Studio teorico del funzionamento di un dispositivo di disoleazione

Studio teorico del funzionamento di un disposi3vo di disoleazione

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI TRIESTE Dipar3mento di Ingegneria

Urbanizzazione

Il crescente sviluppo delle aCvità umane ha portato ad un aumento dell’urbanizzazione e quindi all’impermeabilizzazione dei suoli, questo produce alcuni effeC come: •  Minore infiltrazione delle acque nel soLosuolo.

•  Incremento delle acque des3nate alle re3 fognarie provenien3 da superfici stradali.

Conseguenze legate all’urbanizzazione: inquinamento delle acque di prima pioggia

•  Durante i periodi secchi avviene il deposito nelle superfici stradali di sedimen3

•  Il traffico veicolare rilascia inquinan3 che si aLaccano ai sedimen3 deposita3

•  Con l’inizio degli even3 meteorici le acque di prima pioggia rompono tale accumulo e trasportano mediante deflusso il par3colato inquinato ai la3 della strada (PM).

•  La pioggia trasporta anche una piccola percentuale di inquinan3 leggeri in forma disciolta (TDM).

Variazione del quan3ta3vo di sedimen3 ad opera del deflusso superficiale

Granulometrie dei sedimen3

•  In seguito al deposito del par3colato, l’azione di traffico , vento e precipitazioni meteoriche riducono in parte le granulometrie

•  Da campionamen3 effeLua3 [Vaze 2004] emerge che la maggior parte dei sedimen3 ha diametri compresi tra 50-‐1000 micron.

•  Le densità dei sedimen3 sono comprese tra 2200−2600 𝑘𝑔∕𝑚↑3  

Distribuzione dei sedimen3 nelle superfici stradali

Inquinan3

Da sperimentazioni effeLuate emerge che i principali inquinan3 aLacca3 al par3colato stradale sono: •  Metalli pesan3(As, Pb, Fe, Cd, Cu, Mn, Zn, Cr): dovu3 a combus3one di carburan3, oli e usura dei veicoli

•  Nutrien3 (TP, TN): i quali sono trasporta3 da veicoli provenien3 da zone limitrofe

Morfologia dei sedimen3 inquina3

Distribuzione granulometrica della superficie inquinata

•  I metalli pesan3 si trovano per oltre il 90% della massa totale aLacca3 a sedimen3 con ∅≥50𝜇𝑚

•  I nutrien3 si trovano per oltre 85% aLacca3 a sedimen3 con ∅≥70𝜇𝑚

•  Circa il 10% della massa si trova in forma disciolta all’interno del corpo idrico

Accumulo di nutrien3

Accumulo di metalli pesan3

TraLamento degli inquinan3

Alcuni dei sistemi di traLamento prevedono due meccanismi di chiarificazione: •  Dissabbiatura: avviene per sedimentazione del par3colato inquinato (PM)

•  Disoleazione : avviene per floLazione delle par3celle leggere in forma disciolta (TDM)

Funzionamento di un disposi3vo di chiarificazione a piastre parallele

Analizzando un disposi3vo a piastre parallele inclinate il funzionamento prevede che vi siano alcune condizioni fondamentali: •  il flusso tra le lastre sia laminare •  Velocità comprese tra 0,0015−0,006 𝑚∕𝑠  •  Re 2-‐100

Profilo di velocità

Par3cle tracking delle par3celle

SoLo le condizioni appena esposte è stato sviluppato un par3cle tracking per studiare la fisica delle traieLorie delle seguen3 par3celle: •  Inquinan3 aLacca3 ai sedimen3 (PM): ∅=50 𝜇𝑚 𝜌=2200𝑘𝑔∕𝑚↑3   •  Inquinan3 presen3 in forma disciolta (TDM) ∅=60 𝜇𝑚 𝜌=850 𝑘𝑔∕𝑚↑3  

Le par3celle, in accordo con la teoria dei flussi laminari, vengono trascinate verso l’uscita finché si trovano a metà tra le due lastre, dove vi sono al3 valori di velocità. Ma, progressivamente al loro avvicinamento alle piastre, la maggior influenza della del peso determina la sedimentazione. Ciò avviene per i sedimen3 inquina3:

e analogamente per la frazione leggera, con la differenza che gli inquinan3, essendo più leggeri dell’acqua, vanno a raccogliersi nelle pare3 superiori

Disposi3vo a onde orizzontali

analizzando un disposi3vo a onde orizzontali, con le stesse caraLeris3che del caso precedente, sono sta3 oLenu3 dei valori di efficienza nella rimozione degli inquinan3 con i quali verrà effeLuato un confronto con il chiarificatore oggeLo di studio. Le caraLeris3che sono iden3che al caso precedente: •  Velocità comprese tra (0,0015−0,006) 𝑚∕𝑠  •  Re (2-‐100)

Geometria del modello

Profilo di velocità

Par3cle tracking

SoLo le condizioni appena esposte si è studiato il par3cle tracking degli inquinan3 con le seguen3 caraLeris3che: •  Inquinan3 aLacca3 ai sedimen3: ∅=50−70 𝜇𝑚 𝜌=2200𝑘𝑔∕𝑚↑3   •  Inquinan3 presen3 in forma disciolta ∅=40−60−80 𝜇𝑚 𝜌=850 𝑘𝑔∕𝑚↑3  

Par3cle tracking dei sedimen3

∅=𝟓𝟎 𝝁𝒎

Numero di particelle entranti 510

Particelle sedimentate 510

Particelle non sedimentate 0

Massima distanza percorsa 0,037 𝑚

Minima distanza percorsa 7,33∙ 10↑−9  𝑚

densità 2200 𝑘𝑔∕𝑚↑3   ∅=𝟕𝟎 𝝁𝒎




Massima distanza percorsa 0.018 𝑚

Minima distanza percorsa 7,30∙ 10↑−9  𝑚

densità 2200 𝑘𝑔∕𝑚↑3  

Par3cle tracking della frazione disciolta

∅=𝟒𝟎 𝝁𝒎

Numero di particelle entranti 510 Particelle intrappolate 336

Particelle uscenti 174 Massima distanza percorsa 0,29 𝑚

Minima distanza percorsa 0.0005𝑚

densità 850 𝑘𝑔∕𝑚↑3   ∅=𝟔𝟎 𝝁𝒎


Particelle uscenti 0 Massima distanza percorsa 0.26 𝑚

Minima distanza percorsa 0.0005 𝑚

densità 850 𝑘𝑔∕𝑚↑3   ∅=𝟖𝟎 𝝁𝒎



Minima distanza percorsa 0.0005𝑚

densità 850 𝑘𝑔∕𝑚↑3  

TraieLorie dei sedimen3

TraieLorie della frazione leggera

Studio del disposi3vo commerciale

La par3colare forma geometrica del chiarificatore ha le seguen3 peculiarità: •  Il disposi3vo commerciale oggeLo di studio è composto dalla sovrapposizione di piani a forma di greche, i quali generano canali di forma trapezoidale pos3 uno sopra l’altro e tra loro inclina3 a 60°, all’interno dei quali scorre l’acqua contaminata.

•  La sovrapposizione dei canali trapezoidali genera delle superfici di contaLo, che producono ricircolo e vor3cità nel flusso.

Geometria del disposi3vo

Superfici di contaLo

Funzionamento del disposi3vo

•  All’interno dei vari canali il flusso è laminare •  Il flusso scorre dal basso verso l’alto, quindi l’acqua entra contaminata ed esce pulita

•  All’interno del chiarificatore, a causa del contaLo tra i canali di forma trapezoidale, si genera vor3cità e ricircolo

Direzione del flusso

CaraLeris3che del flusso

•  I valori per lo studio del flusso sono sta3 analizza3 in sezioni poste in mezzeria

Profili di velocità

Profili di velocità in sezione (B-‐B)

Profili di velocità i sezione (A-‐A)

Sviluppo di ricircolo e vor3cità •  Linee di flusso in corrispondenza delle superfici di contaLo

•  VeLori velocità in corrispondenza delle superfici di contaLo

Par3cle tracking

SoLo le condizioni appena esposte si è studiato il par3cle tracking degli inquinan3 con le seguen3 caraLeris3che: •  Inquinan3 aLacca3 ai sedimen3: ∅=50−70 𝜇𝑚 𝜌=2200𝑘𝑔∕𝑚↑3   •  Inquinan3 presen3 in forma disciolta ∅=40−60−80 𝜇𝑚 𝜌=850 𝑘𝑔∕𝑚↑3  

Par3cle tracking dei sedimen3 (PM) ∅=𝟓𝟎 𝝁𝒎




Massima distanza percorsa 0,28 𝑚

Minima distanza percorsa 2∙ 10↑−9  𝑚

∅=𝟕𝟎 𝝁𝒎




Massima distanza percorsa 0.035 𝑚

Minima distanza percorsa 4.08∙ 10↑−12  𝑚

•  TraieLorie dei sedimen3 con diametro pari a 50 micron

•  TraieLorie delle par3celle pari a 70 micron

Par3cle tracking della frazione disciolta (TDM)

∅=𝟒𝟎 𝝁𝒎


Particelle uscenti 539 Massima distanza percorsa 0,28 𝑚


∅=𝟔𝟎 𝝁𝒎




∅=𝟖𝟎 𝝁𝒎



Minima distanza percorsa 2∙ 10↑−12  𝑚

Diagrammi di Camp

ALraverso la costruzione dei diagrammi di Camp è possibile meLere a confronto i due disposi3vi per poterne paragonare le efficienze. Con le stesse velocità viste in precedenza sono state faLe delle simulazioni con i seguen3 diametri:

•  ∅↓1 =1 𝜇𝑚

•  ∅↓2 =5 𝜇𝑚

•  ∅↓3 =10 𝜇𝑚

•  ∅↓4 =20 𝜇𝑚

•  ∅↓5 =30 𝜇𝑚

•  ∅↓6 =40 𝜇𝑚

•  ∅↓7 =50 𝜇𝑚

•  ∅↓8 =60 𝜇𝑚

•  ∅↓9 =70 𝜇𝑚

•  ∅↓10 =80 𝜇𝑚

Diagrammi di Camp

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,00002 0,00004 0,00006 0,00008 0,0001 0,00012 0,00014 0,00016

1-‐qu/qe

W/u*

Lw/uH=0,0020

Lw/uH=0,0030

Lw/uH=0,0041

Lw/uH=0,0061

Lw/uH=0,0080

Disoleatore a canali inclina3

Disoleatore a onde orizzontali

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,00002 0,00004 0,00006 0,00008 0,0001 0,00012 0,00014 0,00016

1-‐qu/qe

W/u*

Lw/uH=0,0020

Lw/uH=0,0030

Lw/uH=0,0041

Lw/uH=0,0061

Lw/uH=0,0080

Dissabbiatore a canali inclina3

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4

1-‐qu/qe

W/u*

Lw/uH=27,2185

Lw/uH=38,5776

Lw/uH=47,2477

Lw/uH=54,5569

Lw/uH=66,8184

Lw/uH=74,7052

Lw/uH=81,8354

Lw/uH=94,4748

Dissabbiatore a onde orizzontali

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4

1-‐qu/qe

W/u*

Lw/uH=27,2185

LW/uH=38,5776

Lw/uH=47,2477

Lw/uH=54,5569

Lw/uH=66,8184

Lw/uH=74,7052

Lw/uH=81,8354

Lw/uH=94,4748

CONCLUSIONI

•  Dai risulta3 numerici e dai diagrammi di Camp emerge che l’efficienza di rimozione è minore nei disposi3vi a canali inclina3 rispeLo a quelli a onde orizzontali. Questo perché essendoci ricircolo e vor3cità si creano fluLuazioni turbolente che ostacolano il traLamento delle par3celle e le tengono maggiormente in sospensione, arrivando dunque a coprire distanze magg io r i r i speLo a l t raLamento con chiarificatore a onde orizzontali.

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