ESERCITAZIONE POTABILIZZAZIONE

ESERCITAZIONE

Dimensionamento di un impianto di potabilizzazione

Prof. Claudio Lubello

A.A. 2005-2006

PREMESSA e DATI di PROGETTO

DIMENSIONAMENTO DI UN IMPIANTO DI POTABILIZZAZIONE A SERVIZIO DI UN CENTRO ABITATO

POPOLAZIONE DA SERVIRE, Stimata a lungo termine (25 anni): 17000 abitanti

FONTE DI APPROVVIGIONAMENTO: Le acque destinate alla potabilizzazione provengono da un vicino corso d’acqua (ACQUE DI TIPO SUPERFICIALE)

CAMPAGNA DI MONITORAGGIO PRELIMINARE

STUDIO IDROLOGICO equilibrio del corso d’acqua.

CARATTERISTICHE DELL’ACQUA

COMPATIBILITA’ PORTATA DEL FIUME

PORTATA PRELEVATA

IDONEITA’ ALLA POTABILIZZAZIONE

SCELTA DEL TIPO DI TRATTAMENTO OPPORTUNO

(FILIERA DI TRATTAMENTO)

NORMATIVA

Parametro Unità dimisura

Range media

Temperatura °C 10-20 14

pH 7.5 – 8.6 8

Solidi sospesi mg/l 7-120 20

Materiali colloidali

mg/l 5-45 10

TOC mg/l -- 6

Specie chimiche specifiche (Ossigeno disciolto, Ammonio…)Specie microbiologiche (CBT, Coliformi,Enterococchi…)

-Log2 D D (mm) % passante

2 0,25 100

3 0,125 95

4 6,25E-02 87

5 3,13E-02 77

6 1,56E-02 62

7 7,81E-03 49

8 3,91E-03 39

9 1,95E-03 25

10 9,77E-04 14

11 4,88E-04 5

12 2,44E-04 0

curva granulometrica

0

20

40

60

80

100

2 4 6 8 10 12 -Log2 D

% p

assa

nte

PREMESSA e DATI di PROGETTO

Caratteristiche fisico-chimiche

Caratteristiche granulometriche

Art.7 Acque superficiali destinate alla produzione di acqua potabile

1. Le acque dolci superficiali per essere utilizzate o destinate alla produzione di acqua potabile, sono classificate dalle regioni nelle categorie A1, A2 e A3 secondo le caratteristiche fisiche, chimiche e microbiologiche di cui alla tabella 1/A dell'allegato 2.

2. A seconda della categoria di appartenenza, le acque dolci superficiali di cui al comma 1 sono sottoposte ai seguenti trattamenti:

Categoria A1: trattamento fisico semplice e disinfezione;

Categoria A2: trattamento fisico e chimico normale e disinfezione;

Categoria A3: trattamento fisico e chimico spinto, affinazione e disinfezione.

3. Le regioni inviano i dati relativi al monitoraggio e classificazione delle acque di cui ai commi 1 e 2 al Ministero della sanità, che provvede al successivo inoltro alla Commissione europea.

4. Le acque che presentano caratteristiche inferiori ai valori limite imperativi della categoria A3 possono essere utilizzate, in via eccezionale, solo nel caso in cui non sia possibile ricorrere ad altre fonti di approvvigionamento e a condizione che siano sottoposte ad opportuno trattamento che consenta di rispettare le norme di qualità delle acque destinate al consumo umano.

RIFERIMENTI NORMATIVI

D.Lgs 11/05/1999, n. 152 e Decreto Legislativo 19 gennaio 2006 (TESTO UNICO)

Tabella 1/A: Caratteristiche di qualità per acque superficiali destinate alla produzione di acqua potabile

Num. Progr.

Parametro Unità di misura A1G

A1I

A2G

A2I

A3G

A3I

1 pH unità pH 6,5-8,5

5,5-9 - 5,5-9 -

2 Colore (dopo filtrazione semplice)

mg/L scala pt 10 20(o) 50 100(o) 50 200(o)

3 Totale materie in sospensione

mg/L MES 25 - - - - -

4 Temperatura °C 22 25(o) 22 25(o) 22 25(o)

5 Conduttività µS /cm a 20° 1000 - 1000 - 1000 -

6 Odore Fattore di diluizione a 25°C

3 - 10 - 20 -

7 Nitrati mg/L NO3 25 50(o) - 50(o) - 50(o)

8 Fluoruri (1) mg/L F 0,7/1 1,5 0,7/1,7 - 0,7/1,7 -

.. Cloro organico totale estraibile

mg/L Cl - - - - - -

.. ……. mg/L Fe … … -


I = Imperativo G = Guida

D.Lgs 11/05/1999, n. 152

Allegato 2


D.Lgs. 2/02/2001, n. 31 e successive modificazioni

Attuazione della direttiva 98/83/CE

Finalità (Art.1)

Il presente decreto disciplina la qualità delle acque destinate al consumo umano al fine di proteggere la salute umana dagli effetti negativi derivanti dalla contaminazione delle acque, garantendone la salubrità e la pulizia.

Obblighi generali (Art. 4)

1. Le acque destinate al consumo umano devono essere salubri e pulite.

2. non devono contenere microrganismi e parassiti, né altre sostanze, in quantità o

concentrazioni tali da rappresentare un potenziale pericolo per la salute umana

3. devono soddisfare i requisiti minimi di cui alle parti A e B dell'allegato I;

Controlli (Art. 6)

1. Sono previsti CONTROLLI INTERNI (All’azienda che gestisce il servizio idrico integrato) e ESTERNI (A.S.L)

2. La conformità ai limiti di normativa deve essere rispettata nella rete di distribuzione fino al punto di consegna all’utenza.

CALCOLO DELLE PORTATE

1) Popolazione (n°di abitanti allacciati alla rete con previsione a 20-30 anni).

La quantità di acqua richiesta ad un impianto di potabilizzazione è direttamente

proporzionale a

QUANTITA’ DI ACQUA RICHIESTA

POPOLAZIONE DA SERVIRE

DOTAZIONE IDRICA PROCAPITE

Nel caso considerato dall’esercitazione questo dato è noto: 17000 Abitanti

2) Dotazione idrica pro capite (quantità media di acqua necessaria ad ogni singolo abitante tenendo conto anche dei consumi a scopi pubblici, commerciali ed industriali).

• Centri medio-piccoli (<50000 Ab) 200-300 l/Ab d

• Centri medio-grandi (>100000 Ab) 250-350 l/Ab d

Parametro che aumenta all’aumentare dell’industrializzazione e del benessere.

Una popolazione di 17000 abitanti corrisponde ad un piccolo centro:

si considera una dotazione idrica procapite di 250 L/Ab/d

CALCOLO DELLE PORTATE

dmmldAblAb /4250/1000:)/(250*17000Q 33media

d/m5500d/m5,548229,1*4250 33 progettoQ

rQmedia progettoQ dove r è il rapporto fra la portata media giornaliera su base annua e la portata media giornaliera nella settimana di max consumo.

• Piccoli centri r = 2-3

• Centri medi r = 1,5

• Grandi centri r = 1,2

N.B. La variabilità attorno alla portata media è più forte nei piccoli centri

PORTATA DI PROGETTO

Calcoliamo dunque la portata media giornaliera da erogare

SCHEMA A BLOCCHI

Punti e strumenti di misurazione in continuo (essenziali):

(1) Portata, pH, T, Torbidità

(2) pH, T, Torbidità (3) Torbidità

(4) Torbidità (5) Cloro residuo

FILIERA DI TRATTAMENTO: In mancanza di dati precisi sulle caratteristiche fisico-chimiche dell’acqua da trattare si ipotizza la categoria peggiore (A3) e si sceglie un tipo di trattamento spinto.

OPERA DI PRESA E TRATTAMENTI PRELIMINARI

La fonte di approvvigionamento deve essere protetta.

In particolare la zona di tutela assoluta (riferita a sorgenti, pozzi e punti di presa) deve avere un’estensione non inferiore a 10 metri di raggio dal punto di captazione, deve essere recintata e provvista di acque di canalizzazione delle acque meteoriche.

A monte dei processi di trattamento sono sempre previsti una serie di

trattamenti preliminari o pretrattamenti.

Questi consistono in una serie di processi fisici e meccanici che permettono la rimozione di

materiali e sostanze che per loro natura e dimensione rischiano di danneggiare le

attrezzature e di compromettere l’efficienza dei successivi stadi di trattamento.

• grigliatura

• rimozione di oli e grassi

• dissabbiatura

Di solito direttamente sull’opera di presa (Sistemi di griglie e galleggianti)

In un comparto che può funzionare anche come bacino di pre-accumulo (può non essere presente)

GRIGLIATURA

La grigliatura è un trattamento fisico semplice.

Secondo la dimensione delle maglie:

• Grossolana interasse i=5 -10 cm

• Media i=2,5-5 cm

• Sottile i=1-2,5 cm

Proteggere l’impianto da oggetti di grandi dimensioni che potrebbero ostruire

o danneggiare le apparecchiature presenti.

Rimuovere il materiale grossolano dalle acque che potrebbe influenzare

negativamente l’efficienza dei successivi processi di trattamento

CLASSIFICAZIONE

Secondo la modalità di pulizia:

• Manuale

• Automatica

Si può scegliere, ad esempio:

GRIGLIATURA GROSSOLANA direttamente sull’opera di presa Griglia a maglie quadrate (i = 10 cm)

GRIGLIATURA SOTTILE prima della stazione di sollevamento Griglia a maglie quadrate (i=2.5 cm)

p.s. il dimensionamento delle griglie è analogo a quello visto nell’esercitazione sul dimensionamento del depuratore

OBIETTIVO

GRIGLIATURA

STAZIONE DI SOLLEVAMENTO

Perché l’acqua possa circolare attraverso i vari comparti del potabilizzatore per caduta è necessario prevedere un impianto di sollevamento.

Per il dimensionamento della potenza necessaria al motore della pompa si deve conoscere la portata e la prevalenza.

DIMENSIONAMENTO:

η367

HQρ(kW) assorbita Potenza

P = potenza assorbita

ρ = densità del fluido (ρacqua=1000 kg/m3)

H = prevalenza della pompa (m)

η = rendimento della pompa (η = 0,6-0,9)

367 = fattore di conversione

La prevalenza H è data dalla seguente formula:

prevalenza geodetica, ovvero il dislivello tra il pelo libero sul lato a monte della stazione di pompaggio e il punto a maggior quota al quale si vuole fare arrivare l’acqua.

Il secondo contributo è dovuto alle perdite di carico

vgeo HHH Nelle condotte

Stramazzi

Filtrazione

DISSABBIATURA

L’obiettivo è quello di eliminare il 65-75 % dei solidi sospesi e di migliorare la qualità

dell’acqua da inviare ai trattamenti successivi.

OBIETTIVI:

Stadio di separazione solido/liquido per acque ad elevata torbidità

PROBLEMATICA:

La necessità di un’unità di dissabbiatura ed il suo dimensionamento sono difficili da

stabilire; dipendono essenzialmente da:

• natura e concentrazione delle particelle

• frequenza e durata dei picchi di carico dei solidi sospesi

• necessità di mantenere un determinato stato di qualità

• costi operativi

Si sfrutta la forza di gravità per separare dall’acqua le particelle solide

“sedimentabili”, caratterizzate da peso specifico maggiore di quello dell’acqua, e che

sono in grado di depositarsi sul fondo di un contenitore in tempi accettabili.

V= velocità dell’acqua nel dissabbiatore

vs= velocità di sedimentazione della particella di dimensione D

DISSABBIATURA

Dissabbiatore rettangolare

L

D

v

vs (per similitudine fra i triangoli)

D)(bvQ Poiché: A

Qvs

C.I.S. (carico idraulico superficiale)

Stabilito il C.I.S., ovvero la velocità di sedimentazione delle particelle che si vogliono rimuovere

Fissato Q = Q progetto

C.I.S.

QA

PROGETTAZIONE

vvs

L

D

b

AQin

Qout

DISSABBIATURA

Velocità di sedimentazione Vs:

Ipotesi: - Particella granulosa (sedimenta senza interferire con le altre particelle)

- regime di moto laminare (assenza di moti vorticosi nel fluido)

μ

D)(

18

gv

2

OHss 2 Legge di Stokes

T°

(°C)

0 1.781

5 1.518

10 1.307

20 1.002

30 0.798

ms

Kg10 3

= densità dell’acqua:

2s

m 9.81 g

O2H

3m

Kg 1000

s = Densità delle particelle

3m

Kg

D = diametro delle particelle (m)

= viscosità dinamica dell’acqua )( T

ms

Kg

Sabbia: 2650

3m

Kg

Particelle sabbiose: 3s m

Kg 10002.65γ

Temperatura 20 °C

Ipotesi:

DISSABBIATURA

DIMENSIONAMENTO:

-Log2 D D (mm) V sed (m/h) % passante

2 0,25 2,01E+02 100

3 0,125 5,04E+01 95

4 6,25E-02 1,26E+01 87

5 3,13E-02 3,15E+00 77

6 1,56E-02 7,88E-01 62

7 7,81E-03 1,97E-01 49

8 3,91E-03 4,93E-02 39

9 1,95E-03 1,23E-02 25

10 9,77E-04 3,08E-03 14

11 4,88E-04 7,70E-04 5

12 2,44E-04 1,92E-04 0

Stokes -

Granulometria

OBIETTIVO: rimozione delle particelle con D > 0.03 mm cui corrisponde una velocità di sedimentazione pari a 3,15 m/h

( -Log2 D > 5 D > 0,03 mm)

23

m 73hm 3.15

hm 230

C.I.S.

QA

b

L

ARapporto lati

5

1

2

1

L

b

Assumo una profondità h= 2.5 m

Tempo residenza idraulica: min 47h 0.79Q

hA

dg

C

kv s )1(8

Verifica velocità massima

dgC

kv s )1(8

DISSABBIATURA

Osservazioni:1) Le particelle con dimensioni più piccole di quelle di progetto vengono in parte rimosse in parte restano nell’effluente, proporzionalmente alla loro velocità di sedimentazione.

Frazione rimossa (particelle di dimensione n) = 100s

n

v

v

-Log2 D D (mm) V sed (m/h) % passante%composizione per classe

% frazione rimossa

2 0,25 2,019E+02 100 0 100

3 0,125 5,048E+01 95 5 100

4 6,25E-02 1,262E+01 87 8 100

5 3,13E-02 3,155E+00 77 10 100

6 1,56E-02 7,888E-01 62 15 25,00

7 7,81E-03 1,972E-01 49 13 6,25

8 3,91E-03 4,930E-02 39 10 1,56

9 1,95E-03 1,232E-02 25 14 0,39

10 9,77E-04 3,081E-03 14 11 0,10

11 4,88E-04 7,703E-04 5 9 0,02

12 2,44E-04 1,926E-04 0 5 0,01

2) Poiché nell’equazione di Stokes dipende dalla temperatura, il funzionamento del comparto dissabbiatore è variabile in funzione della temperatura. Al diminuire della temperatura diminuisce la rimozione delle particelle (aumenta la dimensione della più piccola particella totalmente rimossa)

dimensione superiore a quella di progetto – RIMOZIONE COMPLETA

dimensione inferiore a quella di progetto – RIMOZIONE PARZIALE

COAGULAZIONE-FLOCCULAZIONE

OBIETTIVO: La rimozione dei solidi sospesi non sedimentabili (frazione colloidale),

che non possono essere rimossi per sedimentazione diretta.

Coagulazione: è la destabilizzazione delle particelle colloidali in ambiente turbolento

ottenuta mediante l’aggiunta di reagenti chimici (coagulanti) che

permettono la formazione di aggregati elementari.

Flocculazione: è l’agglomerazione delle particelle destabilizzate in microfiocchi e poi

in fiocchi voluminosi che possono essere agevolmente separati per

sedimentazione.

coagulazione flocculazione

sedimentazione

Elevata turbolenza:miscelazione dell’agente coagulante

Breve tempo

Moderata turbolenza: sufficiente a fare collidere le particelle, non troppa per evitare la rottura del fiocco

Tempo: adeguato all’accrescimento dei fiocchi


AGENTI COAGULANTI

Composti chimici a base di Ferro o di alluminio. Tali composti liberano in acqua ioni trivalenti Al3+ e Fe3+, capaci di neutralizzare la carica negativa delle particelle colloidali e quindi eliminare le forze di repulsione fra le particelle.

Poiché entrano in gioco reazioni del tipo: 3HM(OH)O3HM 323

Il pH è uno dei parametri fondamentali nel processo di coagulazione-flocculazione

Alcuni agenti coagulanti

Solfato di Ferro o di Alluminio

Cloruro di Ferro

Policloruro di Alluminio (PCA)

……...zyx Cl(OX)Al

In soluzioni commerciali di cui sia noto il titolo in 32OAl

Tempo di contatto

Turbolenza

Dose di coagulantepH

Varabili di processo

Prove JAR TEST per la determinazione delle condizioni ottimali di processo


COAGULAZIONE (miscelazione veloce) Miscelatore

statico

Miscelatore meccanico

Miscelatore idraulico

al flocculatore

al flocculatore

al flocculatore

G [s-1] Gradiente di velocità

μV

PG

P=Potenza dissipata

=Viscosità dinamica

V=Volume agitato

∆H

h Q γP

g

2vK h

P fornita dal motore

Q ΔH g ρP

Range valori:

st 5020

11000600 sG


FLOCCULAZIONE (miscelazione lenta)

G [s-1] Gradiente di velocità

μV

PG

Range valori:

min6020 t

18020 sG

NB: la larghezza dei canali aumenta la velocità diminuisce

In questo comparto è importante che G decresca progressivamente

Flocculazione meccanica a stadi

Flocculazione “a canali”


Fanghi

COAGULAZIONE FLOCCULAZIONE

SEDIMENTAZIONE

M1 M3M2

IN

Reattivi

OUT

Fango

DIMENSIONAMENTOSoluzione impiantistica scelta:

coagulazione meccanica flocculazione meccanica a due stadi

s5020t

11000600 sGRange valori:

1s900G s30t

min6020 t

18020 sG

Range valori:

1° stadio:

2° stadio:

1s 60G

min 20t

1s 30G

Vasca di calma con C.I.S. tale da permettere la deposizione dei fiocchi

Circolare con flusso ascensionale, CIS: 0.8-1.35 m/h

C.I.S. = 1.2 m/h

Da prove di laboratorio (JAR TEST) è risultato che per rimuovere 10 mg/L di solidi colloidali serve un dosaggio di 10 mg Al/L.

Soluzione: titolo di Al2O3 6% peso/peso

peso specifico 1,2 Kg/L

Al/d Kg 55Al/d mg 1055 10mg/L)1000L/m/dm (5500ogiornalier Dosaggio 633

L/d 4,1444Kg/L 1.2

Kg/d 1733,3soluzione Volume

Dosaggio necessario: 10 mg Al/L


Dosaggio dell’agente coagulante

In termini di soluzione commerciale al 6% in Al2O3:

soluzione Kg 100

OAl Kg 6 32

Tenuto conto dei pesi molari di Al2O3 (102 g/mol) e Al (27 g/mol) per passare a Kg di Al2O3 occorre moltiplicare per 1.89 (102/54)

/dOAl Kg 104 32

/dKg 3,17330,06

/dOAl Kg 104 32

Questa quantità va considerata per il volume del serbatoio di stoccaggio

Es: per un rifornimento ogni 15 gg occorre un serbatoio di circa 44 m3


Dimensionamento del comparto COAGULAZIONE

Scelta impiantistica: Miscelazione meccanica

1s900G s30t

μV

PG

33progetto m 1,9

s/h 3600

s 30/h m 230tQV

μVGP 2trasmessa

Assumendo sm

Kg101.002μ 3-

20

Ptrasmessa= 1.542 kW

kW 1.8140.85

1.542

η

PP trasmessa

assorbita Se η (0.85) è il Rendimento gruppo motore

N.B. per temperature più basse μ aumenta

la Potenza da applicare aumenta

conviene adottare un mixer a numero di giri variabile

M1

IN

Coagulante

OUT


Dimensionamento del comparto FLOCCULAZIONE

Scelta impiantistica: Miscelazione meccanica in due stadi

1° stadio:

2° stadio:

1s 60G

min 20t

1s 30G

33progetto m 76.6

min/h 60

min 20/h m 230tQV 40 m3 per ciascuno stadio

W1700.85

40msmKg101.002s60

P

311322

)20(2

assorbitaI

VG

STADIO I: GI: 60 s-1

W420.85

40msmKg101.002s30η

VμGP

311322

)(202

assorbitaI

STADIO II: GI: 30 s-1

NB: anche in questo caso attenzione alle temperature per la μ

M3M2

OUTIN


Dimensionamento del comparto SEDIMENTATOREOUT

FangoIN

Vasca di calma con C.I.S. tale da permettere la deposizione dei fiocchi

Velocità di up-flow (CIS)

Velocità di sedimentazione

Circolare con flusso ascensionale, CIS: 0.8-1.35 m/h C.I.S. = 1.2 m/h

23

m 191.6m/h 1.2

/hm 230

C.I.S.

QA Raggio = 7.8 m

Assumendo una profondità h = 3 m (volume dunque pari a 574,8 m3)

Tempo di ritenzione = 2.49 h

CHIARIFLOCCULATORE A BACINO UNICO


CHIARIFLOCCULATORE A LETTO DI FANGO

coagulazioneflocculazionesedimentazione

FILTRAZIONE RAPIDA

Processo di separazione che consiste nel passaggio della miscela solido-liquido attraverso un mezzo poroso che trattiene le particelle solide

FILTRAZIONE

RAPIDA Funzionamento a carico idraulico superficiale (C.I.S) elevati

h m

m

A

Q C.I.S.

2

3

Q

Q

A

Velocità di filtrazione

dipende da: • Qualità dell’influente

• Caratteristiche del mezzo filtrante

Progressivamente: INTASAMENTO FILTRO

AUMENTO DELLE PERDITE DI CARICO

AUMENTO DEL LIVELLO DELL’ACQUA SUL FILTRO

PEGGIORAMENTO DELLA QUALITA’ DELL’EFFLUENTE

Necessario: PULIZIA DEL FILTRO “CONTROLAVAGGIO”

FILTRAZIONE RAPIDA

FILTRAZIONE RAPIDAIN OUT

TORBIDITA’

PORTATA

< 10-20 NTU (meglio < 5 NTU)

ALTRIMENTI: precoce intasamento del filtro

TORBIDITA’

PORTATA

PERDITA DI CARICO

Se supera un certo valore (0.6 – 0.8 NTU)

CONTROLAVAGGIO

CONTROLAVAGGIO

Se supera un certo valore (1.5 – 2 m)

STRUMENTI DI CONTROLLO ESSENZIALI

ottimo 0.1 NTU

FILTRAZIONE RAPIDA

Acqua da filtrare

Acqua (+ aria) di lavaggio

Acqua filtrata

Acqua di lavaggio

Filtro in esercizioMisuratore perdita di carico

∆h

Funzionamento a CARICO COSTANTE:

Elettrovalvola sulla condotta a monte del filtro

APERTURA/CHIUSURA = funzione (∆h)

Filtro in controlavaggio

Acqua da filtrare

Acqua (+ aria) di lavaggio

Acqua filtrata

Acqua di lavaggio

espansione del filtro

FILTRAZIONE RAPIDA

A) Espansione del filtro in controlavaggio: (Tipicamente, 10 – 20% dell’altezza del letto)

Necessario tenerne conto nel progetto per evitare di perdere parte del letto filtrante nel controlavaggio

B) Acqua usata per il controlavaggio: acqua finale dell’impianto

C) Acqua di lavaggio: generalmente viene rimandata in testa all’impianto

FILTRAZIONE RAPIDA

PARAMETRI CARATTERISTICI DEL MEZZO FILTRANTE

• Range di dimensione: Dimensione massima e minima dei grani di cui è composto il

mezzo filtrante

• Dimensione effettiva: Dimensione dei fori del setaccio che trattiene il 90% in peso del

mezzo filtrante

• Coefficiente di uniformità:

10

60

φ

φ U.C.

60φ

10φ - Dimensione dei fori del setaccio attraverso cui

passa il 10% in peso del mezzo filtrante

- Dimensione dei fori del setaccio attraverso cui

passa il 60% in peso del mezzo filtrante

• Altri parametri: peso specifico, forma dei grani, porosità.

TIPOLOGIE DI LETTO FILTRANTE

• Single media: Letto filtrante costituito da un singolo materiale (tipicamente SABBIA)

• Dual media: Letto filtrante costituito da due diversi materiali (diverso peso specifico).

Questo tipo di letto permette di avvicinarsi maggiormente al funzionamento

di filtro IDEALE, in seguito alla fase di controlavaggio.

FILTRAZIONE RAPIDA

FILTRO IDEALE: Filtro in cui i primi strati attraversati dall’acqua sono composti da grani

di dimensioni maggiori e gli strati seguenti sono composti da grani di

dimensioni progressivamente più piccole.

L’acqua perde prima i solidi sospesi più grandi e poi quelli più piccoli.

Il filtro funziona ‘bene’ per tempi più lunghi (controlavaggio meno frequente).

controlavaggio

18η

D)ρ - (ρ g v

2OH

s2

Legge di StokesFILTRO IDEALE FILTRO CONTRARIO

A QUELLO IDEALE

Grani più piccoli sedimentano più lentamente di quelli più grandi.

FILTRO DUAL MEDIA (tipico)

Antracite: 3cm

g1.6ρ , dimensioni maggiori

Sabbia: 3cm

g2.65ρ , dimensioni minori

Single Media: conta D

Dual Media: conta ρ

L’antracite (dimensioni maggiori, peso specifico minore) sedimenta più lentamente della sabbia (dimensioni minori, peso specifico maggiore)

RIPRISTINO DEL FILTRO IDEALE

FILTRAZIONE RAPIDA

DIMENSIONAMENTO

1) Preliminare: scelta del tipo di letto filtrante

Caratteristiche note

Materiale/materiali;

Granulometria

Sistema di drenaggio

Carico idraulico superficiale

C.I.S.

h m

m2

3

2) Superficie totale del letto filtrante: AC.I.S.

Q A progetto

Letto di sabbia (Ф = 0.5 – 1 mm): C.I.S. = 5-12

Tabelle, manuali

h m

m2

3

Assumo: C.I.S.= 8

h m

m2

3

3) Numero di filtri

Controlavaggio: risparmio di acqua ed energia

h

m 230 Q

3

progetto

2m 28.75 8

230 A

Limitazione superficie di ogni filtro

Suddivisione della superficie totale in 2 filtri da 15 2m (3 m x 5 m)

4) controlavaggio

3) Spessore del letto filtrante

Normalmente il letto filtrante ha spessore totale: 0.5 -0.8 m

A sostegno del letto filtrante può essere inserito uno strato drenante in ghiaia di spessore: 0.2 – 0.3 m

Assumo: Spessore letto di sabbia: 0.6 m

Spessore letto drenante (ghiaia): 0.2 m

FILTRAZIONE RAPIDA

Fase 1 – 10 min: 15 Acquahm

m2

3

60 Ariahm

m2

3

Fase 2 – 10 min: 30 Acquahm

m2

3

Lavaggio 1 volta al giorno: ogni 24 ore

Consumo di acqua: Fase 1 – 3filtrifiltro2

3

m 75h 6

1 n A

hm

m 15

Fase 2 – 3filtrifiltro2

3

m 150h 6

1 n A

hm

m 30

TOT: 225 m3 ogni 24 ore

Acqua prodotta in 24 ore: 3progetto m 5500 24 Q 4% 100

Q

Q

prodotta

lavaggio Accettabile(< 5%)

FILTRAZIONE RAPIDA

FILTRO IN ESERCIZIOFiltri a sabbia Degremont (Anconella)

FILTRAZIONE RAPIDA

FILTRO IN CONTROLAVAGGIO

Filtri a sabbia Degremont (Anconella)

Sistemi di drenaggio dell’acqua filtrata

PRINCIPALI PARAMETRI CARATTERISTICI DEL G.A.C.

• Dimensione dei grani – Materiale più fine corrisponde a una maggiore velocità di adsorbimento ma anche a maggiori perdite di carico. Tipicamente le dimensioni dei grani sono 0.5 – 1 mm

• Superficie specifica – Superficie totale (tutti i pori compresi) per unità di volume. Per determinare la superficie dei pori si ricorre a due indici, indice di Iodio e Blu di Metilene: in pratica si tratta di stabilire la quantità di specifiche sostanze adsorbite da 1 g di carbone

• Densità apparente – Densità del materiale determinata senza contare il volume dei pori contenuti nel singolo grano e dei vuoti lasciati liberi fra grano e grano

FILTRAZIONE GAC

I FILTRI GAC

• Il GAC viene generalmente disposto come una struttura dedicata che ha l’aspetto di un normale filtro rapido. In alcuni casi due filtri sono disposti in serie: uno in up-flow e uno in down-flow.

• Anche i filtri GAC sono sottoposti a controlavaggio. Il controlavaggio del filtro GAC ha lo solo scopo di eliminare i materiali che determinano il intasamento e non di eliminare le sostanze adsorbite, per cui è invece necessaria la rigenerazione.

Fase del trattamento di potabilizzazione che permette di eliminare dall’acqua sostanze microinquinanti organici e inorganici che possono dare origine a problemi di odore e sapore.

ISOTERMA DI ADSORBIMENTO

FILTRAZIONE GAC

Relazione analitica fra la quantità di sostanza assorbita e la quantità della stessa sostanza che resta in soluzione (in condizioni di equilibrio e a T° costante).

Isoterma di Freundlich:

X = peso del materiale adsorbito

m = peso dell’adsorbente

C = concentrazione che resta in soluzione

n = costante

n

1

CKm

x

E.B.C.T. – Empity Bed Contact Time -Tempo di contatto del filtro GAC calcolato considerando vuoto lo spazio occupato dal GAC. Si tratta di uno dei parametri fondamentali per il dimensionamento di un filtro GAC. Determina il comportamento del filtro (anche biologico o meno).

GACV

QEBCT

EBCT > 30 min – Il filtro può ospitare colonie batteriche Filtro BAC – Biological Activated Carbon

EBCT: 5-30 min – Azione biologica limitata o nulla

Le isoterme di adsorbimento sono molto importanti nella progettazione del trattamento di filtrazione GAC perché permettono di prevedere la durata di un filtro in relazione alle caratteristiche del GAC, dell’acqua da trattare e degli standard di qualità dell’effluente.

FILTRAZIONE GAC

Q Q Q Q

T. V

Con

cent

razi

one

Conc. effluente

Conc. limite

Zona di trasferimento di massa: in questa zona il carbone adsorbe attivamente le sostanze in soluzione in grado variabile nel senso del flusso fra 0 a 100%.

Sopra questa zona il GAC ha raggiunto il punto di equilibrio dinamico

Sotto questa zona il GAC è ancora vergine

CURVA DI ROTTURA

PUNTO DI ROTTURA

PUNTO DI ESAURIMENTO

PUNTO DI RIGENERAZIONE

Fissato un valore C limite si individua un punto sulla curva di rottura raggiunto il quale occorre procedere alla rigenerazione del GAC (fisicamente o chimicamente)

ROTTURA E ESAURIMENTO DEL FILTRO GAC

DIMENSIONAMENTO

FILTRAZIONE GAC

1) Superficie del filtro GAC

Scelta di un opportuno C.I.S., generalmente: 4 – 10 hm

m2

3

Assumo: C.I.S. = 6

hm

m2

3

C.I.S.

QA progetto

2) Altezza del filtro GAC

Scelgo EBCT = 20 min (NO attività biologica)

EBCTQV progettogac

h

m 230 Q

3

progetto A = 38 m2

2mA

EBCTQ

A

Vh progettogac

FILTRAZIONE GAC

3) Rateo di utilizzo del GAC

Ipotesi: (a) Il comportamento del GAC può essere descritto dall’isoterma di Freundlich

n

1

mg

L

g

mg350K

0.35

n

1e

(b) Valore limite TOC in uscita: 0.5 mg/L

(c) Valore medio TOC in entrata: 6 mg/L

275)(TOC350gGAC

mgTOC n

1

limiteconsumato

ads

mg1033.12m

L 1000h 24

h

m Q

L

mgTOCTOC mg 6

3

3

progettoINads

436g120gGACconsumato

In un giorno si accumula sul GAC una quantità pari a:

120giorno

GAC Kg consumato

FILTRAZIONE GAC

4) Vita utile del filtro GAC

Ipotesi: (a) altezza della zona di trasferimento di massa (ZTM): 15 cm

(b) nella ZTM si ha un incremento del TOC in uscita di 0.15 mg per ogni cm

(c) Densità apparente GAC: 500

Q

Alte

zza

filtr

o =

2m

ZT

M =

0.1

5 m

In uscita è accettabile TOC =0.5 mg/L, quindi il filtro può funzionare oltre il punto di rottura fino a che questo limite in uscita è garantito.

Al punto di rottura l’uscita sarebbe ancora TOC nullo con altezza utile: (2-0.15)= 1.85 m

A questo va aggiunto uno “sprofondamento” fittizio della ZTM di una quantità tale che il TOC in uscita sia 0.5 mg/L, e cioè:

cm 3.3

cmLmg

0.15

Lmg

0.5 altezza utile = (1.85+0.03) m

Volume utile = 1.88 x 38 = 71.4 m3

3m

Kg

Consumo GAC =giorno

GAC Kg 120 consumato 297giorni

120

35700

consumo

Massa UtileVita utile

Massa utile = 71.4 x 500 =35700 Kg

RIGENERAZIONE DOPO CIRCA 300 giorni

DISINFEZIONE FINALE

OBIETTIVI: • Inattivazione dei microrganismi patogeni presenti in acqua

• Protezione dell’acqua potabile durante la permanenza nella rete di distribuzione all’utenza

PRODOTTI IMPIEGATI

Tradizionalmente si tratta di prodotti chimici a base di cloro perché permettono l’esistenza di un residuo nell’acqua trattata stabile nel tempo (protezione nella rete di distribuzione).

PROBLEMATICA

L’impiego di prodotti chimici, efficaci nell’inattivazione dei microrganismi, comporta la formazione di sottoprodotti di reazione indesiderati, la cui concentrazione è limitata dalla Normativa in materia (Dlgs. 31/2001).

• Cloro gas e Ipoclorito di Sodio (NaClO)

• Cloroammine

• Biossido di Cloro (ClO2): attualmente il più usato

• Ozono

• radiazione UV

DISINFEZIONE FINALE

(A) Concentrazione del disinfettante:

Effetto della concentrazione dato da: KTCn

C è la concentrazione del disinfettante

T è il tempo di contatto per raggiungere un dato livello di inattivazione dei batteri

K è una costante

n è il coefficiente di diluizione (o l’ordine della reazione): se n > 1 è più importante la concentrazione, se n < 1 è più importante il tempo di contatto

n e K dipendono da pH, Temperatura, tipo di disinfettante, tipo di batterio

FATTORI CARATTERISTICI DELLA DISINFEZIONE

(B) Tempo di contatto

In teoria l’inattivazione dei microrganismi segue la legge di Chick: kNdt

dN

N è il numero degli organismi sopravvissuti

k è il rateo di inattivazione dipendente sia dal tipo di microrganismo che dal tipo di disinfettante

In pratica la relazione è molto più complessa: dipende da tutte le condizioni particolari sotto le quali avviene il processo di inattivazione

(C) Temperatura

All’aumentare della Temperatura aumenta il rateo di disinfezione chimica

(D) Torbidità

Le sostanze in sospensione possono interferire nel processo di disinfezione proteggendo i microrganismi contro l’azione del disinfettante. Risulta importante ridurre la torbidità prima di effettuare il processo di disinfezione.

DISINFEZIONE FINALE

(E) Richiesta di ossidante (disinfettante)

Dosaggio 1 mg/L di cloro

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

t (min)

Cl2

(m

g/L

)

clororesiduo

clororichiesta

La richiesta di ossidante è la dose di disinfettante che è necessario fornire per trovare un determinato residuo di esso dopo un tempo stabilito (30 minuti, 1 ora, 2 ore…) .

Si tratta di un parametro sperimentale che caratterizza l’acqua da trattare e aiuta il progettista a scegliere il prodotto e il dosaggio più opportuni.

DISINFEZIONE FINALE

DISINFETTANTE RESIDUO

PARAMETRI MICROBIOLOGICI INDICATORI

• Escherichia Coli: assenti in un campione da 100 ml

• Enterococchi: assenti in un campione da 100 ml

DISINFEZIONE:

PROCESSO DIFFICILE DA MODELLARE

• Dosaggio in base a PROVE SPERIMENTALI PRELIMINARI

• VERIFICA a posteriori dell’efficienza del processo

VERIFICHE A POSTERIORI - Rispetto della Normativa (Dlgs. 152/2006)

SOTTOPRODOTTI DI DISINFEZIONE

Consigliato un valore minimo di 0.2 mg/L per la protezione nella rete di distribuzione (campionamento in rete)

Uso di Cloro o Ipoclorito di Sodio: Trialometani (sospetti cancerogeni): < 30 μg/L

Uso di Biossido di Cloro: Ione Clorito (forme anemiche): < 0.7 mg/L

DISINFEZIONE FINALE

DIMENSIONAMENTO

1) Scelta del prodotto e del dosaggio

Ossidante (Disinfettante) scelto: Biossido di Cloro (ClO2)

Il dosaggio viene scelto in base a prove sperimentali che attestino l’efficacia nell’inattivazione dei microrganismi e l’esistenza di un residuo di disinfettante che protegga l’acqua nella rete di distribuzione.

Generalmente: 0.5 – 1.5 mg/L di cloro (Cl-ClO2)

2) Vasca di contatto

Il volume della vasca deve garantire un tempo di contatto adeguato al processo di disinfezione.

Assumo: h 1Tcontatto

h

m 230Q

3

progetto

3contattoprogetto m 230TQV

DISINFEZIONE FINALE

IN

OUT

Bacino di contatto

3) Accorgimenti particolari

TEMPO DI CONTATTO: Per garantire che l’acqua e il disinfettante siano in contatto per il tempo stabilito occorre evitare la presenza di “zone morte” o “corto-circuiti”. In pratica si tratta di avvicinarsi il più possibile al comportamento di un rettore di tipo PLUG-FLOW e si realizza inserendo opportunamente dei SETTI nel bacino di contatto.

PROTEZIONE DELLA VASCA: La vasca di disinfezione raccoglie l’acqua potabilizzata prima di inviarla alla centrale di spinta e poi alla rete di distribuzione. E’ necessario coprire le vasche per proteggere l’acqua da possibili fonti di inquinamento.

n.b. per il dimensionamento della vasca (numero di setti, lunghezza, …) si veda l’esercitazione sulla depurazione

ESERCITAZIONE POTABILIZZAZIONE

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