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Dimensionamento e caratteristiche costruttive Dimensionamento e caratteristiche costruttive degli impianti di fitodepurazionedegli impianti di fitodepurazione

Dott. Agr. Mirco Milani([email protected])

Istituto Tecnico Industriale Istituto Tecnico Industriale ““S. S. CannizzaroCannizzaro”” –– CataniaCataniaAnno Formativo 2012Anno Formativo 2012--20132013

Corso Corso I.F.T.SI.F.T.S..““Tecnico Superiore per il monitoraggio e la gestione Tecnico Superiore per il monitoraggio e la gestione

del territorio e delldel territorio e dell’’ambienteambiente””

• Nonostante la semplicità tecnologica degli impianti di fitodepurazione le variabili da considerare per la loro corretta esecuzione sono varie e non sempre direttamente valutabili.

• Sono necessarie non solo nozioni di ingegneria idraulica ma anche una conoscenza dei processi fisici, chimici e biologici e delle interazioni ecologiche tipiche delle zone umide.

• Le possibilità offerte in letteratura per il dimensionamento degli impianti di fitodepurazione sono diverse: ciò è dovuto sia alla “giovane età” della tecnica di depurazione, sia al fatto che per il grande numero di processi che avvengono in tali impianti, molti dei quali tuttora dibattuti a livello scientifico, è molto difficile arrivare ad una modellizzazione matematica esauriente.

Premessa

Dott. Agr. Mirco Milani – Dimensionamento e caratteristiche costruttive degli impianti di fitodepurazione

recapito in acque superficiali

Limiti di emissione:

Allegato 5 del D.Lgs. 152/2006

riuso

D.M. 185/2003Destinazioni d’uso:

• Irriguo;• Civile;

• Industriale

EFFLUENTE IMPIANTO DI FITODEPURAZIONE


Progettazione: definizione degli obiettivi qualitativi dell’effluente trattato

Ci , Co = concentrazioni dell’inquinante in ingresso ed in uscita (mg/L);

Q = Qi = Qo = portata (m3/giorno) per I = P = ET = 0;

A = area superficiale del bacino (m2);

h = altezza della colonna d’acqua (m);

ε = porosità del sistema (m3/m3).

W

Q, Ci

Q, Co

L

A

SSF

FWS

h

ε = 0,95 – 1

ε = 0,3 – 0,4

95,07,0 −=ε

modelli matematici

H-SSF: 0,2 – 0,8 m;FWS: 0,1 – 1 m (tipo di trattamento; macrofite)

SSF: medium di riempimentoFWS: densità vegetazione

Progettazione: definizione dei parametri di dimensionamento


WLA ⋅= Area (m2)

A

area (m)

ε⋅⋅= hAV Volume di reazione (m3)

V

volume (m3)

altezza della colonna

d’acqua (m)lunghezza (m)

larghezza (m)

porosità (m3/m3)



qh

QhA

QVHRT εε ⋅

=⋅⋅

== Tempo di detenzione nominale (giorni)

V

volume (m3)Qportata (m3/giorno)

AQq = Carico idraulico superficiale (m/giorno)



Il comportamento idraulico dei sistemi di fitodepurazione viene usualmente schematizzato mediante un modello di flusso “a pistone” (plug flow)

Su tale schema, e ipotizzando una cinetica di rimozione del primo ordine, si basano i modelli maggiormente utilizzati, sia in Europa che negli Stati Uniti, per il dimensionamento e la modellazione degli impianti di fitodepurazione

INGRESSO USCITA

t=0

FLUSSO

t=1

t=2

Progettazione: modelli matematici


Modello k-C* (Kadlec e Knight, 1996)

( )HRTkCCCC

Vi

o ⋅−=−− exp*

*

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

⋅−= *i

*o

V CCCCln

kQV

Formulazione volumetrica

QVHRT =

kV = coefficiente volumetrico di rimozione (giorni-1)

hkk A

V ⋅=

ε

kA = coefficiente di rimozione (m/giorno)( )20

20−⋅= T

A kk θk20 = coefficiente di rimozione alla

temperatura di 20°C (m/giorno)θ = fattore di correzione della temperaturaT = temperatura delle acque reflue °Cvolume (m3) portata (m3/giorno)

Cinetica del primo ordine e schematizzazione idraulica del tipo plug-flowCi = concentrazione dell’inquinante in ingresso (mg/L)Co = concentrazione dell’inquinante in uscita (mg/L)C* = concentrazione di background (mg/L)



Modello k-C* (Kadlec e Knight, 1996)Cinetica del primo ordine e schematizzazione idraulica del tipo plug-flow

Ci = concentrazione dell’inquinante in ingresso (mg/L)Co = concentrazione dell’inquinante in uscita (mg/L)C* = concentrazione di background (mg/L)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅−=

−−

QAkexp

CCCC A

*i

*o

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

⋅−= *i

*o

A CCCCln

kQA

Formulazione aeralekA = coefficiente di rimozione (m/anno)

( )2020

−⋅= TA kk θ

area (m2)

portata (m3/giorno)



Modello k-C* (Kadlec e Knight, 1996)

C* = 3,5 + 0,053 Ci (per 0 ≤ Ci < 200 mg/L) per BOD5

Valori di k20, C* e θ per il BOD5

1,00 – 1,0510,062-180H-SSF0,986,234FWS

(mg/L)(m/anno)θC*k20Tipologia di

sistema

Valori di θ diversi da 1 indicano una dipendenza del processo di rimozione dell’inquinante in esame



Modello monoparametrico (Reed, Crites & Middlebrooks 1998)

( )HRTkCC

Ti

o ⋅−= exp

Cinetica del primo ordine e schematizzazione idraulica del tipo plug-flowCi = concentrazione dell’inquinante in ingresso (mg/L)Co = concentrazione dell’inquinante in uscita (mg/L)

kT = coefficiente di rimozione (giorni-1):

T = Temperatura delle acque reflue (°C)

Per il BOD5:

θ = 1,06

k20 = coefficiente di rimozione a 20 °C =0,678 giorni-1 (FWS) oppure 1,104giorni-1 (H-SSF)

( )2020

−⋅= TT kk θ

QhAHRT ε⋅⋅

=

ε⋅⋅⋅

=hK

CCQAT

oi )ln(



Equazione di Manning (1)

( ) ( )21321 // shn

v ⋅⋅=

v = velocità dell’acqua (m/s)

s = gradiente idraulico (m/m)

n = coefficiente di Manning (s/m1/3)

h = altezza della colonna d’acqua (m)

a = coefficiente di scabrezza (s⋅m1/6);

= 0,4 s⋅m1/6 per vegetazione rada e bassa, con h > 0,4 m;

= 1,6 s⋅m1/6 per vegetazione moderatamente densa, con h ≅ 0,3 m;

= 6,4 s⋅m1/6 per vegetazione molto densa, con h ≤ 0,3 m.

21 /han =

Vengono generalmente utilizzati valori di a che variano tra 1 e 4 s⋅m 1/6

Progettazione: modelli matematici (FWS)


Equazione di Manning (2)

( ) ( )21671 // sha

v ⋅⋅=Considerando che:

Combinando le equazioni si ottiene la massima lunghezza del bacino di fitodepurazione FWS:

( ) ( ) 322138 86400///

QamhAL ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅

⋅⋅⋅=

fattore precauzionale

Lhms ⋅

=hW

Qv⋅

=

larghezza (m)

portata (m3/giorno)

altezza acqua (m)

LAW =

area (m2)

lunghezza (m)

Progettazione: modelli matematici (FWS)


Legge di Darcy

v = velocità dell’acqua (m/giorno)

s = gradiente idraulico (m/m)

Ks = conducibilità idraulica del mezzo poroso (m/giorno)

skv s ⋅=

Considerando che:

hWQv⋅

=

portata (m3/giorno)

larghezza (m) altezza della colonna d’acqua (m)

Progettazione: modelli matematici (H-SSF)


shWkQ s ⋅⋅⋅=

Considerando che:

211

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅⋅

⋅=skm

AQh

W

sAkQ Ts ⋅⋅=

AT = area trasversale del bacino (m2)

LAW =

area (m2)

lunghezza (m)

larghezza (m)

Lhms ⋅

=

fattore precauzionale

lunghezza (m)

gradiente idraulico (m/m)

altezza d’acqua (m)

Progettazione: modelli matematici (H-SSF)


Il dimensionamento dei letti V-SSF è basato su criteri empirici basati sulla richiesta aerale di ossigeno necessario per ossidare la sostanza organica e l’azoto.

Generalmente viene utilizzato il seguente metodo:

fattorecautelativo

Calcolo del fabbisogno di ossigeno sulla base di 1 Kg di O2 per Kg di BOD5da rimuovere e di 4,3 Kg di O2 per Kg di NH3 da ossidare;

Ka= coefficiente di aerazione superficiale 30 g O2/m2

fabbisogno di ossigeno

25,0⋅+=aa K

ODKODA

Calcolo della superficie (m2):

Progettazione V-SSF


Q = 150 m3/giorno

BOD5= 300 mg/L

T = 12 °C

Ks = 10.000 m/giorno

Dati di progetto:

Ci = 210 mg/L (BOD5 in ingresso all’impianto di fitodepurazione)

Trattamento di sedimentazione primaria tramite fossa imhoff

rimozione del 30% della concentrazione

del BOD5

Co = 25 mg/L (BOD5 in uscita dall’impianto di fitodepurazione)

scarico su corpo idrico superficiale (D.Lgs. 152/2006)

BOD5 = 300 mg/L BOD5 = 210 mg/L BOD5 = 25 mg/L

fossa imhoff H-SSF

Dimensionamento di un sistema H-SSF: esempio


giorni 3,1 21025ln

693,01 ln1

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅−=

i

o

T CC

kHRT

Tempo di detenzione nominale:

( ) ( ) -12012202012 giorni 693,006,1,1041 =⋅=⋅= −−Tkk θ

Coefficiente di rimozione:

Applicazione del modello monoparametrico(Reed, Crites & Middlebrooks 1998)



ε⋅

=hVA

Volume di reazione:

3m 465 150 3,1 =⋅=⋅= QHRTV

Area superficiale:

33 mm 38,0 55,0

=

=

ε

mh

2m 2225 38,055,0

465=

⋅=A



Larghezza minima del letto filtrante:

m 4035002,02225150

55,011

2121

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅⋅

⋅=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅⋅

⋅=skm

AQh

W

Lunghezza del letto filtrante:

m 56 40

2225 ===WAL

20% del carico idraulico a

disposizione

1/3 della conducibilità

idraulica

1:4,141:56: ==WLRapporto lunghezza/larghezza:

OKcompreso tra:

1:1 e 3:1



Q = 150 m3/giorno

BOD5= 300 mg/L

T = 9 °C

Dati di progetto:

Ci = 210 mg/L (BOD5 in ingresso all’impianto di fitodepurazione)

Trattamento di sedimentazione primaria tramite fossa imhoff

rimozione del 30% della concentrazione

del BOD5

Co = 25 mg/L (BOD5 in uscita dall’impianto di fitodepurazione)

scarico su corpo idrico superficiale (D.Lgs. 152/2006)

BOD5 = 300 mg/L BOD5 = 210 mg/L BOD5 = 25 mg/L

fossa imhoff FWS

Dimensionamento di un sistema FWS: esempio


( ) ( ) -120920209 giorni 357,006,1,6780 =⋅=⋅= −−Tkk θ

Coefficiente di rimozione:

giorni 5,96 21025ln

357,01 ln1

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅−=

i

o

T CC

kHRT

Tempo di detenzione nominale:

Volume di reazione:3m 894 150 5,96 =⋅=⋅= QHRTV



ε⋅

=hVA

Area superficiale:

33 mm 75,0 30,0

=

=

ε

mh

2m 3973 75,030,0

894=

⋅=A



Lunghezza massima del letto bacino di fitodepurazione:

( ) ( ) 322138 86400///

QamhAL ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅

⋅⋅⋅=

m = 0,2a = vegetazione moderatamente densa = 1,6 s⋅m1/6

( ) ( ) m 876 1506,1

864002,030,03973322138

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅

⋅⋅⋅=L

Larghezza del bacino di fitodepurazione:

m 5,4 8763973 ===

WAL



1:7,1945,4:876: ==WLRapporto lunghezza/larghezza:

m 20=W m 200=L

1:1020:200: ==WLRapporto lunghezza/larghezza:

NOnon è compreso tra:

2:1 e 10:1

OKcompreso tra:

2:1 e 10:1



Q = 150 m3/giorno

Ci = 210 mg/L (BOD5)

Co = 25 mg/L (BOD5)

Dati :

2m 2225 =A

H – SSF FWS2m 3973 =A

FWS ≈ 2 H-SSF

Confronto H-SSF - FWS


La realizzazione dei sistemi di fitodepurazione, presenta minori complicazioni rispetto al caso degli impianti di depurazione tradizionali

• pendenza del fondo

• impermeabilizzazione

• mezzo poroso

• sistemi di distribuzione in ingresso e di raccolta in uscita

Aspetti costruttivi


La pendenza del letto filtrante deve essere alquanto ridotta garantendo il completo drenaggio del letto stesso

Pendenze eccessive potrebbero determinare, nella zona terminale del bacino, un’eccessiva distanza fra la superficie del letto filtrante e quella del liquame

Si adottano pendenze non superiori al 1-2 %

Aspetti costruttivi: pendenza


Importante al fine della salvaguardia delle falde acquifere da possibili contaminazioni

- naturale, nel caso in cui il sistema venga realizzato su suoli che presentano una bassa conducibilità idraulica (10-8-10-9 m/s)

- artificialmente mediante guaine sintetiche di spessore non inferiore ad 1-2 mm e resistenti alla perforazione delle radici (ad esempio membrane in PEAD)

Aspetti costruttivi: impermeabilizzazione


Impermeabilizzazione mediante guaine sintetiche (bentonitica ed in PEAD) di un sistema di fitodepurazione (S. Michele di Ganzaria, Catania)

Aspetti costruttivi: impermeabilizzazione


Le sponde del bacino vengono realizzate con una pendenza che

normalmente dipende dalle caratteristiche geotecniche del

terreno

Per prevenire i fenomeni di erosione idrica superficiale, le

sponde possono essere protette con geotessili biodegradabili,

come reti o stuoie in juta

Aspetti costruttivi: sponde


Particolare costruttivo della sponda di un sistema di fitodepurazione H-SSF (S. Michele di Ganzaria, Catania)

Materiale proveniente dagli scavi vagliato e compattato

Rizomi radicati di Praghmites sp

Telo in HDPE (spessore 2 mm)

Picchetti di ancoraggio (2 picchetti/mq)

3

Biorete in Juta

Rilevato in terra1

3

Terreno naturale stabilizzato e compattato

Geocomposito bentoniticoTrincea d'ancoraggio

1

Diffusore inPVC Ø125 Pietrisco d=10 mm

Pietrame d=10 cm


Aspetti costruttivi: sponde

- per i sistemi H-SSF la granulometria più opportuna ècompresa fra 8 e 16 mm (ghiaia o pietrisco). Viene inoltre raccomandato il preventivo lavaggio del materiale inerte al fine di rimuovere la particelle fini che potrebbero intasare il letto filtrante

- per i sistemi V-SSF vengono invece usualmente adottate le seguenti pezzature, procedendo dalla superficie verso il fondo del letto (Burka e Lawrence, 1990): sabbia < 6 mm, sabbia 6 mm, ghiaia 12 mm, ghiaia 30-60 mm

Aspetti costruttivi: mezzo poroso


CanaleSfioratore

Rip-Rap

Valvola di regolazione

Strutture per la distribuzione dei liquami nei sistemi di fitodepurazione FWS (modificata da IWA, 2000)

Sistemi di distribuzione delle acque reflue: sistemi FWS


- sia in ingresso che in uscita, tubazioni forate perpendicolari alla

direzione del flusso idrico, generalmente in PVC o polietilene con un

diametro di 100-150 mm e fori da 10 mm

- la tubazione in uscita risulta essere sempre interrata sul fondo del

bacino, mentre quella che distribuisce i liquami in ingresso può

essere sia leggermente interrata sia posizionata direttamente sulla

superficie del letto filtrante

- per facilitare l’infiltrazione (in ingresso) ed il drenaggio (in uscita)

del liquame, in prossimità di entrambe le tubazioni forate, viene

utilizzato del materiale inerte più grossolano (pietrame di diametro

8-15 cm)

Sistemi di distribuzione delle acque reflue: sistemi H-SSF


Tubazione forata per la distribuzione dei liquami in un sistema di fitodepurazione H-SSF (S. Michele di Ganzaria, Catania)

Sistemi di distribuzione delle acque reflue: sistemi H-SSF


Il livello idrico nei sistemi H-SSF viene regolato per mezzo di opportune tubazioni, regolabili in altezza, poste nel pozzetto di uscita del letto filtrante

Scarico


Tubo flessibile


Flangiagirevole

Tubo regolabile in altezza

Scarico

Sistemi di regolazione del livello idrico


il drenaggio viene realizzato utilizzando delle tubazioni forate

disposte longitudinalmentelongitudinalmente sul fondo del letto, con un

interasse di circa 2 m

collegate ad una tubazione di raccolta disposta

ortogonalmente e connessa, a volte, ad un sistema di scarico

ad altezza variabile

Sistemi di distribuzione delle acque reflue: sistemi V-SSF


- sfalcio e rimozione della vegetazione nella zona circostante i bacini e in generale all’interno dell’area del sistema di trattamento, compresa la viabilità interna (2 volte x anno)

- sfalcio e rimozione della vegetazione igrofila all’interno dei bacini con frequenza che sarà fissata in base all’accrescimento delle piante e sulla base delle indicazioni fornite dal gestore dell’impianto (mediamente un intervento ogni 2 anni)

- pulizia e spurgo con frequenza mensile della tubazione di distribuzione e drenaggio

Manutenzione


- pulizia e spurgo con frequenza mensile dei piezometri realizzati all’interno dei bacini, allo scopo di effettuare il prelievo dei campioni ed il monitoraggio della qualità delle acque

- pulizia con frequenza mensile delle canalette e delle tubazioniper la raccolta e lo smaltimento delle acque piovane

- verifica e controllo con frequenza semestrale della porositàdei bacini allo scopo di prevenire la formazione di vie di scorrimento preferenziali

- pulizia e spurgo con frequenza mensile di tutti manufatti idraulici: pozzetti di regolazione, di intercettazione, ecc.

Manutenzione


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