reazione del primo ordine, T-1 BILANCIO DI MASSA PER REATTORE BATCH Il bilancio di massa nel tempo per un componente generico C, in un reattore batch, può essere scritto in tale modo:

VrQCQCVdtdC

Co +−= Eq. 1

Accumulo = Ingresso-Uscita+Generazione Nell’intervallo di funzionamento del reattore, cioè quello compreso tra le operazioni di carico e scarico, queste escluse, non abbiamo sicuramente entrata o uscita di materia dal sistema, per la definizione di reattore batch. Pertanto, il termine che indica l’ingresso e quello dell’uscita possono essere considerati nulli, portando alla formulazione seguente:

VrVdtdC

C= Eq. 2

se la velocità di reazione è definita come n

C kCr −= , dove n è l’ordine di reazione, integrando tra i limiti C=Co e C=C e t=0 e t=t si arriva all’espressione:

∫ ∫ ==−C

C

t

ntdt

kCdC

0 0 Eq. 2 bis

considerando una cinetica del primo ordine (n=1) l’espressione si semplifica in:

kteCC −=

0

Eq. 2 ter

Ovvero nel reattore esiste un decadimento esponenziale della concentrazione dell’inquinante o logaritmico lineare con pendenza k. Ciò significa che nota la cinetica interessata è possibile calcolare il tempo di permanenza nel reattore affinché si estragga il reagente alla concentrazione finale voluta C, data Co.

KtClnCln 0 −= BILANCIO DI MASSA PER REATTORE CSTR Il bilancio di massa nel tempo per un componente generico C, in un reattore a completa miscelazione, può essere scritto in tale modo:

VrQCQCVdtdC

Co +−= Eq. 3

accumulo = ingresso-uscita+generazione

22

assumendo kCrC −= , l’espressione 1 si modifica:

0' CVQ

CC =+β Eq. 4

in cui C’=dC/dt β= k + Q/V la procedura analitica adottata per la soluzione delle equazioni del bilancio di massa sono governate dalla forma matematica dell’espressione finale. Ad esempio, la soluzione generale per lo stato non stazionario della equazione 3 ha la forma standard dell’equazione differenziale del primo ordine, data di seguito:

)()( tQytPdtdy

=+ Eq. 5

il metodo maggiormente utilizzato per risolvere l’equazione 5 è quello che comporta l’utilizzo di un fattore integrativo della forma ∫ )exp( Pdt . Essendo l’equazione 4 simile all’equazione5 , il

fattore integrativo per la soluzione della 33 è:

tdtPdteee ββ

=∫=∫ Eq. 6

moltiplicando entrambi i membri dell’equazione 3 per i fattori di integrazione di cui sopra, si arriva:

tt eCVQ

CCe ββ β 0)'( =+ Eq. 7

il termine a sinistra della equazione sopra riportata, può essere scritto come )'( Ce tβ

essendo ttt CeCeCe βββ β+= ')'( Eq. 8

in questo modo l’equazione 7 assume la forma:

tt eCVQ

Ce ββ0)'( = Eq. 9

che integrata porta a :

dteCVQ

Ce tt ∫= ββ0 Eq. 10

l’integrazione della 10 porta a:

KeCVQ

Ce tt += ββ0 Eq. 11

con K costante di integrazione. Dividendo per eβ t si ha:

23

tKeVQC

C β

β−+= 0

Eq. 12

per t=0 e C=C0 l’equazione diventa:

βVQC

CK 00 −= Eq. 13

andando a sostituire la K nella equazione 12, otteniamo l’equazione seguente che è la soluzione per uno stato non stazionario (variabile nel tempo).

tt eCeVQC

C ββ

β−− +−= 0

0 )1( Eq. 14

quando ∞→t l’equazione 14 diventa:

)/(100

QVkC

VQC

C+

==β Eq. 15

Fortunatamente nella maggior parte delle applicazioni, nel campo del trattamento delle acque reflue si ha che fare con condizioni di stato stazionario che permettono di semplificare la forma della equazione 14. Se si assume di volere considerare solo la concentrazione effluente in stato stazionario , allora l’equazione 1 si può semplificare notando che, per le condizioni di stato stazionario, la velocità di accumulo è pari a zero (dC/dt=0). Da questo deriva che tale bilancio di massa può essere riscritto come:

KCVQCQC0 o −−= Eq. 16

che risolta porta alla stessa espressione della 15 ottenuta per il valore del tempo che tende a infinito

)/(10

QVkC

C+

= Eq. 17

In questo caso la concentrazione effluente il reattore di volume V dipende, data la concentrazione iniziale Co, dalla reazione interessata K e dal volume del reattore e dalla portata da trattare, ovvero dal tempo di ritenzione medio statistico HRT = V/Q corrispondente al tempo di reazione nel reattore. Nei processi biologici in genere si lavora con costanti specifiche K = 0.6 d-1, ciò significa che per avere una C pari a 0.1 C0 è necessario lavorare con reattori il cui volume assicuri un HRT di circa 15d, una visione dettagliata dell’HRT necessario al processo in rapporto alla K ed alla concentrazione finale desiderata è mostrata in fig. 4.14.

24

figura 4. 14 Correlazione HRT e K per diversi rapporti C/C0

BILANCIO DI MASSA PER REATTORE PLUG – FLOW Nel reattore con flusso a pistone, la composizione del fluido cambia con continuità lungo l’asse. Il bilancio di massa per un generico costituente C, espresso dalla equazione 1, viene quindi applicato ad un elemento infinitesimo di volume ∆V e diventa:

VrQCQCVtC

CXXX∆+−=∆

∂∂

∆+ Eq. 18

Accumulo = Ingresso – Uscita + Generazione In cui: C = concentrazione del costituente C, g/m3 ∆V = elemento di volume differenziale , m3 Q = portata, m3/s rC= velocità di reazione per il composto C , g/m3s (rC = -K Co) sostituendo la forma differenziale per il termine

XXQC ∆+ nella 18, si ottiene:

( ) VrxxCCQQCV

tC

C∆+∆∆∆+−=∆

∂∂

Eq. 19

sostituendo A∆x al posto del volume ∆V si arriva a :

VrxxC

QxAtC

C∆+∆∆∆

−=∆∂∂

Eq. 20

che divisa per A e ∆x porta a:

CrxACQ

tC

+∆∆

−=∂∂

Eq. 21

Correlazione HRT e K

0

4

8

12

16

0 0,5 1 1,5 2 2,5K (d-1)

HR

T (d

)HRT (C=0,1Co)HRT (C=0,2 Co)HRT (C= 0,4 Co)

25

per ∆x che tende a zero diventa:

CrxACQ

tC

+∂∂

−=∂∂

Eq. 22

se si assumono condizioni di stato stazionario (∂C/∂t =0) e la velocità di reazione è definita come rC=-kCn, integrando tra i limiti C=C0 e C=C x=0 e x=L si giunge a :

H

LCC

CC n QV

QAL

dxQA

kCdC θ==−=−=− ∫∫

=

= 00 Eq. 23

in cui θH è il tempo di ritenzione idraulica. L’equazione 23è la soluzione di base in fase stazionaria che per n=1 vale 1/K ln (Co/C) = HRT La Fig. 4.15 mostra per una cinetica di primo ordine con K variabile da 0.6 a 2.0 d-1 il valore di HRT consigliato per un valore prestabilito del rapporto C/C0. Il confronto con la figura precedente relativa ad un reattore CSTR mostra come pari prestazioni si possano ottenere con HRT molto più bassi in un reattore PF ideale; ciò significa che il reattore PF è molto più efficiente del CSTR a seguito del fatto che non diluisce l’influente nell’intero volume ma attua un gradiente di concentrazione che permette maggiori velocità di trasformazione rc = K C in cui C varia da C0 a C effluente. figura 4. 15: Relazione HRT e K in un reattore PF ideale

Purtroppo alla maggiore prestazione non corrisponde una elevata elasticità ( capacità del reattore di adattarsi a punte o minimi di carico). Di conseguenza la scelta del reattore deve preferire una situazione di compromesso tra l’elasticità e le prestazioni raggiungibili.

Relazione HRT e K

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

0 1 2 3K (d-1)

HR

T (d

)

HRT (C=0,1 Co)HRT (C=0,2 Co)HRT (C=0,4 Co)

26

COMPORTAMENTO IDRAULICO DI n CSTR IN SERIE È importante capire l’idraulica di una serie di n CSTR in quanto in molte situazioni il loro utilizzo è vantaggioso. Supponendo di immettere una concentrazione di una sostanza tracciante nel primo reattore si può dedurre il valore della concentrazione effluente nei diversi reattori. Ipotizzando assenza di reazione e scrivendo un bilancio di massa per il secondo reattore di una serie di n elementi tali per cui il volume unitario sia V/n, si ha:

122

212 ________ C

VnQ

CVnQ

dtdC

oppureQCQCdt

dCnV

=+−= Eq. 24

Accumulo = Ingresso – Uscita in cui C1 è la concentrazione effluente dal primo reattore della serie. Utilizzando la equazione 2 ter,la concentrazione effluente dal primo reattore è data da :

θntntVQn eCeCeCC −−− === 00/

0)/(

01 Eq. 25

sostituendo l’espressione di C1 nella 54 si ottiene:

tVQneCVnQ

CVnQ

dtdC )/(

022 −=+ Eq. 26

la 26 può essere risolta utilizzando la stessa procedura vista per l’equazione 3, e il risultato espresso in termini di θ è:

θθ nenCC −= 02 Eq. 27

e generalizzando l’espressione per l’ i-esimo reattore :

( ) ( ) θθ nii en

iC

C −−

−= 10

!1 Eq. 28

Le figure 4.16 e 4.17 mostrano come la concentrazioni in uscita da una serie di reattori cambi col numero di reattori utilizzati.

27

figura 4. 16: rappresentazione schematica di n reattori CSTR in serie

figura 4. 17: concentrazione effluente nel caso di 4 CSTR in serie

Consideriamo di immettere acqua pulita in un reattore in cui è presente del tracciante a concentrazione iniziale C0. Si osserva che la curva di risposta, rapporto tra concentrazione al tempo t e la concentrazione iniziale, data dai reattori in serie è tanto più simile a quella dedotta per un plug-flow, quanto più è elevato il loro numero. Tutto ciò è sintetizzato nella figura 4.18:

C/Co

1.0

n=1

n=2n=3

n=4

θ=t/t0

28

figura 4. 18:curva di risposta per n-CSTR in serie

CONFRONTO DELLE PRESTAZIONI Come esempio per la scelta del tipo di reattore, in relazione alla cinetica di reazione, la tabella 4.4 mette in risalto un confronto tra il volume totale richiesto per varie efficienze di rimozione del BOD, nel caso di reazione del primo ordine, per reattori completamente miscelati in serie e un reattore di tipo "plug-flow".

tabella 4. 4: Volume di reazione richiesto per reazioni con cinetica del primo ordine

Volume del reattore§ V=K(Q/k) N° di reattori in

serie Efficienza di rimoz. del 85%

Efficienza di rimoz. del 90%



1 5.67 9.00 19.00 49.00 2 3.18 4.32 6.96 12.14 4 2.48 3.10 4.48 6.64 6 2.22 2.82 3.90 5.50 8 2.16 2.64 3.60 5.04 10 2.10 2.60 3.50 4.80

Plug-flow 1.90 2.30 3.00 3.91 * il volume del singolo reattore si calcola dividendo il numero in tabella per il numero dei reattori.

§

−

= 1

CC

knQ

Vn

1

n

0

1.0

0.5

0Fra

zio

ne

di t

racc

ian

te r

iman

ente

n=

Plug-fow ideale

n=1

n=3 n=6

θ=t/t0

0 0.5 1.0 1.5 2.0

29

SCELTA DEL PROCESSO IN BASE A RELAZIONI EMPIRICHE Se non è possibile sviluppare un’equazione per l’espressione della velocità di reazione si usano frequentemente fattori di carico generici. Ad esempio se un processo caricato a x kgBOD/m3 d ha dato un effluente con qualità migliori di un sistema caricato a y kg BOD/m3 d , verranno ripetute le condizioni della prima esperienza. Nella progettazione del processo o delle unità operativa si può ricorrere quindi a criteri di carico I casi in cui ci si affida a fattori di carico sono quelli relativi a scarichi industriali o scarichi misti civili ed industriali.

30

L'IMPATTO DELLE VARIAZIONI DI PORTATA E DEL CARICO ORGANICO Nella applicazione di un processo depurativo è necessario tenere in considerazione le variazioni di portata e di carico organico, che possono risultare anche cospicue. Bisogna, quindi, identificare le condizioni di portata e di carico e le conseguenze che ne possono derivare alle diverse unità di processo. La tabella seguente mette in risalto gli effetti della portata e del carico organico sulla selezione e dimensionamento delle singole unità di processo. tabella 4. 5: selezione e dimensionamento unità in base a portata e carico di massa

Unità operativa o processo

Fattore di progetto critico

Criteri per dimensionamento

Effetti dei criteri di progetto sulle prestazione dell’impianto

Pompe e tubazioni di acque reflue

Massima portata oraria

portata Se il picco di portata è elevato ci possono essere allagamenti, sovraccarico dei sistemi di collettamento…

grigliatura Massima portata oraria

portata Le perdite di carico attraverso le barre aumentano con l’aumentare della velocità

Portata minima Velocità nel canale

A basse velocità i solidi possono sedimentare nel canale

Rimozione sabbia Massima portata oraria

Eccesso di velocità

Ad elevate portate diminuisce la capacità di rimozione delle sabbie

Sedimentazione primaria


Eccesso di velocità

Diminuisce la capacità di rimozione dei solidi alle alte velocità con aumento di carico al trattamento secondario

Minima portata oraria

Tempo di ritenzione

A basse portate, lunghi tempi di contatto possono creare condizioni di setticità

Fanghi attivi Massima portata oraria

Tempo di residenza idraulica

Dilavamento dei solidi ad elevate portate; ci può essere bisogno di riciclo dell’effluente

Massimo carico organico giornaliero

Rapporto cibo/microrganismi

Una elevata domanda di ossigeno può essere superiore alla capacità di fornitura e provoca basse prestazioni

Filtri percolatori Massima portata oraria

Carico idraulico

Dilavamento dei soldi ad elevate portate può portare ad un calo di efficienza


Carico idraulico ed organico

A basse portate può essere necessario aumentare il ricircolo per sostenere il processo


Massa caricata-volume del mezzo

Ossigeno inadeguato durante i picchi di carico porta ad una perdita di efficienza e causa odori

Sedimentazione secondaria


Elevate velocità o tempo di detenzione

Rimozione ridotta ad alte velocità o bassi tempi di detenzione


Tempo di detenzione

Possibilità del fenomeno di rising del fango ad elevati tempi di detenzione


Velocità di carico dei solidi

Il carico dei solidi ai sedimentatori deve essere limitato

Vasca di clorazione


Tempo di contatto

Tempi i contatto ridotti diminuiscono l’uccisione dei batteri

31

AFFIDABILITÀ NELLA SELEZIONE E PROGETTO DEL PROCESSO Fattori importanti nella selezione e progettazione di un processo sono le prestazioni che l’impianto deve raggiungere per rispettare i limiti richiesti. È necessario assicurarsi che i sistemi di trattamento siano progettati per produrre effluenti conformi ai limiti di legge in vigore, nonostante le variabilità di carico e concentrazioni con cui l’acqua reflua giunge in impianto. Allo scopo esistono due approcci per la selezione e la progettazione:

q il primo è basato sulla scelta di un fattore di sicurezza; q l’altro sull’analisi statistica delle prestazioni dell’impianto necessaria ad individuare una

relazione funzionale tra la qualità dell’effluente e la probabilità di frequenza con cui l’evento si verifica. Questo ultimo metodo è anche denominato “ concetto di affidabilità” ed è preferibile. L’ affidabilità (reliability) può essere identificata come la percentuale delle volte che le concentrazioni dell’effluente rispettano i limiti prefissati.

32

ELEMENTI CONCETTUALI DI PROCESSO APPLICATI AL PROGETTO Lo scopo del paragrafo è quello di identificare e discutere i principali stadi che portano alla stesura di un progetto. I punti da affrontare sono:

q stabilire il periodo di attività dell’impianto; q sviluppare il diagramma di flusso del processo; q stabilire i criteri di dimensionamento; q dimensionare in modo preliminare le varie unità di trattamento; q preparare i bilanci di massa delle diverse o.u.; q effettuare delle considerazioni sulla posizione del sito di costruzione; q valutazione dell’idraulica dell’impianto.

Periodo di attività delle opere e degli impianti La tabella che segue fornisce i periodi consigliati di validità delle opere in c.a., degli impianti e delle infrastrutture.

tabella 4. 6: tipici periodo di attività per le varie opere

settore Periodo di lavoro previsto Anni Sistema di collettamento 20-40

Stazione di pompaggio Strutture 20-40 Attrezzatura di pompaggio 10-25

Impianto di trattamento Strutture dei processi 20-40 Attrezzatura per i processi 10-20 Condotte idrauliche 20-40 Diagramma di flusso del processo Il diagramma di flusso del processo viene sviluppato in base:

q alle caratteristiche chimico fisiche delle acque reflue da trattare; q ai carichi idraulici e di massa ed alla loro variabilità; q ai limiti di conformità da rispettare; q alle tecnologie disponibili; q alla disponibilità di area; q alla necessità di trattare adeguatamente i flussi secondari (surnatanti linea fanghi, etc.); q al riutilizzo delle opere e degli impianti già esistenti (se si tratta di un adeguamento); q alle reali esigenze del committente; q alla massima elasticità per assicurare le fasi di manutenzione straordinaria dell’impianto

senza interrompere la depurazione e by-passare parte del refluo sollevato in impianto; Le metodologie che si possono adottare sono:

1. realizzare diagrammi di flusso alternativi ed effettuare una analisi costi benefici, ovvero una analisi tecnico economica delle varie soluzioni prospettate con indicazione dei costi di investimento, dei costi di gestione e delle prestazioni; discutere con il committente la soluzione più idonea;

2. organizzare la linea acque in più linee parallele secondo le seguenti indicazioni:

33

§ due o più linee acqua per impianti con potenzialità ≥ 50000 AE; § due o più linee fanghi per impianti con potenzialità ≥ 100000 AE;

3. Garantire il deflusso delle acque di rete al corpo d’acqua superficiale in caso di fermo Enel;

4. Garantire il deflusso delle acque reflue sollevate al corpo d’acqua superficiale in caso di fermo impianto per manutenzioni straordinarie;

5. Effettuare la massima miscelazione dei fanghi biologici prima di effettuarne il ricircolo in testa al processo;

6. Effettuare la ripartizione delle portate nel modo più preciso possibile per evitare che le linee parallele siano diversamente caricate.

Le figure che seguono sono relative a lay-out di impianti di diversa dimensione: figura 4. 19: lay out di un impianto da 85.000AE

Sollevamento

DesabbiaturaProcesso biologico

Sed.secondariaClorazione

DigestorePre-ispessitore Disidratazione

Canale di by-pass

Post-ispessitore

Linea acque

Linea fanghiSurnatanti

By pass

Linea acque


By pass

Sed.primaria

34

figura 4. 20: lay out di un impianto da 60.000 AE

figura 4. 21 lay out di un impianto da 100.000AE

Sollevamento

Desabbiatura

Sed.primaria

Processo biologico

Sed.secondariaClorazione

Digestore doppio stadioPre-ispessitore Vasca di accumulo Disidratazione

Canale di by-pass

Linea acque


By pass

Sollevamento

Desabbiatura

Processo biologico Sed.secondaria Clorazione

DigestorePre-ispessitore Disidratazione

Canale di by-pass

Post-ispessitore

Equalizzatore fuori linea

Linea acque


By pass

35

Stabilire i criteri di dimensionamento I criteri di dimensionamento delle diverse operazioni unitarie vengono desunti dai:

q dati a base progetto che stabiliscono i carichi idraulici e di massa da trattare; q dai risultati dei bilanci di massa della o.u. a monte; q dalla letteratura che fissa i valori più affidabili dei carichi a cui far lavorare i processi scelti .

dimensionare in modo preliminare le varie unità di trattamento Le singole unità che compongono il lay-out del progetto vengono dimensionate in modo preliminare al fine di valutare le potenze da installare, la superficie occupata, i volumi richiesti, il recupero dei volumi e delle opere esistenti. I risultati del dimensionamento preliminare servono per stabilire tra i diversi schemi proposti quello più idoneo preparare i bilanci di massa delle diverse o.u. Dati il tipo di o.u., i criteri di dimensionamento e le prestazioni ottenibili, si effettua il bilancio di massa di ogni singola o.u. In tale modo si possono calcolare i rifiuti prodotti (fanghi, sabbie, grigliato, etc.) ed i dati a base progetto dell’operazione unitaria a valle, nonché la scelta delle macchine (presse, pompe, compattatori, estrattori centrifughi, compressori). effettuare delle considerazioni sulla posizione del sito di costruzione Per effettuare considerazioni sulla posizione del sito è necessario localizzare le opere egli impianti nell’area da destinare a costruzione dell’opera, il che equivale alla realizzazione della tavola di planimetria generale dell’impianto. I criteri che debbono essere rispettati sono in genere:

q assicurare un accesso carrabile a tutti gli impianti (pompe, compressori, miscelatori, presse, etc..) ed alla carpenteria (passerelle, carri ponte, etc.) per effettuare agevolmente le manutenzioni straordinarie;

q assicurare gli spazi di manovra agli autocarri che debbono movimentare i rifiuti di trattamento (fanghi di depurazione, grigliato, sabbie, etc);

q assicurare gli spazi di manovra agli autocarri che debbono conferire rifiuti da trattare in impianto (espurgo pozzi neri, percolato di discarica, reflui industriali, etc..);

q ottimizzare i percorsi degli autocarri realizzando gli stadi che producono rifiuti in prossimità delle vie di accesso all’impianto;

q posizionare le opere in modo di evitare un alto impatto ambientale sugli insediamenti abitativi circostanti (porre alla massima distanza le fasi che generano cattivi odori e rumori).

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figura 4. 22: planimetria di un impianto reale da 60.000 AE

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figura 4. 23: planimetria di un impianto reale da 100.000 AE

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1

valutazione dell’idraulica dell’impianto Il profilo idraulico dell’impianto viene calcolato stadio per stadio al fine di garantire:

q la massima mobilità del refluo dopo sollevamento per pura caduta sino al conferimento al corpo d’acqua superficiale;

q che non si verificano esondazioni di canali alle massime portate di refluo; q la possibilità di effettuare le manutenzioni straordinarie delle vasche e degli impianti senza

svuotare l’intera linea interessata; e di effettuare la scelta delle pompe di sollevamento del refluo e di ricircolo dei fanghi o della miscela aerata. Per questo motivo il profilo idraulico viene calcolato avendo cura di:

q realizzare vasche relative a processi in serie non collegate idraulicamente; q realizzare vasche relative a linee parallele non in collegamento idraulico;

La metodologia di calcolo è quella di applicare le formule note di calcolo delle perdite di carico in:

q canali aperti per vasche, canali di trasporto etc..; q tubazione a piena sezione per tubazioni di mandata delle pompe;

Posizionare le diverse vasche che compongono le linee acque di trattamento in modo di effettuare la movimentazione per caduta da dopo il sollevamento al corpo d’acqua ricettore. Nella linea fanghi il profilo idraulico, dato il fatto che il fango viene continuamente sollevato da uno stadio al successivo, ha il ruolo di scegliere le pompe per la movimentazione del fango e la posizione delle vasche per garantire il deflusso dei surnatanti in testa impianto.

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figura 4. 24: profilo idraulico di un impianto di trattamento

* ws= water surface

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Desabbiatore aerato

Sed.primaria Vasca aerazione

Sed.finale Vasca di clorazione

Alt

ezza

, met

ri

Alte

zza,

met

ri

24.75 25.00

23.95

23.3523.92

23.31

23.16

22.58

22.50

22.71

22.13

22.07 21.55

23.1723.31

21.64

23.00

21.12

0.53 m3/s

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Capitolo 4

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