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CORSO DI INGEGNERIA SANITARIA AMBIENTALE Prof. PIROZZI Appunti a cura di Dario Pratola Versione riveduta e corretta 2011-2012

Ingegneria Sanitaria Ambientale

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Appunti del corso di Ingegneria Sanitaria AmbientaleIngegneria ChimicaProf PirozziUniversità degli studi di Napoli Federico II

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Page 1: Ingegneria Sanitaria Ambientale

CORSO DI

INGEGNERIA

SANITARIA

AMBIENTALE

Prof. PIROZZI

Appunti a cura di Dario Pratola

Versione riveduta e corretta 2011-2012

Page 2: Ingegneria Sanitaria Ambientale

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Page 3: Ingegneria Sanitaria Ambientale

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SST: SS sedimentabili => peso specifico maggiore di quello dell’acqua, tendono a sedimentare SS flottanti => peso specifico inferiore a quello dell’acqua, vanno in superficie CONO DI IMHOFF

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Abbiamo utilizzato la forza di gravità. Il comportamento di non tutti i fluidi è legato alla viscosità, esempio colloidali.

Per fare questa misura si utilizza un contenitore di vetro a forma conica(Imhoff), graduato e con capacità

massima di 1L in cui viene introdotto il campione da analizzare.

Si lascia in quiete per 2h su una superfice piana dopo di che si osserva il volume occupato dalla parte

solida e si misura in mL/L.

Misura dei solidi sospesi totali = �������������

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-COLLOIDI (forze elettrostatiche)

Ci possono essere dei composti disciolti nell’acqua detti colloidi che non tendono né a sedimentare ne a

flottare e quindi non tendono a separarsi dall’acqua con la sola forza di gravità. La grandezza di queste

particelle va da 10-3 a 10-9 mm. (piccole)

I colloidi sono tipicamente solidi sospesi ma si comportano come solidi disciolti e sono soggetti a forze di

superfice.

Essi determinano la torbidità infatti è intesa in maniera indiretta come quantità di colloidi in acqua.

Questo controllo viene effettuato solo sulle acque di approvvigionamento e avviene tramite un

NEFELOMETRO, tarato inserendo una serie di campioni di concentrazioni note di formazione.

Quest’ultimo è costituito da una sorgente di luce da un lato e dall’altro un registratore dell’intensità

luminosa in cui al centro dei due viene posto il campione da analizzare posto in un contenitore

trasparente.

Il raggio luminoso che attraversa il contenitore subirà delle deviazioni tanto più rilevanti quanto

più è alta la concentrazione di colloidi in acqua. (confronto la deviazione ottenuta con una nota)

Il valore restituito dal NEFELOMETRO è in mg/L di colloidi ed è un macchinario che va tarato con campioni

di acqua a concentrazione nota.

-Solidi Disciolti(SD)

È una quantità uguale alla differenza tra ST-SST=SD.

Se la si vuole misurare direttamente si può far evaporare l’acqua filtrata proveniente dalla SST.

I SOLIDI TOTALI sono composti da una parte organica e da una parte inorganica.

SOLIDI TOTALI:

-solidi totali volatili(STV) (INORGANICI)

-solidi totali non volatili(STNV) (ORGANICI)

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Page 8: Ingegneria Sanitaria Ambientale

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-TOC(total Organic Carbon)

Misura della quantità totale di carbonio presente nelle sostanze organiche in modo diretto senza

misurare l’ossigeno .

Questa misura è molto più precisa ma meno usata in quanto non è un previsto come paramatro dalle

normative nazionali.

Il metodo si basa sul principio che le sostanze organiche possono essere trasformate il anidride carbonica

e acqua attraverso reazioni biochimiche, ossidative e TERMICHE.

1.il campione viene posto in forno a 950°C dove tutto il C si trasforma in CO2 (reazione di combustione) L’acqua però contiene anche composti non organici come la Ca C O3 ma questi composti si

decompongono a C O2 a soli 150°C circa.

Quindi prima effettuo un riscaldamento a tale temperatura e misuro la C O2 poi completo la combustione

fino a 950°C.

Infine basta effettuare una sottrazione per ottenere tra la C O2 a 950 – quella a 150.

Per le acque reflue il rapporto tra COD e TOC va da 2 a 6 (il rapporto è difficile da stimare).

-DUREZZA

È un parametro che va misurato solo sulle acque da approvvigionamento, poiché il contenuto di

Sali vanno ad influenzare il sapore dell’acqua.

È determinata da Sali disciolti nell’acqua come Ca e Mg.

-CO3 =carbonati

-HCO3 =bicarbonati

-Solfati=SO4

-Cloruri=Cl

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. CaCO3 (incide poco ) 3

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HCO3 2.

Ca(HCO3 )2 4.

Mg(HCO3 )2

Cl 5.

CaCl2 6.

MgCl2

SO4 7.

CaSO4 8.

MgSO4

CaCO3 è poco solubile per questo incide poco ma si considera comunque poiché la durezza viene

espressa in equivalenti di CaCO3

La durezza incide anche sulla convenienza tecnologica dell’acqua ovvero nel suo utilizzo nei cicli produttivi

industriali.

Le acque vengono classificate in base alla durezza:

-molle < 50 mg/L di CaCO3

-poco dura 50 < D < 150 mg/L di CaCO3 (potabile) (le più usate per uso potabile)

-dura 150 < D < 300 mg/L di CaCO3

-molto dura > 300 mg/L di CaCO3 La durezza si divide in tre gruppi:

durezza calcica : 1-2-5-7 ( CaCO3 , Ca(HCO3)2 , CaCl2 , CaSO4 )

durezza magnesiaca : 3-4-6-8 ( MgCO3 , Mg(HCO3)2 , MgCl2 , MgSO4 )

durezza carbonica : 1-2-3-4 carbonati e bicarbonati ( CaCO3 , Ca(HCO3)2 , MgCO3 , Mg(HCO3)2 )

durezza non carbonica : 5-6-7-8 solfati e cloruri (CaCl2 , CaSO4 , MgCl2 , MgSO4 )

Page 9: Ingegneria Sanitaria Ambientale

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durezza temporanea : 1-2-3-4 sali disciolti : carbonati, bicarbonati

durezza permanente : 5-6-7-8 tutti gli altri

Il sistema di trattamento cambia a seconda che l’acqua sia carbonica o no.

Tale comportamento va valutato in base all’aumentare della temperatura.

Alcuni Sali(carbonati e bicarbonati)con un incremento della T passano dallo stato disciolto allo stato

sospeso e ne determinano la durezza temporanea dell’acqua.

Bisogna ridurre la durezza per la sicurezza di persone e apparecchiature(es. calcoli renali, incrostazioni in

tubature, eccessivo consumo di detergente, aumento costo energetico poiché si innalza il punto di

ebollizione dell’acqua).

se T sale, la durezza temporanea diminuisce.

-EQUILIBRIO BICARBONICO DELL’ACQUA

La possibilità di trovare bicarbonato nell’acqua dipende dall’incontro delle acque meteoriche con

CaCO3 (al suolo) che a una data temperatura instaura una condizione di equilibrio.

H2 O +C O2 +CaCO3 ↔ Ca(HC O3 )2

-Diagramma Di Tillman

L’acqua, precipitando, incontra CO2

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Se cade sulle montagne calcaree:

CaCO3 + H�CO� ↔ Ca(HCO3 )2

Se l’acqua si trova sulla curva, essa è in equilibrio

bicarbonico.

Diagramma della CO2 libera in funzione della

CO2 semicombinata (concentrazione di Ca(HCO3 )2 ).

Le acque che hanno un contenuto di C O2 libera

superiore a quello che coincide con la condizione di

equilibrio si chiamano acque aggressive.

Le acque che presentano un difetto di C O2 rispetto all’equilibrio carbonatico(portando ad una formazione

di Ca C O3 ) si dicono incrostanti.

L’acqua intubata non può essere né troppo aggressiva(incontrando materiale cementizio la C O2

tenderebbe immediatamente a reagire causando corrosione) ne troppo incrostata(la Ca C O3 precipita

ostruendo le condotte)

Nei condotti si deve fare in modo che l’acqua sia sulla curva, ma la concentrazione varia con la

temperatura e con la pressione, molto difficile.

Ca(HCO3 )2

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-TEST SU MEMBRANA cfu/mL

unità formanti colonia (l’unità sono i microrganismi inizialmente presenti)

1.filtro l’acqua che voglio analizzare con una membrana da 0.45µm

2.introduco la membrana in un contenitore con un brodo di coltura che favorisce solo la crescita dei

coliformi.

3.si pone a 35°C per 24h( in questo arco di tempo i microrganismi cresceranno formando delle colonie)

4.si misura la lunghezza dei filamenti delle colonie che saranno tanto più lunghi tanti più microrganismi

saranno presenti in partenza

-TEST DI FERMENTAZIONE IN MULTITUBO mpn/mL

mpn : numero più probabile di microrganismi

1.si preparano 3 gruppi da 5 tubi ognuno (15 contenitori complessivamente)

2.introduco nei tre gruppi quantità crescenti di acqua da esaminare

3.introduco sostanza nutriente (favorisco solo la crescita dei coliformi)

4.tappo i tubi e li metto a T=35°C

5.dopo 24h osservo l’attività microbica tramite la presenza o meno di CO2

Esistono tabelle probabilistiche create appositamente per valutare la quantità di coliformi presenti in

acqua con tale sistema.

IMPIANTI DI TRATTAMENTO DELLE ACQUE DI APPROVVIGIONAMENTO

Impianto

potabilizzazione utenza

In base all’utenza e alle caratteristiche del corpo idrico si decide l’impianto da utilizzare.

-REQUISITI DI QUALITA’ DEL CORPO IDRICO

Non tutti i corpi idrici per la legge italiana possono essere usati come fonte di approvvigionamento.

-Nel 1982 venne introdotto il DPR(decreto presidente repubblica) 515/1982 il quale

imponeva che:

1.tutte le falde potevano essere usate per ottenere acque potabili

2.solo alcuni laghi e fiumi superficiali potevano essere usati per ottenere acque potabili

3.era vietata la produzione di acqua potabile a partire da acqua di mare (salvo soluzioni particolari: in

Arabia Saudita si produce dal mare). Quest’ultima norma è giustificata dal fatto che in Italia

possediamo acque di ottima qualità reperibili a poca distanza da dove viviamo.

-successivamente con il DL 152/2006 tutti i corpi idrici superficiali sono stato oggetto di una

classificazione in funzione dei requisiti di qualità.

4 tipi di corpi idrici: A1 , A2 , A3 , NO NAME

In tutto sono 46 parametri che vanno a determinare 4 categorie e vale solo per le acque superficiali:

15 contenitori con 3

diversi riempimenti

d’acqua

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Page 13: Ingegneria Sanitaria Ambientale

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MODALITA’ DI PRELIEVO DI UN ACQUA

opera di captazione

-LAGO

Torrino di Pisa: torre verticale

Il torrino di Pisa non va posizionato al centro del lago perché

potrebbe essere troppo profondo.

Il torrino di pisa non va posizionato troppo vicino alla

sponda poiché nei mesi di secca rischia di non poter pescare

acqua, quindi lo si posiziona in modo da avere circa due

metri dalla superfice . L’altezza è anche giustificata dal fatto che sulla superfice tenderebbe a pescare tutto

il materiale sospeso intasando facilmente la griglia protettiva posta davanti ad ogni bocca. Il torrino

possiede più bocche per poter garantire il pescaggio dell’acqua anche quando vi sono ondulazione dovute

alle correnti.

-FIUME

Si opera facendo una deviazione laterale del fiume e

viene presa solo una parte di acqua. L’opera deve fare

in modo che nel punto di prelievo il pelo libero sia

costante. Si tratta di un’opera di sbarramento

trasversale al flusso dell’acqua di modo da prelevare

l’acqua in maniera costante. Inserisco poi un canale,

tubazione che va ad alimentare il livello di acqua nell’impianto di potabilizzazione.

Si attua uno sbarramento tramite una traversa che mantiene costante il pelo libero, affinchè in ogni

periodo dell’anno il livello dell’acqua sia sempre costante garantendo un giusto pescaggio.

Il prelievo non deve avvenire in superficie (legnetti, foglie rappresentano solidi grossolani) e nemmeno sul

fondo (terra = SST sedimentabili); deve essere fatta a 2 m dal pelo libero e dal fondo.

Le bocche da presa sono coperte da griglia

TORRINO DI PISA:

formato da bocche all’interno delle quali entra l’acqua che

passa per delle tubazioni che arrivano a portare l’acqua in una

vasca, dalla quale viene portata fuori. Le bocche sono

richiudibili in modo da prelevare l’acqua ad un’altezza fissata.

IMPIANTO

CANALE

FIUME

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Page 15: Ingegneria Sanitaria Ambientale

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Page 16: Ingegneria Sanitaria Ambientale

15

introdotta tramite un canaletto e costretta ad uscire dai pori laterali del microstaccio stesso.

Facendo ruotare il microstaccio posso evitare otturazioni in una sola parte del tamburo e inoltre si può

attuare una pulizia con aria ed acqua in

pressione.

Queste ultime vengono spruzzate sulla parte del

tamburo che si trova al di sopra delle superfici e

dell’acqua.

All’interno del tamburo è presente un canaletto

che cattura l’acqua di pulizia evitando che tale

acqua(piena di residui) cada nell’acqua che si sta

trattando.

Normalmente non si può mai prevedere un solo

microstaccio in quanto, essendo un apparecchiatura elettromeccanica, è soggetta a rottura.

Quindi si prevede una microstacciatura con diversi microstacci posti in parallelo.

Sedimentazione (FIUME)

Processo tipicamente usato per rimuovere dall’acqua la frazione di solidi sedimentabili. Processo di tipo

fisico che sfrutta la forza di gravità .

Immaginiamo in un primo momento che l’acqua su cui si vuole attuare tale processo sia in quiete,

le eventuali particelle con peso specifico superiore all’acqua sono soggette a due forze:

-la forza gravitazionale

-la forza di Archimede

Se la forza peso risulta maggiore di quella di Archimede si innesca istantaneamente una forza resistente

che si oppone al moto limitando la velocità impiegata dalle particelle posarsi sul fondo.

P-G-R=0 esplicitando tali forze possiamo ricavare la velocità di sedimentazione

U è una velocità costante ed è funzione della densità della particella, della

densità del fluido e del diametro della particella.

U = f ( ��, ��, �� ) �� �� �� ��∙�

�∙�

�∙�

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��∙�

(µ = viscosità del fluido)

�� = velocità terminale di caduta

Ostacolata: vi aumentata da particelle con r > ri e diminuita da particelle con r < ri (modificano la viscosità

apparente del fluido)

Se ho sedimentazione ostacolata (se cioè non sono in condizioni di diluizione infinita) non posso applicare

la legge di Stokes, ma posso rilevare la velocità solo sperimentalmente.

Ad esempio, se dP (max) � 6 dP (min) : TEST DEL CILINDRO per conoscere velocità di sedimentazione.

In realtà l’ipotesi dell’acqua in quiete non è accettabile, poiché nella fase di sedimentazione viene

continuamente alimentata una portata di acqua che, detta A la superfice ,è attraversata dal fluido e la sua

velocità sarà v=Q/A.

G R

P Legge di Stokes in

regime laminare

(Re < 0.1)

Page 17: Ingegneria Sanitaria Ambientale

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Page 18: Ingegneria Sanitaria Ambientale

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Page 19: Ingegneria Sanitaria Ambientale

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Page 20: Ingegneria Sanitaria Ambientale

19

In impianto di depurazione invece Td è compreso tra le 2-3 ore

B limitato da lunghezza sistemi di pulizia: MAX 7-8 m.

Quindi si hanno dei limiti nella costruzione che però si possono aggirare se si è disposti a spendere molto

di più (almeno un ordine di grandezza).

Questi tipi di vasche sono sempre dotati di sistemi di pulizia elettromeccanici e possono essere di due tipi:

-a carrello (carroponte) a va e vieni

-a catena (ferroponte) a va e vieni

Mentre l’acqua attraversa la vasca, la particella è soggetta da una parte al trascinamento, e da una parte

tende a cadere.

Alcune particelle riescono a sedimentare, altre stramazzano.

La possibilità di sedimentazione non dipende tanto dalla lunghezza, ma dall’area della sezione � = �

�=

��

Carrello(carroponte) a va e vieni

Consiste in una trave appoggiata sul bordo di una

vasca su due binari oppure dotata di gomme a cui è

collegato un braccio che poggia sul fondo dove è

collegato un raschiatore.

Il braccio è completamente immerso e quando la

trave deve tornare indietro esso si alza fino a pelo

dell’acqua “raschiando” anche la superficie.

In questo modo si raccolgono parte delle particelle

non ancora sedimentare o sospese.

Infatti alla fine della vasca è sempre posto un

canale di raccolta per il materiale sospeso.

Catena

Il meccanismo è composto da 4 puleggie collegate

da una catena dove su di essa sono poste delle pale

che permettono la raccolta del materiale

sedimentato e sospeso.

Le puleggie sono in rotazione consentendo una

pulizia continua, inoltre essendo un sistema

completamente immerso nell’acqua non risente

della presenza di neve o ghiaccio e se l’impianto è

posto in zone particolarmente aggressive come le

zone marittime , non è soggetto a fenomeni

corrosivi rispetto al sistema carroponte il quale ne

soffre molto.

Però con il sistema carroponte è molto facile

effettuare manutenzione .

Page 21: Ingegneria Sanitaria Ambientale

20

Vasca Orizzontale A Flusso Radiale

Ha un flusso circolare generato dall’acqua che entra nella vasca tramite un deflettore posto al centro

essendo che il diametro è molto più grande dell’altezza la componente orizzontale acquista molta

importanza.

Il fondo ha una pendenza ci circa 7-8%.

La pulizia avviene tramite un carroponte che può essere a singolo braccio o a due bracci a seconda se

esso impiega tutto il diametro o solo metà e il sedimentato viene raccolto in una tramoggia.

Il diametro max di costruzione è di 25m.

Da internet: D = 40-50 m , DMAX = 100 m

Ma è bene tenersi sotto i 30 m per evitare azione del vento sui fanghi depositati (stessa cosa dicasi per

vasche orizzontali longitudinali)

A1:

FIUME

grigliatura sedimentazione disinfezione

LAGO

grigliatura microstacciatura disinfezione

Page 22: Ingegneria Sanitaria Ambientale

21

CATEGORIA A2 � processi fisici, processi chimici normali I primi due procedimenti sono analoghi a quelli riservati alle acque di categoria A1. Successivamente è

necessario introdurre un altro trattamento poiché all’interno di queste acque sono presenti i cosiddetti

colloidi che devono essere rimossi.

CHIARIFLOCCULAZIONE

Le dimensioni dei colloidi sono circa 10-4/10-9 mm. Molto piccole, con superfici specifiche molto elevate.

La caratteristica dei colloidi è che tendono ad attirare sulla loro superfice le specie ioniche presenti

nell’acqua creando due strati elettricamente carichi:

-strato di acqua rigido che si muove in modo solidale con il colloide

-strato d’acqua diffuso dove vi è un continuo cambio di

specie ioniche

Il primo strato ha una densità di carica superiore rispetto al secondo.

È chiaro che essendo tutti i colloidi carichi positivamente

tendono a respingersi tra di loro e quindi non tendono spontaneamente a creare agglomerati

sedimentabili.

(Le forze di attrazione sono maggiori di quelle di repulsione solo a distanze molto piccole)

Quindi l’obiettivo è di diminuire lo spessore dell’acqua attorno al colloide per far aumentare le forze di

attrazione, e per fare ciò si disperdono in essa altre specie che tendono a dissociarsi liberando Al3+ e Fe3+.

Ma il processo di aggregamento e quindi di sedimentazione è molto lento e per velocizzare questa fase

deve essere introdotto anche un reagente che favorisca la sedimentazione.

Se non inserisco il reagente avrei un tempo di detenzione molto lungo, i fiocchi di idrossido di alluminio

diventano agglomerati di colloidi.

Al2 (SO4 )3 + Ca(HCO3 )2 ↔Al(OH)3 + 3 CaSO� + 3 CO�

Al2 (SO4 )3 (solfato idrato di alluminio) è un composto che favorisce entrambe le cose in quanto in parte si

dissocia liberando Al3+ (che garantisce l’avviamento eliminando il doppio strato) e in parte reagisce con il bicarbonato di calcio producendo idrossido di alluminio. L’idrossido di alluminio è presente in acqua in forma sospesa sotto forma di fiocchi bianchi che fungono da appoggio per i colloidi. È molto importante controllare il pH in quanto deve essere compreso tra 5-7 altrimenti non vi è

formazione di Al(OH)3 .

Se c’è poca Ca(HCO3 )2 devo immettere Ca(OH )2

Questo processo è attuato tramite tre fasi:

-miscelazione rapida(coagulazione)

-miscelazione blanda(flocculazione)

-sedimentazione

-filtrazione rapida

sgrassatura

Page 23: Ingegneria Sanitaria Ambientale

22

Miscelazione rapida(coagulazione)

I reagenti vengono aggiunti all’acqua nel modo più omogeneo possibile cercando di dosare la quantità

ottimale di reagente.

Essendo che la velocità di reazione è molto alta il mescolamento deve essere molto rapido

cercando di evitare la formazione di Al(OH)3 in quanto i fiocchi a causa della pala del mescolamento

potrebbero rompersi rendendo vano il processo e quindi il tempo di permanenza

calcolato come V=Q*Ti

deve essere di circa 1-2 minuti.

La velocità di rotazione delle pale è di centinaio di giri al minuto.

Non deve avvenire ���(�)� + ��(���)� → ��(�)�

Miscelazione blanda(flocculazione)

Viene effettuata affinchè i fiocchi formati vengano miscelati nell’acqua per facilitare “l’incontro”

con i colloidi e quindi favorire il legame fiocco-colloide.

La miscelazione è molto lenta per il motivo descritto in

Miscelazione rapida e il tempo di permanenza è di circa 20-

30 minuti.

La miscelazione è lenta perché altrimenti i fiocchi

sedimentano senza inglobare i colloidi. Il tempo deve essere

tale che i fiocchi si formino e i colloidi si uniscano : 20-30

minuti (vedi grafico a mano)

Sedimentazione

Questo processo permette la vera rimozione dei colloidi ed è uguale alla sedimentazione classica quindi si

ha anche uno scarto di fanghi (stabili).

Page 24: Ingegneria Sanitaria Ambientale

23

Nonostante queste tecniche siamo molto affinate non è detto che riescano a rimuovere tutti colloidi e

fiocchi quindi, specie se le acque devono essere di tipo pregiato(destinate ad imbottigliamento) si ricorre

a coadiuvanti (rendono i fiocchi più pesanti)

A tale scopo si usano i polielettroliti e bentonite.

Il primo (POLIELETTROLITI) favorisce bridging ossia i legami tra due o più fiocchi mentre il secondo

(BENTONITE) si aggiunge al coagulante aggiunto in precedenza e appesantisce i fiocchi (ha un peso

specifico elevato)

I coadiuvanti vengono aggiunti durante la fase di miscelazione rapida.

Se l’acqua è destinata ad un uso potabile:

Filtrazione rapida

Serve ad eliminare le particelle non sedimentate.

Il fango che viene rimosso è ricco di fiocchi che possono ancora accogliere altri colloidi quindi sarebbe

interessante poter fare un riciclo prima della miscelazione blanda permettendo di risparmiare sul

reagente.

Un semplice riciclo non è possibile in quanto bisognerebbe usare una pompa che al contatto con i fanghi

in prima analisi si romperebbe poiché i fanghi sono di origine chimica ma poi essendo che i colloidi sono

legati ai fiocchi per via elettrostatica con il movimento delle pale questi legami si potrebbero rompere

liberando altri colloidi.

Quindi si ricorre ai bacini misti dove le prime tre fasi avvengono contemporaneamente riducendo

la quantità di reagenti e di volumi.

Bacino misto

Page 25: Ingegneria Sanitaria Ambientale

24

Per quanto riguarda i bacini unici, abbiamo l’ACCELATOR.

Questo è compartimezzato, ha diversi comparti dove avvengono cose diverse.

Gli accelator sono a pianta circolare o quadrata; sono in calcestruzzo.

Abbiamo una parte cilindrica che sormonta una parte troncoconica.

Abbiamo una canaletta che serve a raccogliere acqua. Insieme all’acqua vengono messi anche i reattivi.

I due deflettori sono molto vicini (secondo deflettore a quota più alta) e quando l’acqua passa, i colloidi e i

fiocchi entrano in contatto tra loro. Dopo ciò, l’acqua finisce in una zona esterna alla miscelazione, che

chiamiamo CORONA CIRCOLARE ed è in questa zona che avviene la sedimentazione. In questa fase, gli

idrossidi si depositano sul fondo, solo che al lato sinistro il fango rientra dove rientra l’H2O per essere

sfruttato.

N.B. è necessario spillare il fango, non sfruttarlo tutto, perché a un certo punto esso diventa saturo di

colloidi.

VANTAGGI:

1. Ho meno reattivo grazie al riciclo del fango, in questo modo ho dei vantaggi economici, poi uso meno

reattivo essendo il fango ricco di idrossidi

2. Ho minore alterazione di acqua, sempre perché aggiungo meno reattivo, perché inevitabilmente c’è

sempre qualcosa che rimane in acqua

3. Ho volumetrie ridotte, cioè ho riduzione dei tempi di permanenza

Il volume assegnato ai bacini è intorno a 1h30, mentre nelle fasi separate ho un tempo di 2h30.

Quindi il volume è minore perché la fase di sedimentazione nel bacino funziona meglio, dato che avviene

con un flusso verticale in condizioni di quiete e soprattutto perché il fango che si forma ha delle particelle

di sedimentabilità migliore essendo più pesanti.

Il processo è lo stesso, ma i due cicli, dal punto di vista impiantistico, sono diversi.

DOPO � FILTRAZIONE (per i fiocchi più piccoli e eventuali colloidi non agglomerati nei fiocchi)

Filtrazione

La fase di filtrazione (rapida) si attua mediante vasche chiuse e filtri (rapidi).

Sono vasche in calcestruzzo all’interno delle quali si dispone uno strato di materiale filtrante, di solito

sabbia.

Il fondo della vasca è permeabile.

L’acqua che esce dal fondo è priva di fiocchi e colloidi.

Non deve accadere che l’acqua contenga particelle di

dimensioni uguale o maggiore di quella della sabbia

perché verrebbero bloccate dal primo strato di sabbia e

avrebbero una funzione stacciante.

LETTO DI SABBIA

h

Page 26: Ingegneria Sanitaria Ambientale

25

Le particelle devono essere molto più piccole dei granuli del filtro. Il filtro è detto a spessore.

Quando alimento l’acqua deve accedere che la particella impatti la superfice del granulo e resti bloccata

lì.

Questo fenomeno accade proprio pel la loro piccola dimensione che subisce l’attrazione del granulo.

Questa forza, di natura elettrica, deve vincere le forze di taglio dell’acqua, a cui le particelle sono soggette

a causa del flusso di acqua, che tenderebbe a far separare la particella dal granulo.

Ad un certo punto , il primo strato si esaurisce, cosi come tutti gli altri strati quindi avremo una superfice

piena di particelle e non avrò più una fase filtrante.

Il filtro si satura e i colloidi passano.

Quindi bisogna procedere alla pulizia del filtro .

Affinchè l’acqua passi attraverso il filtro devo avere un Carico

d’acqua

� = �� = ��

equazione di Darcy

K = coefficiente tipico dell’ammesso filtrante

(coefficiente di permeabilità)

i = caduta piezometrica = �

Q = K · i · A

Con il passare del tempo il filtro si arricchisce di particelle, diminuisce K, quindi aumenta H, quindi avrò

bisogno di un carico sempre maggiore e bisogna fissare un altezza di carico massima.

Inoltre ho bisogno di lavare il filtro o perché l’acqua in uscita non è buona(il filtro si è esaurito) o perché

non ho sufficiente carico idraulico a disposizione.

Il filtro viene lavato in controcorrente. LAVAGGIO

Può essere utilizzato il sistema a solo acqua(americano) o a acqua e aria (sistema europeo).

Il sistema a solo acqua viene fatta passare dal fondo ad una certa velocità, di solito 50m/h, viene fatto

uscire dall’alto della vasca e viene ricircolata alla testa dell’impianto generale.

Con l’altro metodo si usano due correnti: una di acqua e una di aria. Per prima si usa la corrente d’acqua

con velocità di 25 m/h.

Poi segue la corrente d’aria, che da luogo alla fluidizzazione del letto e successivamente si

immette di nuovo una corrente d’acqua, insieme a quella d’aria(che mantiene la fluidizzazione del letto).

Da circa 6-7 anni con il metodo europeo si consuma meno acqua , però è più complicato dal punto di vista

impiantistico.

FILTRO:

Il fondo del filtro è composto da grosse piastre in calcestruzzo prefabbricate(di solito a pianta quadrata).

I fori sono filettati e all’interno alloggiano degli elementi plastici chiamati codoli che a loro volta sono

filettati.

La testa dei codoli è ricca di feritoie dove passa l’acqua.

La distanza dei fori è di circa 15/20cm.

La sabbia deve essere costituita da materiale non solubile ,non deve spaccarsi in caso di sbalzo termico e

non deve essere friabile.

Il coefficiente di uniformità deve essere molto basso (u circa 1.4/1.6). Ideale = 1 ma è impossibile perché

si dovrebbero avere materiali di laboratorio.

concentrazione

di colloidi in

uscita dal filtro

t

tempo in

cui il filtro

smette di

funzionare

( H = h + L )

Page 27: Ingegneria Sanitaria Ambientale

26

t

Come materiale per il riempimento dei filtri si usa solo sabbia silicea opportunamente selezionata,

stacciata, con diametro tra i 0.5-0.6 mm.

Non è possibile usare materiale con u>1.6 perché i granuli più piccoli andrebbero a mettersi tra

quelli grandi riducendo di molto la permeazione: SITUAZIONE STACCIANTE.

RICAPITOLANDO:

FILTRAZIONE RAPIDA

La filtrazione rapida avviene in vasche di calcestruzzo, sul fondo delle quali si dispone un letto filtrante

detto “letto di sabbia”; tale fondo è permeabile al passaggio dell’acqua.

Nel passaggio nel letto di sabbia, l’acqua si libera delle particelle più piccole e fuoriesce priva di colloidi e

di fiocchi.

Spessore del letto di sabbia: L = 90-130 cm

L’acqua alimentata non deve contenere particelle uguali o più grandi dei granuli di sabbia, perché esse

verrebbero catturate dal primo strato di sabbia e si avrebbe una funzione stacciante (fuoriesce), devono

dunque essere più piccole.

Le particelle devono rimanere incollate sulla superficie dei grani, fatto ciò la particella deve rimanere là e

ciò grazie a forze di natura elettrica che devono vincere gli sforzi di taglio a cui le particelle sono soggette

a causa del flusso dell’acqua. Ad un certo punto gli strati terminano, perché i granuli sono tutti occupati.

La particella deve: impattare la superficie del grano, e deve rimanere a causa di forze di natura elettrica.

FUNZIONAMENTO DEL FILTRO

Al tempo t = 0 il filtro viene messo in azione e i primi colloidi

iniziano ad impattare la superficie dei granuli; dopo un certo

tempo, tutta la prima fila di grani è piena, ma la portata di

acqua non è ancora esaurita. Al tempo t tutti i grani sono

saturi di colloidi: il filtro ha smesso di funzionare.

Arrivato a t devo fermare il processo e pulire il filtro.

Al tempo t = 0 alimento una certa portata Q nel filtro; affinchè l’acqua passi nel filtro ho bisogno di un

certo carico idraulico: il carico idraulico è rappresentato da h (primo disegno pag. 22). Affinchè il carico sia

sufficiente, deve essere rispettata l’equazione di Darcy, che governa i moti di filtrazione.

= �� dove V è la velocità con cui l’acqua passa nel mezzo filtrante

i è la caduta piezometrica � = �

= � × �

�≅ 7 − 10� ℎ�

H è l’energia disponibile ed è necessaria per far passare una certa portata H = h + L

L = altezza del filtro

K coefficiente di proporzionalità, tipico del mezzo filtrante : “coefficiente di permeabilità”

K [=] m/h i [=] adimensionale

L’equazione di Darcy può anche essere scritta come Q = K i A

concentrazione

di colloidi in

uscita dal filtro

Page 28: Ingegneria Sanitaria Ambientale

27

� = ��

� deve essere costante. Col passare del tempo K diminuisce, dunque H deve aumentare; può

accadere che l’acqua fuoriesca dalla vasca, in tal caso il filtro non ha il carico necessario per far passare

tutta l’acqua che occorre nelle condizioni di intasamento del filtro.

Quando H raggiunge il livello massimo, devo bloccare il funzionamento del filtro, perché non posso più

immettere acqua.

Perché praticare il lavaggio?

1. Ho una concentrazione di solidi sospesi in uscita superiore a quella che volevo ottenere.

2. Mi sono giocato tutto il carico a disposizione

L’acqua di lavaggio del filtro viene presa a valle della DISINFEZIONE e poi viene fatta ricircolare in testa

all’impianto; in genere si prevede una vasca di accumulo che me la porta a monte della fase di

sedimentazione (prima sedimentazione).

Ideale se i due tempi sono uguali (tempi di perdita di carico idraulico e tempo di detenzione)

Criteri di dimensionamento del filtro rapido

L’altezza del filtro dipende esclusivamente dal diametro che si assegna ai granuli che permette di

uguagliare i tempi perdita di carico idraulico e tempo di detenzione.

Lungo 1 - 1.75 m

L’acqua usata per la filtrazione viene presa a valle della disinfezione poiché l’acqua tende a formare sul

filtro una patina biologica di alghe che impediscono il corretto funzionamento del filtro invece usando

l’acqua contenente il disinfettante si favorisce l’eliminazione di queste specie.

Filtrazione lenta (raramente usata oggi) (SOSTITUISCE CHIARIFLOCCULAZIONE + FILTRAZIONE RAPIDA)

Si realizza uno strato di ghiaia al di sopra del quale viene posto uno strato di sabbia di pari spessore

(0.30m) la velocità dell’acqua è compresa tra 1 - 2cm/h (0.1 – 0.2 m/h), quindi le dimensioni sono molto

superiori (2 ordini di grandezza) (superficie del filtro maggiore di 2 ordini di grandezza)

Questo permette di creare una pellicola biologica che a differenza della filtrazione rapida è fondamentale

per trattenere i colloidi.

Intorno ad ogni grano del filtro si crea una pellicola biologica detta BIOFILM. La pellicola serve a ridurre la

porosità -> i colloidi non intasano il filtro perché i microrganismi li trasformano con reazioni biologiche.

Sul filtro lento deve essere alimentata un acqua dall’alto ricca di colloidi per garantire il corretto

funzionamento del filtro.

La pellicola si forma più rapidamente se la temperatura è alta in condizioni normali impiega 2-3 mesi per

andare a regime con lavaggio ogni 2-3 anni scuotendo il filtro.

Questo processo è alternativo alla chiariflocculazione ma non viene usato poiché bisogna fornire, come

già detto, un acqua ricca di colloidi.

Con i filtri lenti non è importante che la filtrazione sia preceduta da sedimentazione e coagulazione.

Page 29: Ingegneria Sanitaria Ambientale

28

CATEGORIA A3 � processi fisici, processi chimici spinti I trattamenti chimici spinti rimuovono i solidi sospesi in acqua attraverso precipitazione.

Invece i solidi disciolti vengono rimossi tramite addolcimento.

Precipitazione (solidi sospesi)

Il processo di sedimentazione consiste nell’aggiunta in acqua di reattivi che formano prodotti

sedimentabili.

I reagenti devono essere reperibili a costi contenuti, non devono essere dannosi e devono reagire

con precipitazione.

R + sostanze disciolte = sostanze disciolte in forma sospesa

Addolcimento

Uno dei metodi per precipitazione per eliminare la durezza è il processo calce-soda

Esso consiste nell’aggiungere all’acqua da depurare un certo quantitativo di idrossido di calcio ( ��(��)� ) e di carbonato sodico ( ����� )

��(��)� serve a rimuovere la durezza temporanea ( ����,� ��, ��(���)�,� (���)� )

����� ad eliminare la durezza permanente

��(���)� +��(��)� → 2����(↓) + 2��O

� (���)� +��(��)� → � �� +����(↓) + 2��O

� �� +��(��)� → � (��)�(↓) +����(↓)

Complessivamente:

� (���)� +2��(��)� → � (��)�(↓) +2����(↓) + 2��O

/-------------/

����� +����� → ����(↓) +������

����� +����� → ����(↓) + 2����

� ��� +����� → � �� + ������

� �� +��(��)� → � (��)�(↓) +����(↓)

In totale: � ��� +����� + ��(��)� → � (��)�(↓) +����(↓) +������

� ��� +����� → � �� + 2����

� �� +��(��)� → � (��)�(↓) +����(↓)

In totale: � ��� +����� + ��(��)� → � (��)�(↓) +����(↓) + 2����

���� + ��� → ��O + ��

��

���� + ���� → ����

� In realtà è una reazione tra ioni

Page 30: Ingegneria Sanitaria Ambientale

29

Quindi la durezza carbonica si elimina con la calce, la durezza non carbonica calcica con la soda mentre la

durezza non carbonica magnesiaca con entrambe.

In molti processi industriali bisogna avere un acqua priva di durezza poiché viene usata per il

raffreddamento e quindi all’aumentare della temperatura la solubilità dei Sali diminuisce. In tal caso il

processo di precipitazione non basta: dobbiamo usare un processo di affinamento.

Quindi per un acqua di categoria A3 si hanno tutte le fasi della categoria A2:

-miscelazione rapida

-miscelazione lenta

-sedimentazione

-filtrazione

2 volte, di cui una per la calce-soda: si effettua un duplice processo oppure si usa un impianto tipo l’Accelator (vedi disegno p.23)

Nei processi di raffreddamento si deve abbattere anche ����; ciò avviene tramite il processo di affinamento.

Deferrizzazione

Le acque di falda contengono molti composti ferrosi.

Il ferro non è nocivo però da una colorazione da gialla a rossa all’acqua quindi per motivi estetici conviene rimuoverlo.

I composti ferrosi solitamente presenti sono bicarbonato ferroso ( Fe(HCO3 )2 ) e solfato ferroso ( FeSO4 )

Rimozione Fe(HCO3 )2

Trattamento con aria (ossigeno + acqua)

4 Fe(HCO3 )2 + O2 + 2 H2 O → 4 Fe(OH)3 (↓) + 8 CO2 da ferroso a ferrico

Trattamento con calce (poi ossigeno)

Fe(HCO3 )2 + Ca(OH)2 → Ca(HCO3)2 + Fe(OH)2 Ca(OH)2 aumenta il pH

4 Fe(OH)2 + O2 (atm) + 2 H2 O → 4Fe(OH)3 (↓) poi O2

Trattamento con cloro (e bicarbonato di calcio)

2 Fe(HCO3 )2 + Cl2 + Ca(HCO3 )2 → 2 Fe(OH)3 + CaCl2 + 6 CO2

Trattamento con scambio ionico

Fe(HCO3 )2 + 2 NaZ → 2 Na HCO3 + FeZ2

Rimozione FeSO4

Trattamento con calce (poi ossigeno)

FeSO4 + Ca(OH)2 → Fe(OH)2 + CaSO4

4 Fe(OH)2 + O2 (atm) + 2 H2 O → 4Fe(OH)3 (↓)

Trattamento con scambio ionico

FeSO4 + Na2Z → FeZ + Na2SO4

Page 31: Ingegneria Sanitaria Ambientale

30

Quindi si può usare sia l’ossigeno che la calce però essendo che il pH deve essere compreso tra 7.2 - 7.5 altrimenti se inferiore l’idrossido di ferro diventa solubile, ed essendo che la calce tende ad alzare il ph in base a quello di partenza si sceglie cosa è meglio usare. Si fa eccezione per il solfato ferroso dove è obbligatorio usare la calce in quanto se si usasse solo

l’ossigeno(aria)la reazione sarebbe troppo lenta.

Altri composti rimovibili nell’acqua sono i composti del manganese, presenti soprattutto nell’acqua di

falda sotto forma di Mn(HCO3)2 , altamente solubile.

Di solito vengono rimossi con un ossidante forte, il Cl2 ma anche O2 (aerazione)

L’ossigeno è molto economico, ma il problema è la lentezza della cinetica che mi porta ad aumentare il

ph(>9.5), quindi si utilizzano i processi di precipitazione solo se esiste un reattivo in grado di eliminare la

sostanza voluta se tale reattivo non esiste oppure è troppo costoso o magari è dannoso si utilizzano i

processi di affinamento.

1. O2 reattivo, nell’acqua immetti aria, oppure l’acqua entra in contatto con l’aria

2. come reattivo posso usare anche Ca(OH)

Affinamento

I processi di affinamento sono principalmente tre:

-adsorbimento

-scambio ionico

-processi a membrana (un insieme di processi) (dando luogo ad una serie di reazioni di tipo chimico)

Adsorbimento

Il processo sfrutta la capacità di alcune sostanze di trattenere sulla loro superfice altre sostanze (legami

deboli o forze superficiali)(aumenta la possibilità che vengano a contatto con altre sostanze). Le sostanze

che hanno capacità di adsorbimento sono diverse, ma utilizzano tutte il carbone attivo.

Il carbone attivo non è una sostanza presente in natura, e quindi viene prodotto a partire da sostanze

carboniose, come il legno, torba , gusci delle noci di cocco, ossa di animali.

Il processo a cui vengono sottoposte queste sostanze è di tipo termico. Abbiamo due fasi:

-carbonizzazione

-attivazione

La fase di carbonizzazione viene attuata in forni a 300-400°C, e hanno la durata di 2-3 ore. Si consuma una

parte del materiale originario. In questa fase quindi viene aumentata la porosità del materiale e la

superfice specifica.

A seguito di questa fase abbiamo la fase di attivazione che ha lo scopo di liberare la superficie dagli

elementi gassosi solidi che si erano formati nella fase precedente.

Un carbone attivo non di buona qualità ha una superficie specifica di 500-600 m2/g mentre uno di buona

qualità intorno a 1500 m2/g.

Questa differenza è dovuta alla formazione all’internodi molte piccole superfici in comunicazione con la

superficie esterna.

I carboni vengono caratterizzati tramite il parametro: potere adsorbente.

Esso È l’unità di massa di una generica sostanza trattabile su superfice di massa di carbone attivo.

L’obiettivo di trattamento è quello di massimizzare la produzione di carbone attivo.

Page 32: Ingegneria Sanitaria Ambientale

31

Solo il 10% della sostanza viene trasformata in carbone attivo, il resto viene trasformato in gas. Fino ad

alcuni anni fa era associato anche un processo chimico con l’aggiunta di zinco nei forni con rese più

elevate (30-40%).

Questa pratica è stata abbandonata perché qualche frazione di zinco rimaneva incollata al carbone

attivo con il rischio che poi venga rilasciata nell’acqua.

Quindi è un processo molto costoso e il carbone attivo viene commercializzato sotto forma granulare e di

polvere.

La differenza è nella dimensione dei granuli attivi.

Nel primo caso le dimensioni variano tra 0.5 - 1 mm. GRANULI

Invece in polvere sono molto più piccoli, ed è molto meno costoso rispetto a quelli granulari, perché si

forma dalla riduzione in granuli del carbone attivo(sarebbe un sottoprodotto).

Nel caso in cui si adotta il Carbone Attivo in granuli si realizzano delle vasche con il fondo pieno di granuli

(meccanismo uguale alla filtrazione rapida).

Ad un certo punto la superficie di CA di esaurisce.

La rigenerazione del filtro avviene per via termica , viene portata in forni dove la T elevata rompe i legami tra carbone attivo ed i solidi di modo da ripristinare il potere adsorbente, però ho una perdita di Carbone attivo che deve essere reintegrato.

Di norma un filtro di CA deve rimanere in esercizio almeno per un anno.

La massa del CA che occorre per garantire la durata di esercizio di un anno viene calcolata: Q*c0 ossia

massa generica che deve essere filtrata per la massa da rimuovere in un anno .

Q = m3/s C0 = g / m3

Il carbone attivo in polvere viene utilizzato con modalità diverse: il carbone attivo in polvere non può essere utilizzato come quello in grani, perché i granelli potrebbero essere più piccoli delle particelle da filtrare. Inoltre < grani, < coefficiente di permeabilità K

In generale viene additivato all’interno dell’acqua e omogenizzatamente mescolato.

Una volta che questo è avvenuto il carbone attivo deve essere separato per sedimentazione. Utilizzo la

stessa apparecchiatura usata per la chiariflocculazione.

L’inconveniente è che il CA diventa fango e non si può più rigenerarlo.

Però è una soluzione utile quando improvvisamente ho bisogno di eliminare sostanze che in precedenza

non erano presenti nell’acqua(fertilizzanti)

A lungo andare è molto più costoso rispetto ai filtri a CA.

Scambio ionico (polimero recante ioni sodio Na+ che vengono scambiati con ioni Ca++ e Mg++)

Il processo di scambio ionico sfrutta la capacità di alcune sostanze sia naturali che artificiali a dar luogo ad

uno scambio tra specie ioniche .

Questi legami sono molto deboli, e venendo a contatto con acque ricche di cationi, abbiamo uno

scambio tra i cationi.

Le applicazioni più frequenti sono 2:

1. Per i cationi viene utilizzato in sostituzione dell’addolcimento.

Inoltre viene utilizzato per rendere bassissima la durezza dell’acqua (soprattutto per alcune applicazioni

industriali in cui deve essere quasi nulla) (si formano depositi e si riduce lo scambio)

2. Gli anioni vengono utilizzati per rimuovere nitrati presenti in acqua di falda in zone dove è

sviluppata l’agricoltura (presenti nei concimi).

Attualmente si utilizzano solo resine artificiali perché quest’ultime hanno un potere di scambio ionico

molto maggiore rispetto a quelle naturali.

Page 33: Ingegneria Sanitaria Ambientale

32

Le resine hanno forma a palline regolari dell’ordine del mm.

Ad un certo punto le resine si esauriscono e devono essere rigenerate.

Per rigenerarlo si usa una soluzione molto concentrata di specie ioniche presenti all’inizio nella resina (di

solito i cationi sono Na e quindi uso una corrente di acqua e sale). SODICHE

Nelle resine anioniche gli anioni sono fosfati (�����).

RNa2 + Ca++

↔ RCa + 2 Na++

Processi a membrana (Colonna)

Costituiscono un ‘applicazione del processo di filtrazione.

Non è una filtrazione a spessore, ma stacciante, e avviene a livello molecolare ionico per rimuovere

dall’acqua sostanze disciolte: si sfrutta il passaggio dell’acqua attraverso una tela sottile, le maglie della

tela devono essere piccolissime. Le maglie della tela determinano fortissime resistenze che possono essere

vinte con energia meccanica: esempio differenza di pressione tra monte e valle della tela.

Per fare ciò è necessario che i pori siano molto piccoli.

Per far passare l’acqua attraverso questo pori è necessario vincere delle resistenze e quindi abbiamo

bisogno di energia.

L’energia può essere idromeccanica o elettrica. Le più usate sono le non cariche, perché con le cariche

possiamo eliminare solo specie ioniche.

Nel primo caso si usano membrane cariche, invece nel secondo sono dette non cariche.

MICROFILTRAZIONE

Le membrane sono montate su opportuni supporti, secondo 4 diversi moduli:

-a fibre cave

-a lastre piane

-tubolari

-membrana a spirale

-Il sistema a fibre cave è basato su una serie di filamenti tipo spaghetti posti all’interno di un condotto

cilindrico.

-il sistema a lastre piane è fatto da moduli di lastre piane poste all’interno della tubazione

-il sistema tubolare è simile al sistema a fibre cave ma i filamenti sono più grandi

-membrana a spirale: modulo di fogli avvolti intorno ad un cilindro interno, tali fogli sono in alternanza,

uno permeabile ed uno non permeabile. In questo modo l’acqua tende ad assumere un moto elicoidale.

Page 34: Ingegneria Sanitaria Ambientale

33

Processo di disinfezione

Ha come obiettivo l’eliminazione dall’acqua dei microrganismi patogeni e non l’eliminazione di tutti i

microrganismi.

I microrganismi patogeni sono in generale meno resistenti rispetto a quelli banali.

Le sostanze utilizzate per raggiungere tale obiettivo devono essere:

-economiche

-rapide

-non devono essere dannose per le persone

-non devono danneggiare il corpo idrico ricettore

Nel caso di un acqua destinata ad uso potabile il disinfettante deve assicurare la protezione in rete.

Il disinfettante deve eliminare i microrganismi presenti a monte e quelli che si legano lungo il cammino

dell’acqua.

Nei passaggi che riguardano la distribuzione dell’acqua fino alla rete di distribuzione , l’acqua può subire

contaminazioni.

I disinfettanti si dividono in:

-agenti chimici

-agenti fisici

Agenti chimici

-Cl2 (g)

-NaClO(ipoclorito di sodio)

-Ca(ClO)2 (ipoclorito di calcio)

-ClO2 (biossido di cloro)

-H2 O2 (perossido di idrogeno)

-O3 (ozono)

Page 35: Ingegneria Sanitaria Ambientale

34

Agenti fisici

-raggi UV

-ultrasuoni (non usato)

-temperatura (innalzamento T acqua) (H2O a 55-60°C per 2-3 min: i patogeni muoiono) (dispendioso!)

Agenti chimici funzione di 2 parametri: tempo che il disinfettante ha a disposizione e concentrazione.

NB. più la concentrazione degli agenti chimici è elevata nell’acqua e più il processo è efficace ma

dipende dal tempo che il disinfettante agisce. Il più noto disinfettante è il cloro.

Il potere disinfettante di tutti i composti usati deriva dal cloro che tende a dare reazione di idrolisi.

Se aumenta la richiesta di acqua, il tempo di detenzione diminuisce e quindi la concentrazione deve

aumentare.

Cl2 , NaClO , Ca(ClO)2 i loro prodotti hanno lo stesso potere disinfettante

Cl2 +H2 O ↔ HCl + HClO (acido ipocloroso,disinfettante)

Se il ph è circa 1 la reazione è spostata a SX. (non avviene)

Se il ph è circa 2 si produce il 50% di HClO

Se il ph è circa 5.3-5.4 la reazione è spostata a DX.

Se il ph è tra 7.3-7.4 il 50% di HClO tende a dissociarsi in ClO-

HClO ↔ H++ClO

-

50% HClO e 50% ClO- ; ClO

- ha un potere disinfettante minore

A ph 9.2-9.3 l’HClO si dissocia completamente.

Dato che la dissociazione mi fa diminuire la quantità di HClO devo cercare di mantenere un pH basso.

Perché HClO e ClO- uccidono i microrganismi patogeni?

La loro azione è OSSIDANTE, cioè reagiscono con la sostanza organica della cellula microbica dando luogo

a una reazione chimica e uccidendola.

C’è però un secondo effetto dovuto ad HClO ed è dovuto alla capacità che tale sostanze ha di inibire la

secrezione enzimatica dei microrganismi.

La secrezione permette il nutrimento dei microrganismi con le sostanze organiche presenti in acqua,

sminuzzandole e introducendole nella propria cellula una volta che esse sono venute a contatto con loro.

HClO (acido ipocloroso), essendo simile per dimensione molecolare e struttura all’acqua, può facilmente

attraversare la membrana cellulare microbica; una volta all’interno della cellula i suoi bersagli sono alcuni

enzimi del metabolismo energetico microbico. Il risultato è che l’azione del cloro sui batteri è potente,

letale, rapida senza che vi sia la possibilità di alcuna resistenza microbica.

Cloro gas

Il Cl2 alimentato all’impianto è in forma liquida ed è altamente nocivo , invece NaClO e Ca(ClO)2

sono venduti in soluzione rispettivamente al 13/15% e 25/28 di Cl e sono innocui per chi li usa.

Basta poco Cl2 : ALTO POTERE DISINFETTANTE

Cl2 (g) è molto pericoloso: esso viene portato in bomboloni ad alte pressioni (8 atm), dunque per usarlo

devo avere operatori specializzati; perciò uso (anche) NaClO e Ca(ClO)2

Page 36: Ingegneria Sanitaria Ambientale

35

Fino a qualche anno fa si usavano solo questi prodotti, successivamente, avendo scoperto che sono causa

della formazione di composti cancerogeni (THM –trialometani, cloroformio e bromoformio) in quanto

tendono a reagire con la sostanza organica(anche in quantità minima non misurabile) , si decise di non

usare più disinfettante, ma ciò aumentò il numero di morti.

Una soluzione definitiva a questo problema non è stata ancora trovata in quanto il cloro è molto

economico ed efficace.

Il cloro viene aggiunto in eccesso in quanto nella rete di distribuzione esso tende per natura a volatilizzare

ma al rubinetto massimo ne possono uscire 0.2mg/l inoltre in grosse quantità tende a dare una

colorazione all’acqua giallo-verde.

Un processo di disinfezione ben condotto deve assicurare lo stesso tempo di contatto con tutte le

particelle con il disinfettante.

Idealmente una vasca dovrebbe essere costruita in modo da far andare una particella alla volta di acqua

a contatto con il cloro ma naturalmente ciò non è possibile quindi vengono costruite delle vasche a pianta

rettangolare con una serie di setti in modo da far mantenere un flusso sempre lineare ma molto più lungo

in uno spazio contenuto.

Il tempo di detenzione di ogni singola molecola di acqua è di 30 minuti. �� =�

Biossido di cloro (ha un diverso potere disinfettante) (AZIONE SOLO OSSIDANTE)

Tra i disinfettanti alternativi possiamo trovare il ClO2 che non è cancerogeno.

Purtroppo esso non si trova in natura quindi deve essere prodotto dal clorito di sodio e Cl2 o HCl.

Reazioni: 5 NaClO2 + 4 HCl → 5 NaCl + 2 H2O + 4 ClO2

2 NaClO2 + Cl2 → 2 NaCl + 2 ClO2

Essendo un composto molto instabile esso non può essere trasportato e quindi deve essere preparato in

loco, occorrono operai specializzati per produrlo.

Ha un potere ossidante molto forte e sembrerebbe che non tende a reagire con le sostanze organiche.

Questo composto sembra perfetto però non viene usato perché si ha il timore che produca delle sostanze

più nocive dei THM (trialometani) che per le conoscenze che abbiamo oggi non possono ancora essere

identificate.

I THM vengono misurate e fanno parte del quantitativo DBP(sottoprodotti sella disinfezione).

Il tempo di detenzione del biossiodo di cloro è 15-20min in quanto la sua azione è più rapida.

ClO2 : le vasche sono fatte in modo che la distribuzione dei microrganismi nella corrente sia omogenea

Page 37: Ingegneria Sanitaria Ambientale

36

Ozono (forma allotropica di O2) (NO PROTEZIONE IN RETE) (OSSIDANTE)

Se fornisco energia ad un flusso d’aria si liberano le particelle di ossigeno monoatomiche che vanno a

reagire con particelle di O2 e formano Ozono.

La corrente ricca di ozono deve andare subito a contatto con l’acqua in quanto la reazione è molto

instabile e tende a tornare indietro ossia a riformare ossigeno.

Per questo motivo deve essere prodotto sul posto inoltre i vero potere disinfettante è dell’ossigeno

monoatomico che si produce quando l’ozono tende a tornare ossigeno.

Ha un alto potere ossidante(tempi di contatto brevi) ma non garantisce la protezione in rete. Quindi un

trattamento che prevede l’ossidazione con ozono deve essere separato in due parti:

1.si tratta la corrente di acqua con ozono

2.si aggiunge una piccola quantità di cloro per garantire la protezione in rete

Le vasche usate sono molto più piccole delle precedenti in quanto il tempo di detenzione è 5 minuti.

Non dà luogo a DBP e THM poiché l’O2 che si forma tende a disperdersi in aria.

Agenti fisici Si dividono in 3 categorie

1. Ultrasuono 2. Temperatura 3. Ultravioletti

Sistema a raggi ultravioletti

Si basa su delle lampade simili a quelle al neon, la differenza è che la lampada al neon ha radiazioni che

rientrano nel campo del visibile, invece quelle a raggi ultravioletti rientrano in un intervallo di lunghezza

d’onda = 100-400 nm.

Tali lampade funzionano elettricamente e sono riempite di Argon e gocce di mercurio; in seguito al

riscaldamento indotto dall’alimentazione elettrica avviene un’eccitazione della miscela che comporta

l’emissione della radiazione ultravioletta.

Quando i microrganismi vengono investiti da tale luce, il loro DNA o RNA (acido nucleico) vengono

modificati; dato che nell’RNA e nel DNA sono contenute le informazioni necessarie alla loro riproduzione

essi muoiono, perché non possono riprodursi (senza ossidazione né alterazione del metabolismo

energetico).

Vita microrganismi: 10 min ÷ qualche ora (MAX)

Caratteristiche:

Le lampade ultraviolette presenti in commercio si dividono in 2 categorie, a seconda della pressione:

alta pressione o bassa pressione.

Il potere disinfettante è legato all’intensità della radiazione (maggior intensità � maggior potere

disinfettante) ed alla lunghezza d’onda dei raggi.

I raggi con lunghezza d’onda nell’intervallo da 225 a 250 nm (optimum: 254 nm), a parità di intensità sono

più efficaci e determinano la scomparsa dei microrganismi.

Bassa pressione : hanno un gas a pressione di poco superiore a quella atmosferica e la lunghezza d’onda

dei raggi è compresa tra 250 e 255 nm, condizione monocromatica.

Alta pressione : le lampade ad alta pressione non hanno una condizione monocromatica, ed i loro raggi

hanno lunghezza d’onda compresa tra 225 e 250 nm; sono raggi con minore efficacia. Ma le lampade ad

alta pressione hanno un’intensità di radiazione maggiore di quelle a bassa pressione (intensità ↑ se

pressione ↑) quindi sono PIÚ EFFICACI.

Page 38: Ingegneria Sanitaria Ambientale

37

Caratteristiche involucro:

L’involucro deve essere resistente e permeabile ai raggi emessi, ma la resistenza non deve essere troppo

elevata per evitare che i raggi, nel passaggio, perdano intensità.

I materiali utilizzati possono essere

- Quarzo � naturale più pregiato � più costoso

- Teflon � di sintesi poco pregiato � poco costoso

Quarzo : le lampade hanno minore resistenza, perdita di radiazione <10%

Teflon : sono più resistenti e hanno una perdita di radiazione del 35% (maggiori costi di gestione)

Per ottenere gli effetti dell’involucro in quarzo, devo spendere più energia su quello in teflon: alla fine

sono sullo stesso piano.

Le lampade vanno messe in acqua o all’esterno del condotto dove l’acqua fluisce.

In tal caso l’involucro deve essere permeabile alla luce

ultravioletta

2. Svantaggio: doppio costo perché ho una doppia resistenza e dunque dispendio più energia.

Vantaggio: manutenzione

1. Svantaggio: manutenzione, devo fermare il flusso di acqua

Vantaggio: minore energia

Tempo di funzionamento:

Dipende dalla qualità del prodotto di partenza, influenzato dai costituenti della lampada stessa e in

particolare dall’involucro.

Peggiore qualità: 3 mesi

Migliore qualità: 1 anno

Utilizzo:

Per utilizzare le lampade ultraviolette, non devono essere presenti solidi sospesi, altrimenti i

microrganismi si attaccano ai solidi che fungono da schermo per la luce ultravioletta.

I raggi ultravioletti non generano sottoprodotti, non essendo ossidanti; cioè non determinano alcuna

reazione con le sostanze presenti nell’acqua. Tuttavia il loro problema è quello di non garantire la

protezione in rete nel campo dell’approvvigionamento idrico, in particolare quello potabile.

Con stessa lunghezza d’onda � e intensità ν

Page 39: Ingegneria Sanitaria Ambientale

38

ACQUA DI FALDA (pozzo)

l’acqua di falda è interessata al massimo dalle fasi di: precipitazione, filtrazione, affinamento e

disinfezione ma non è detto che servano tutte, atte ad eliminare la durezza.

Sono presenti solo sostanze disciolte.

Non contengono solidi grossolani, quindi non viene fatta la grigliatura; inoltre non contiene solidi

sedimentabili, ma solo disciolti, quindi non viene fatta la prima sedimentazione. Non sono quindi

nemmeno presenti i colloidi, perché l’acqua sul terreno viene filtrata.

Distanza terreno-falda: circa 10 m (ma dipende, a volte si trova a un pelo dal terreno)

PRECIPITAZIONE � FILTRAZIONE � AFFINAMENTO (adsorbimento) � DISINFEZIONE

IMPIANTO DI DEPURAZIONE

I.P utenza I.D.

Fino al 1976 in Italia non c’era una normativa sulle acque reflue, ognuno poteva scaricare quello che

voleva. Nel 1976 è stata emanata la legge Merli n.319 che regolamentava la qualità che le acque

dovevano avere dopo l’impianto di depurazione indipendentemente dall’utenza. Poiché la legge fu

emanata sulla base di un’emergenza, si basava su un provvedimento molto restrittivo che regolamentava

le caratteristiche di qualità delle acque indipendentemente dall’utenza, cioè furono individuati dei

requisiti di qualità che l’acqua doveva avere e che dovevano essere gli stessi sia se l’utenza era civile, sia

se era industriale.

Furono per questo introdotte delle tabelle con concentrazione massima a seconda dell’utenza:

PARAMETRI CONCENTRAZIONE(tabella a)mg/l CONCENTRAZIONE(tabella c)mg/l …51 parametri Colonna riferita all’utenza Colonna per le industrie SST 80 200 BOD5 40 250 COD 160 500 NH4

+ 15 30

NO2 0.6 0.6 NO3 20 20

(DOLCIFICAZIONE

DEFERRIZZAZIONE)

Per eliminare i solidi

sedimentati nella

precipitazione

Se nell’acqua sono

presenti dei

diserbanti

Page 40: Ingegneria Sanitaria Ambientale

39

…51

CASO 1 (valori meno rigorosi: Tabella C)

AGGLOMERATO ID PRODUTTIVO

CASO 2

CENTRO ABITATO ID

Oppure pensiamo ad una città che scarica all’interno di un lago.

È naturale che il quantitativo dei parametri deve essere minore in quanto gli scarichi urbani vano a finire

in un acqua stagnante.

Ebbene tutti questi aspetti la legge Merli non li gestiva, bensì lasciava ad ogni singola regione il compito di

gestire questo tipo di situazioni.

Fu chiamato piano di risanamento regionale che individuò varie fasce.

Impianti con :

A. < 10000 ab

B. 10000/50000 ab

C.>50000 ab

e in base al corpo idrico:

1. lago, fiume a regime stagionale

2. fiumi

3. mare con condotta

4. mare senza condotta

1 2 3 4 A A1 A2 C

A A1 A2 C A2 BOD5 40 80 150 250 B A A A2 A1 COD 160 300 400 500 C A A A2 A SST 80 120 150 200

AGGLOMERATO

INDUSTRIALE

ID

Perché solo nel 1976? I. Negli Stati Uniti associazioni ambientalistiche fecero pressione sui politici per ottenere leggi che regolamentassero la qualità delle acque II. Nel 1973 a Napoli ci fu il colera nei mesi estivi. Ciò fu determinato soprattutto dall’uso di cozze.

Nel primo caso è direttamente l’agglomerato

produttivo a depurare l’acqua a norma di legge;

invece, nel secondo caso si effettua una

depurazione delle acque derivanti

dall’agglomerato industriale non approfondita

che però viene completata dall’impianto di

depurazione predisposto per il centro abitato.

Considerando due cittadine di cui una più grande dell’altra di circa due ordini di grandezza che scaricano entrambe nello stesso corpo idrico, è chiaro pensare che il più piccolo può avere dei controlli meno serrati sui parametri di scarico in quanto la sua portata è irrilevante rispetto alla cittadina più grande.

1. 119/1976 (legge Merli) 2. 152/1999 (piano risanamento regionale) 3. 152/2006

Page 41: Ingegneria Sanitaria Ambientale

40

Queste tabelle si riferiscono al DL.152/1999 subentrato dopo la legge Merli dove i valori A1 e A2 sono

intermedi (DL.152/99) ad A e C (legge Merli) .

Alcuni anni dopo usci un testo molto più completo DL.152/2006 che comprende tutela e gestione delle acque. Con tale DL.152 fu abrogato il DL.152/1999.

Questo decreto legislativo tiene conto, in base ai casi, solo di 3 o 5 parametri.

Nel caso in cui la cittadina ha meno di 2000 abitanti il sindaco può decidere il valore massimo di questi

parametri in quanto la normativa non da informazioni in merito.

Invece per città con più di 2000 abitanti i valori da rispettare sono (DL.152/2006 parte III):

Tabella 1 all.5

BOD5 =25 mg/l

COD=125 mg/l

SST=35 mg/l

Il controllo si basa solo su questi parametri poichè il corpo idrico viene invaso da sostanze organiche che

tendono anche ad intorbidire l’acqua mettendo a rischio la sopravvivenza della fauna.

Gli altri due parametri sono:

tabella2 all.5

Mg/l 10000/100000 ab >1000000

Ntot 15 10 Ptot 2 1

Per più di 10000 abitanti o se il corpo idrico ricettore è sensibile ad eutrofizzazione(bacini con debole

ricambio, laghi,…)la tabella 2 è un obbligo di legge.

Infine esiste una tabella apposita per le acque reflue industriali

Tabella 3 all.5 con 54 parametri

Mg/l Colonna1(corpo idrico) Colonna2(fogna)

BOD5 40

COD 160

SST 80

Si può anche pensare di riutilizzare le acque reflue previa depurazione in settori come l’agricoltura

che sono di gran lunga migliori delle acque di fiume o di falda oppure nelle industrie l’ acqua reflua può

essere depurata e riutilizzata..

In alcune città del mondo questo tipo di acque vengono usate addirittura per uso domestico.

I valori da rispettare per uso agricolo in Italia sono:

mg/l BOD5 20 COD 100 SST 15 Ntot 15 Ptot 2

Si definisce SCARICO qualsiasi immissione effettuata ESCLUSIVAMENTE tramite un sistema stabile di collettamento che collega senza soluzione di continuità (interruzioni) il ciclo di produzione del refluo con il corpo ricettore in acque superficiali, sul suolo, nel sottosuolo e in rete fognaria, indipendentemente dalla loro natura inquinante, anche sottoposte a preventivo trattamento di depurazione.

Page 42: Ingegneria Sanitaria Ambientale

41

DOTAZIONE è il volume di acqua giornaliero per abitante.

La dotazione idrica è tanto più elevata quanto più è

elevato il numero di abitanti.

Va da 200-400 litri/abitante(di)

Qd=di*Nab(l/d)

Q=Qd/86400 (secondi in un giorno) = L/s

Qd � acqua che arriva all’utenza in L/giorno

Qm,n � (PORTATA MEDIA NERA) media integrale, cioè

il valore medio della portata che si avrebbe costantemente nelle fognature se tutto il volume di acqua

fosse distribuito omogeneamente.

Qm,n è assunto negli impianti di depurazione parametro di progetto.

La quantità d’acqua che ritrovo nelle fognature è solo 80% in quanto un 20% si perde causa evaporazione.

Qm,n = 0.8*Q (portata media nera, quella che esce dal centro abitato)

Coefficiente di punta = Qp,n/Qm,n

Che sarebbe la portata di punta nera sulla portata che assumo come parametro di progetto.

Qp,n = valore massimo della portata istantanea, è massimo nelle ore mattutine.

Cp = nelle piccole città molto alto (stili di vita simili), nelle grandi città basso.

Es. di solito cP = 1.2 ÷ 1.3 ; 100-600 ab cP = 4 ÷ 5 ; New York cP ≅ 1

FOGNE Fogne nere=scarichi urbani

Fogne miste=scarichi urbani +acqua piovana

La portate delle fogne miste quando piove aumenta di due ordini di grandezza, quindi è impensabile che

un ID tratti una portata 100 volte superiore alla normalità, quindi ci si pone come obiettivo quello di

depurare solo 1/5 della portata complessiva delle fogne miste, in quanto, le prime acque meteoriche

sono cariche di sostanze inquinanti (sigarette, tovaglioli) che sono raccolte sul manto stradale.

Solo le prime acque contengono gli elementi inquinanti, dunque è inutile trattare tutta l’acqua meteorica.

Le portate da gestire variano a seconda del clima:

periodo di tempo secco : Qm,n ∈ [0,Qp,n]

periodo in tempo di pioggia: Qp=5 Qm,n

ogni persona scarica :

60g/d BOD5

120g/d COD

90 g/d SST

15 g/d Ntot

3-4 g/d Ptot

Lo scaricatore di piena

smista l’acqua in eccesso

Q

t t0 tempo in cui inizia la pioggia

(I valori sono in ritardo rispetto alla pioggia)

6 12 19 24

QP,N

Page 43: Ingegneria Sanitaria Ambientale

42

CICLO DI TRATTAMENTO FOGNE NERE

Doppia grigliatura (per eliminare solidi grossolani >1cm )

Dato che nelle fogne arriva di tutto ,prima del sollevamento ,si prevede una doppia grigliatura in serie,

una grossa manuale (4-8 cm) [elevata concentrazione] e una piccola meccanica (1-2 cm), dato che le

fogne camminano sotto il livello stradale.

La fase di grigliatura è importantissima per la salvaguardia delle apparecchiature utilizzate per le fase

successive; essa non influisce sul BOD e COD.

Se è presente una sola griglia, essa sarà media.

Ogni fase di grigliatura è dotata di un bypass e produce grigliato.

Sollevamento

I sistemi utilizzati per il sollevamento dell’acqua sono: pompe centrifughe o sistemi a coclea.

Non ha finalità depurative, è indispensabile perché le fogne viaggiano sotto terra e con esse faccio

arrivare nelle vasche.

Pompa centrifuga

La pompa è costituita da un motore, una chiocciola e una parte che ruota nella chiocciola (GIRANTE).

L’acqua arriva tramite una tubazione in pressione alla chiocciola nella quale vi è la girante che gira per

l’energia elettrica che le è stata conferita dal motore. Girando, essa conferisce energia all’acqua che

fuoriesce dalla chiocciola in pressione per essere sollevata a livelli superiori rispetto a quello della pompa.

Efficienza pompa tanto più elevata quanto maggiore è il numero di pale della girante.

La girante ha pale molto piccole in quanto all’interno della chiocciola c’è meno spazio per far entrare

qualche solido grossolano evitando quindi l’intasamento della pompa.

0 ≤ ����� ≤ 2 se di più non c’è più spazio: INTASAMENTO.

Le pompe con zero pale (POMPE A GIRANTE ARRETRATA) sono le migliori da questo punto di vista ma

sono poco efficienti; sono anche molto sicure, vengono usate solo nei grandi impianti (4-5 m; problemi

per manutenzione)

POMPA

Svantaggi: Durano 10-15 anni, ci sono problemi di manutenzione qualora dovessero

intasare essendo molto alte

Vantaggi: Sono robuste ed elastiche, sono in grado di sollevare diverse portate e non

hanno limiti da superare.

GRIGLIATURA POMPA

Page 44: Ingegneria Sanitaria Ambientale

43

Il trasferimento dell’energia avviene grazie all’attrito che si forma tra la girante e l’acqua.

In generale si prevedono due pompe (una di riserva) una in grado di sollevare la portata media nera

[ 0 , Qm,n ] e una di un altro tipo in aggiunta per garantire il sollevamento della portata di picco meno la

portata media [Qm,n , Qp,n ]

La quota di sollevamento può essere molto alta ed è un sistema molto robusto.

La manutenzione è tanto più rilevante quanto è grande la pompa

Coclee (o viti di Archimede)

Questa apparecchiatura è completamente aperta ed è molto facile intervenire per la manutenzione e il

rischio di intasamento è molto basso � ha elevati rendimenti.

Però è un apparecchiatura poco efficace in quanto non si può vincere qualunque tipo di dislivello dato che

non può essere troppo lunga.

Sono costituite da un grosso cilindro metallico intorno a cui è saldata un elica d’acciaio.

Tale cilindro è mantenuto in rotazione da un motore elettrico posto sopra la coclea.

Via via che la vite ruota l’acqua tende a salire ma aumentando la lunghezza aumenta anche il carico

sull’asse centrale la quale tende a flettersi.

Di solito l’angolo di inclinazione è di 35-38° per un altezza di 4-5m (non può essere verticale altrimenti

l’acqua cade).

Si potrebbe pensare di mettere più unità in serie ma naturalmente aumenterebbero i costi di

manutenzione (non è molto vantaggioso, avrei più unità da gestire).

Per tali motivi si tende a scegliere il sistema a pompa anche se quello a coclea risulta essere più

elastico(se aumenta la portata la coclea non ne risente molto).

Per il sistema a coclea viene previsto comunque un altro impianto in parallelo per gli stessi motivi delle

pompe.

Dopo l’impianto di sollevamento ci è una fase di sedimentazione primaria.

Sedimentazione primaria

I solidi da sedimentare sono solidi urbani (solidi sospesi sedimentabili) e il fango risultante è non stabile.

Le vasche sono identiche a quelle utilizzate per la sedimentazione quindi si possono usare o quelle a

flusso verticale o quelle a flusso orizzontale. Stessi sistemi di pulizia.

Per la progettazione delle vasche si deve tener conto del tempo di detenzione (td) (� volume) e del carico

idraulico (ci) (� superficie).

Il carico idraulico è compreso tra 1-1.2 m/h (velocità di sedimentazione delle particelle)

(in I.P. ci = 3.5 m/h perché i solidi erano più pesanti)

E il tempo di detenzione è compreso tra 2.5-3 h (per coefficiente di sicurezza)

A = Qm,n/ci , V = td · Qm,n

Quando non piove la portata è compresa tra 0 e Qm,n · ci e questi valori si riferiscono a sostanze da

sedimentare esclusivamente organiche.

In condizioni di pioggia, non solo all’impianto non arriva solo sostanza organica ma inoltre la

portata diventa anche 100 volte.

Di norma una città dovrebbe depurare il primo 5% della portata complessiva ma ogni regione può

scegliere la soglia massima, questo blocco di portata avviene tramite uno scaricatore di piena che si attiva

solo quando piove.

Page 45: Ingegneria Sanitaria Ambientale

44

Nell’arco della giornata possono arrivare all’impianti valori di portata superiori a Qm,n e in questo modo

l’impianto dovrebbe funzionare male; ciò non accade perché in ci è stato inserito il criterio di sicurezza.

ci e td sono sulla base di acque urbane.

Scaricatore di piena per fognature

In periodi di pioggia, all’impianto di depurazione può

arrivare una quantità di acqua 100 volte Qm,n , potrei

avere un malfunzionamento dell’impianto. Ciò però

non avviene perché l’acqua viene smistata in uno

scaricatore di piena. Quando l’acqua supera un valore

limite trabocca e l’acqua in eccesso viene raccolta da

un canale che porta allo scarico diretto, mentre la parte rimanente viene inviata all’impianto di

depurazione.

Se piove per lungo tempo, BOD e COD si diluiscono, perché non mandare tutto al corpo ricettore

direttamente? Perché poi i microrganismi della fase biologica non hanno di che nutrirsi.

CICLO DI TRATTAMENTO FOGNE MISTE

Quando la fogna è mista ha acque nere + meteoriche e un surplus di sostanze solide in ingresso, non più

solo organiche (anche Pb). All’impianto di depurazione ho 2 problemi: una Q maggiore e la presenza di

sostanze diverse dalle organiche.

Per eliminare la sabbia uso i dissabbiatori.

SABBIA: particelle di dimensioni ridotte con elevato peso specifico e elevata durezza (azione abrasiva, si

può accumulare).

La fase di dissabbiamento è posta prima della fase di sedimentazione in quanto a valle di essa la portata

di acqua, in caso di pioggia può essere deviata in modo da trattare solo una aliquota della portata totale e

solo dopo la sedimentazione le portate sono ricongiunte e disinfettate.

Fase di dissabbiamento (non devo raccogliere il materiale organico)

È ottimizzata per rimuovere i composti inorganici in quanto , producendo fango stabile non è produttivo

mischiarlo al fango instabile generato dai composti organici.

Avviene tramite i dissabbiatori che vengono posti prima della sedimentazione primaria. Esistono tre

tipologie:

-a canale

-areati

-circolari (tipo pista)

A canale oramai non sono più usati ma negli anni passati era il metodo privilegiato.

(Forze di gravità o centrifughe: non richiedono dispendio energetico)

Dissabbiatori a canale

sono canali a sezione molto larga dove la sedimentazione delle particelle solide sedimentabili avviene

solo grazie alla forza di gravità, in modo che sedimentino le sostanze inorganiche con dimensioni superiori

a 0.2 – 2.5 mm.

C. A. ID 100 Qm,n 5 Qm,n

95 Qm,n

Page 46: Ingegneria Sanitaria Ambientale

45

Bisogna far attenzione a non far avvenire la sedimentazione dei

solidi organici e per fare ciò si deve “calibrare la vasca” in base al

fatto che le particelle inorganiche sedimentano prima.

La velocità della corrente deve essere di circa 30 cm/s per garantire la sedimentazione delle particelle.

Quindi bisogna pensare a un canale con diverse sezioni in modo da mantenere sempre la stessa velocità

con portate diverse.

Quindi l’intervallo [ 0 , 5 Qm,n ] si suddivide in tante portate che

corrisponderanno a dei precisi gradini.

Inoltre viene inserito un restringimento lungo il canale chiamato

venturimetro (sconnessione idraulica) che permette in primo

luogo il controllo delle condizioni di deflusso nel dissabbiatore ma

permette anche di misurare la portata.

Il prodotto di risulta del dissabbiatore è chiamato sabbia e non fango in quanto è un prodotto stabile e

palabile.

La sabbia potrebbe essere usata come materiale edile ma difficilmente viene usata a causa della

sua bassa qualità (potrebbe contenere solidi organici). Va quindi smaltita insieme al grigliato.

Sul fondo è presente una cunetta dove si accumulano i materiali sedimentati, che vengono poi rimossi con pulizia meccanica nei grandi impianti e manuale nei piccoli.

Dissabbiatori aerati

Sono vasche molto simili alle vasche a flusso longitudinale ma sono molto più

piccole. Td = 10 min

L’aria viene immessa dal fondo della vasca e risalendo crea un moto circolare

dell’acqua. (FORZA CENTRIFUGA)

Quindi insieme al moto longitudinale c’è anche un moto circolare, in

complessiva si ha un andamento elicoidale.

Le particelle più pesanti andranno ad impattare sulle pareti per poi depositarsi sul fondo.

È migliore rispetto a canale in quanto la portata di aria si può regolare in base alle esigenze inoltre

ossigenando l’acqua la si prepara per una fase successiva.

Dissabbiatori circolari (a pista)

Sono vasche a spinta circolare.

PIANTA Raccolta sabbia

Nella realtà è simile a

una parabola

Cunetta

ARIA

Usati nei piccoli impianti perché hanno un diametro di 4-5 m massimo. Parte cilindrica sormontata da una parte tronco-conica. La sabbia si deposita nella parte conica.

VENTURIMETRO

da qui viene immessa l’aria

Page 47: Ingegneria Sanitaria Ambientale

46

L’acqua entra in modo tangenziale acquistando un moto circolare .

In questo modo le particelle più grandi tendono ad impattare sulle pareti e a depositarsi sul fondo. Al

centro della vasca è posta una pala che conferisce il moto circolare all’acqua e lo rende elastico, ossia si

può variare la velocità di rotazione delle particelle variando il numero di giri.

Questo impianto è adottato solo per situazioni molto piccole in quanto lo spazio e le portate di acqua

devono essere molto ridotte. (diametro 4-5 m massimo)

Si può pensare di separare la portata di acqua dopo il sollevamento in due, in modo da attivare una

seconda sedimentazione quando piove ma ciò non è molto conveniente in quanto serve una doppia

sedimentazione.

Di solito la soluzione più gettonata è quella di utilizzare due pompe in modo tale che, quando

piove, una pompa o parte della pompa solleva l’acqua e la manda alla line a di trattamento mentre l’altra

pompa manda l’acqua alla linea acque.

Ci sono alcuni microrganismi in grado di degradare e quindi eliminare i composti organici ed

inorganici dall’acqua.

PROCESSI BIOLOGICI CON RIFERIMENTO A SOSTANZE ORGANICHE Le acque reflue urbane, oltre a composti di natura organica, contengono anche composti azotati, come lo

ione ammonio, ����. È un composto inorganico biodegradabile, cioè può essere trasformato dai

microrganismi dando origine a composti più semplici attraverso una serie di reazioni.

Proprio per questo usiamo dopo la sedimentazione una fase biologica dato che tali microrganismi sono

proprio quelli che vengono usati negli impianti di potabilizzazione; inoltre si prevede una fase biologica

soprattutto perché questa è quella più economica rispetto ai processi di natura chimico-fisica. Partiamo

dalla sostanza organica, che è quella preponderante.

I microrganismi favoriscono tutta una serie di reazioni che non avverrebbero a temperatura ambiente,

quindi per queste reazioni biochimiche essi fungono da catalizzatori.

L’insieme di tutte le reazioni cui sono soggette le sostanze organiche presenti nelle acque reflue prende il

nome di “metabolismo microbiotico”.

I microrganismi tendono a scomporre le sostanze organiche come

Ca Hb Oc Nd + O2 = H2 O +CO2 + Cx Hy Ow Nz (nuovi microrganismi) AEROBICA

Mediamente la composizione dei microrganismi è C5 H7 O2 N

Ingerendo la sostanza organica il batterio tende ad aumentare la propria massa fino a riprodursi per

scissione binaria (il batterio di sta NUTRENDO).

La precedente reazione può avvenire solo in presenza di ossigeno in quanto quello presente nelle

sostanze organiche non è sufficiente , una reazione di questo tipo è detta aerobica(disponibilità illimitata

di ossigeno).

Se invece la reazione avviene con una quantità di ossigeno limitata è dette anaerobica e produce

una reazione di questo tipo:

Ca Hb Oc Nd = H2 O + CO2 + CH4 + micr. ANAEROBICA

Dove CO2 + CH4 sono biogas (miscela gassosa composta per il 50-80% da CH4)

Lo svantaggio del processo aerobico è che bisogna appunto immettere O2 poichè quest’ultimo ha una

scarsa solubilità nell’acqua.

Però in compenso i processi aerobici sono più veloci e più completi rispetto ai processi anaerobici. Quindi

i processi anaerobici essendo lenti vengo usati solo in processi piccoli anche se sarebbe interessante usare

Page 48: Ingegneria Sanitaria Ambientale

47

sempre questo processo in quanto produce combustibile utilizzabile come energia.

Quindi in definitiva dopo il processo di sedimentazione primaria si trova, di solito un processo aerobico

seguito da una sedimentazione secondaria posta per eliminare tutti i batteri precedentemente “coltivati”

in quanto si presentano come solidi sospesi sedimentabili (hanno raggiunto dimensioni dell’ordine del mm

e quindi hanno peso specifico maggiore dell’acqua).

Il fango di risulta è detto fango secondario.

Sia il fango primario che secondario contengono sostanza organica né stabile e né palabile quindi sono

indirizzati alla linea fanghi.

Dopo è presente una fase di filtrazione al fine di eliminare qualche aggregato non sedimentato e una fase

di disinfezione.

SISTEMI MICROBICI –AEROBICI

Si dividono in due categorie:

-sistemi a culture adese

-sistemi a culture sospese (fanghi attivi)

In entrambi i casi si realizzano delle vasche.

Sistemi a culture adese

Con questo sistema i batteri proliferano nella vasca aderendo a delle culture sospese poste su dei

supporti.

Sono presenti degli inerti che fungono da supporto per i microrganismi che si formano attraverso reazioni

biochimiche. Su tali sistemi di supporto si forma una patina biologica che tende ad ispessirsi, perché con

l’acqua entra anche sostanza organica: BIOFILM.

Poi SEDIMENTAZIONE � FILTRAZIONE

Sistemi a culture sospese(fanghi attivi)

In questo caso i batteri proliferano sulla superfice dell’acqua quindi in modo sospeso. Immettendo

ossigeno si innescano le varie reazioni biologiche e i microrganismi danno vita ad agglomerati detti fiocchi

di fango attivo, dell’ordine del mm.

Non è necessario usare un elica in quanto già l’immissione di ossigeno crea un agitazione abbastanza

elevata.

La corrente idrica in uscita quindi conterrà fiocchi di fango attivo che dovranno sedimentare in apposite

vasche(orizzontali o verticali) (un’altra sedimentazione)�filtrazione

Detta Q la portata e S0 la sostanza organica che entra nella vasca, Q·S0 è la portata massica che nell’unità

di tempo entra all’interno della vasca.

Il tempo che occorre per ottenere questo risultato dipende dalla rapidità dei microrganismi che

normalmente può essere considerata costante.

Quindi in definitiva l’unico fattore che può influire sulla velocità è la quantità di sostanza organica.

I SISTEMI BIOLOGICI SONO A VALLE DELLA GRIGLIATURA, PRIMA

SEDIMENTAZIONE, SOLLEVAMENTO E DISSABBIAMENTO, SOLO PERÓ

QUANDO L’IMPIANTO É ALIMENTATO DA UNA FOGNA MISTA.

Page 49: Ingegneria Sanitaria Ambientale

48

SISTEMI A CULTURE SOSPESE (FANGHI ATTIVI)

Criteri di dimensionamento

Le dimensioni delle vasche per i sistemi a fanghi attivi dipendono da 3 fattori:

1. Le dimensioni delle vasche dipendono dalla quantità di sostanza organica che arriva; maggiore è la

portata in ingresso e maggiore è tale quantità.

2. Dipende dalla velocità con cui i microrganismi degradano la sostanza organica, la consideriamo

costante anche se essa è un dato di progetto.

3. La quantità di microrganismi presenti nella vasca.

La quantità di organico da trattare (è un dato di progetto) può essere misurata in BOD o in COD, noi la

misureremo in BOD5 (biodegradabile). Sia S0 la concentrazione di BOD5 in ingresso alla prima

sedimentazione (S0 ≅ 250 mg/l); allora, considerando che in essa si rimuove il 30% di organico, otteniamo

in ingresso alla vasca S’0 = S0 · 0.7

Nella vasca non viene abbattuta tutta la sostanza organica, ma per legge deve fuoriuscirne un massimo di

25 mg/l.

Q = Qm,n · S’0 - Qm,n · 25 = Qm,n · (S’0 – 25) ABBATTUTO

Per sicurezza si predispone una vasca in modo da eliminare tutto, dunque Q = Qm,n · S’0 ABBATTUTO

Indichiamo con Fc il fattore di carico organico.

Fc = velocità con cui i microrganismi degradano la sostanza organica

A parità di substrato BOD5, disponibile in un certo intervallo di tempo, l’entità della conversione

biochimica dipenderà dalla massa (m) di batteri attivi (o tanti batteri e tempo breve oppure pochi batteri

e tempo lungo). Fc tiene conto contemporaneamente sia della concentrazione di batteri attivi che del

tempo di contatto.

Per i nostri impianti Fc = 0.3 d-1

perché ogni kg di microrganismi, in un giorno, consuma 0.3 kg di sostanza

organica. Approssimazione effettuata: kgBOD5 = kgmicr.

�� =�.� ��

�= 0.3���� �� =

��,�·���

(�) (m) massa microrganismi

Criteri di misura della massa di microrganismi

Solitamente la quantità di microrganismi si misura in � !

����" (UFC: unità formanti la colonia) oppure in

#$%

����"(MPN: numero più probabile).

I microrganismi nella fase biologica tendono a formare fiocchi di fango attivo (culture sospese) che dal

punto di vista fisico sono solidi sospesi sedimentabili (SSS) (avendo un peso specifico maggiore di quello

dell’acqua), dunque essi sono SST. SST è l’indice della quantità di microrganismi presenti nell’acqua,

ossia i microrganismi che mi occorrono per degradare la sostanza organica presente che arriva alla vasca

in un dì.

&&' = (�,) · &�

*

��=

+,-./0

�� · +,-./0�� · +,&&'

= +,&&'

Conoscendo il numero di microrganismi presenti posso calcolare il volume di vasca che mi occorre; per

motivi economici tale vasca non deve essere molto grande, ma anzi relativamente piccola.

Page 50: Ingegneria Sanitaria Ambientale

49

Il range ottimale di microrganismi nella vasca è 3000 ÷ 5000 mg/l = 3000 ÷ 5000 g/m3 = 3 ÷ 5 kg/ m

3

1 = ( · &�

*

23· ��

Ca = [SST] � SST = Ca· V

&&' = (�,) · &�

*

��→�� =

(�,) · &�*

&&'= (�,) · &�

*

23 · 1→ 1 =

(�,) · &�*

23 · ��

Dunque dovrei usare una vasca piccola, ma avrei delle inefficienze dovute a due motivi:

il primo è che il volume della vasca non deve essere eccessivamente piccolo in quanto, essendo un

processo aerobico, l’ossigeno deve potersi solubilizzare all’interno dell’acqua (se il volume di acqua è

troppo piccolo non tutto l’ossigeno si solubilizza).

Il secondo motivo è legato al corretto funzionamento della fase di sedimentazione in quanto se la

concentrazione dei solidi diventa troppo elevata, la velocità di sedimentazione tende a decrescere.

Perciò volumi piccoli determinano una sedimentazione lenta.

Quindi il volume è uguale alla massa sulla concentrazione di microrganismi dove la concentrazione dei

microrganismi la fissiamo noi in quanto, una parte dei fiocchi che sedimentano vengono ricircolati a

monte della fase biologica permettendo di fissare una concentrazione microbica all’interno della vasca

decidendo la quota di riciclo(non esiste un impianto a fanghi attivi senza ricircolo).

1567�6 =8���9:96)�7��

;���9:96)�7��

Non si può però aumentare troppo il riciclo altrimenti la fase di sedimentazione non funziona

bene.

Dalla seconda sedimentazione, parte del fango è mandato alla linea fanghi e parte è riciclata.

Vantaggi riciclo

• Aumento della concentrazione batterica all’interno della vasca di aerazione rispetto a quello che si

forma spontaneamente per accrescimento dei batteri

• Facilitazione delle reazioni biologiche

• Eliminazione delle sostanze organiche per assorbimento sui fiocchi

• Possibilità di regolare la concentrazione dei batteri

Geometria della vasca

La geometria varia a seconda della tipologia di erogazione d’ ossigeno:

-con sistemi ad insufflazione di aria

-con sistemi di erogazione superficiali (sistemi a turbina)

VASCA SED

R

AERAZIONE PROLUNGATA

Per il riciclo, si manda in testa al

processo fango con età più alta di 20-

25 giorni.

3000 mg/l < Cmicrorg. < 5000 mg/l

Meglio Cmicrorg. = 3000 mg/l

Page 51: Ingegneria Sanitaria Ambientale

50

Sistemi Ad Insufflazione Di Aria

C’è un sistema che comprime l’aria (compressori o soffianti) e, tramite un condotto che viaggia sulla

parete della vasca a cui sono collegate delle diramazioni, l’aria viene insufflata sul fondo della vasca

attraversando i diffusori (1).

Se le bolle sono grandi l’aria tende a salire in

superficie, quindi le bollicine devo essere piccole

affinchè l’aria vada in soluzione. Il frazionamento

dell’aria è importante per la solubilità dell’ossigeno

infatti più tempo la bolla rimane in acqua e più

ossigeno passa in soluzione.

Se non ci fosse il diffusore si avrebbero bolle grandi

che andrebbero subito in atmosfera.

-bolle grandi >8mm

-bolle medie 3÷8mm

-bolle fini <3mm (più usati)

Negli ultimi anni ci sono anche prodotti con

microbolle <mm, i solidi sospesi però occludono i

pori da dove escono le bolle e sono necessari più

interventi di manutenzione.

Se si eroga aria in questo modo la vasca non può

essere molto larga altrimenti non c’è la stessa

quantità di aria in ogni punto della vasca: alcuni

microrganismi non verrebbero colpiti.

In generale con tale soluzione si considera un altezza e una larghezza della vasca rispettivamente

H ≤ B 1.2 ÷ 1.3 , tipicamente 4 o 6 m e B circa uguale (H un poco più grande).

Se si vuole aumentare la larghezza bisogna posizionare i diffusori sia a destra che a sinistra(2).

Un'altra possibilità è avere diffusori omogeneamente distribuiti lungo tutta la vasca (a tutto fondo) e in tal

caso i requisiti geometrici detti in precedenza vengono meno(3).

Sistemi Ad Areazione Superficiale o Meccanica (o sistema a turbina)

Le vasche sono a pianta quadrata (l’ideale sarebbe circolare ma risulterebbe costoso) nel quale si installa

una turbina giusto al centro.

La turbina è un apparecchiatura elettromeccanica con un motore elettrico, un asse motore e un

elica che ruota in corrispondenza della superficie della

vasca, turbolenza che favorisce il trasferimento

dell’aria esterna nella vasca (le vasche sono aperte).

In realtà non è corretto definirla turbina in quanto

questa subisce l’azione:

la pala, muovendosi, crea una depressione dietro di sé

che viene subito colmata dall’aria, la quale essendo

colpita dalla pala va a fondo nella vasca.

Se la vasca fosse a pianta rettangolare si posizionano

due turbine.

compressore

tub

azi

on

e

diffusore

Page 52: Ingegneria Sanitaria Ambientale

51

Anche qui la grandezza delle vasca non è indipendente ma dipende dalla potenza della turbina.

Non posso costruire vasche rettangolari se ho una sola turbina dato che essa deve stare al centro.

Quantità di ossigeno da fornire alla vasca

Per conoscere la quantità di ossigeno basta effettuare un calcolo stechiometrico sull’ossigeno che viene

utilizzato nella reazione dai microrganismi.

In generale per degradare 1kg di sostanza organica in termini di BOD5 è necessario rendere disponibile ai

microrganismi un kg di ossigeno.

In realtà si usa una portata di ossigeno superiore in quanto la portata in arrivo e la concentrazione

organica può variare nel tempo.

Quindi il dimensionamento di diffusori o turbine lo si fa in modo “conservativo”:

1.6-1.7 kgO2 /kgBOD5 = OCload

OCload è dunque un parametro empirico ed indica la quantità di ossigeno da immettere e non la quantità

di aria(sarebbe il 20%della portata di aria).

Non tutto l’ossigeno che viene immesso nella vasca tramite i diffusori entra in soluzione ma la quantità

che si solubilizza dipende da:

-caratteristiche diffusore

-dimensione pori(dimensione bolle)

-profondità alla quale vengono posti i diffusori nella vasca

Quindi il rendimento di solubilizzazione , ossia la quantità di ossigeno che va in soluzione generalmente è

circa 0.25 (in vasche da 4-5 m) (con bolle grandi l’efficienza scende al 7-8%), quindi in realtà per sapere

l’aria effettiva che serve bisogna calcolare:

������

0.25 ∙ 0.21(∙ 1)

I microrganismi costituiscono un prodotto della reazione e vanno nel fango.

Si è visto che la quantità di fango che si produce è correlata alla quantità di sostanza organica che di

degrada(+BOD5 +fango).

Si considera che per ogni Kg di sostanza organica che viene abbattuta si formano 0.9/1 Kg di fango,

misurato come SST(indice di produzione del fango= 0.9-1KgSST/kg BOD5 ).

SISTEMI A CULTURE ADESE

come già detto nelle culture adese si allocano dei corpi inerti che fungono da supporto per lo

sviluppo dei microrganismi.

Ci sono due tipologie di impianto:

-letto percolatore

-biodischi(RCB)

Negli ultimi anni sono statti introdotti nuovi tipi di impianti del tutto simili ai letti percolatori.

Page 53: Ingegneria Sanitaria Ambientale

52

Letti percolatori

Si ha una vasca cilindrica riempita di materiale inerte.

Corpi del letto percolatore: sono in propilene, pensati per avere grande superficie disponibile

all’attecchimento dei microrganismi batterici ( superficie = 140 m2/cm3 )

Volume di vuoti > 90%

Devono essere di dimensioni omogenee (altrimenti le più piccole si inseriscono negli interstizi delle più

grandi) e non troppo piccole (altrimenti la porosità diminuisce)

Tipicamente il pietrisco che si utilizza presenta un diametro tra i 6-8 cm.

Sul letto percolatore c’è un sistema di tubi a raggiera contenente il liquame che viene asperso in modo

uniforme sul letto.

Grazie alla pressione dell’acqua il sistema di distribuzione(tubi) ruota con continuità, infatti i tubi

sono dotati di pori su un solo lato che permettono l’uscita del liquame (su una parte di tubo su un lato e

sull’altra parte di tubo sull’altro): questo determina una coppia che mette in moto l’albero facendolo

girare.

Il liquame una volta arrivato sulla superfice del letto attraversa il pietrisco scendendo verso il basso.

Lungo questa discesa si avviano le reazioni biologiche e i batteri tendono ad aderire al pietrisco creando

una strato sempre più grande detto biofilm.

Essendo un processo aerobico bisogna assicurare la presenza d’ossigeno tramite i diffusori(non si può

usare una turbina a causa del pietrisco) e bisogna assicurarsi che la porosità del letto sia dovuta all’aria e

non all’acqua.

Quindi per assicurare un continuo ricambio d’aria, la si fa entrare dalla superfice del letto percolatore a

pressione atmosferica e tramite un apertura sul fondo la si fa uscire(può anche entrare dell’altra aria).

Il flusso d’aria è assicurato dalla variazione di temperatura e densità tra l’ingresso e l’uscita.

Il flusso di aria può invertire sia nel corso della giornata che nel corso delle stagioni in quanto la

temperatura o la densità interna può essere maggiore o minore di quella esterna a seconda del clima.

Naturalmente si ha una limitazione sulla portata in ingresso in quanto, se è troppo grande, i pori si

riempiono di acqua e il processo diventa anaerobio.

Nel tempo lo spessore del biofilm cresce facendo aumentare la velocità dell’acqua fino a che quest’ultima

ha forza sufficiente per staccare il biofilm infatti a regime c’è pellicola biologica che si forma e altra che si

stacca.

Tint > Test ASCENDENTE ↑ inverno ( ρint < ρest ) (TIN≅ 14°C, reazioni ESOTERMICHE)

Tint < Test DISCENDENTE ↓ estate (reazioni esotermiche poco efficaci perché parte del calore viene

ceduto all’acqua)

Man mano i microrganismi più interni si alimentano con più difficoltà e cominciano ad avere meno

ossigeno rispetto a quelli più esterni secernendo gas (CH4) che favoriscono lo staccamento della

pellicola: AZIONE DIFENSIVA (azione di taglio biologica)

Quindi sul fondo del letto si raccoglie acqua con pezzetti di biofilm che devono essere separati per

sedimentazione.

È inutile riciclare questi microrganismi in quanto essendo raccolti su pezzetti di pellicola se venissero

reintrodotti nella vasca li ritroveremmo direttamente sul fondo del letto.

I microrganismi rimangono nel letto per diversi giorni invece l’acqua per pochi minuti.

Page 54: Ingegneria Sanitaria Ambientale

53

Il vantaggio del letto percolatore è che non bisogna fornire aria direttamente permettendo un notevole

risparmio: l’immissione avviene grazie al gradiente di densità, il particolato occupa lo spazio tolto

all’acqua.

Lo svantaggio è che a parità di portata, i letti percolatori rispetto ai fanghi attivi danno luogo a volumi

maggiori però in compenso fornendo acqua a Patm e recuperandola a Patm il carico che si perde è solo

quello pari alla quota (3-4 m) invece nel sistema a fanghi attivi ho perdite di carico all’imbocco e all’uscita

(3-4 cm)

Criteri di dimensionamento

Il funzionamento dei letti percolatori è basato sull’adozione di un parametro, fattore di carico volumetrico

(Fcv) : quantità di sostanza organica espressa in kg BOD5 che deve essere degradata al giorno per m3 di

letto percolatore.

��� =����( ������������������������)

��� · ��(������� ����������)

m3 : quantità di materiale inerte che serve per degradare le sostanze organiche.

Maggiori sono i m3 e maggiore è la quantità di organico che può essere degradata.

Fcv misura la quantità in funzione del volume, proporzionale alla quantità di microrganismi che quindi non

vengono espressi come KgSST ma in funzione dei m3

(+m3

+kgSST).

Il volume del letto percolatore si calcola fissando Fcv, di solito 0.2-0.3 e i processi biologici crescono al

crescere della temperatura, ossia Fcv cresce con la T, considererò la T = costante

Conoscendo i kg di BOD5 al giorno che arrivano nell’impianto e noto Fcv si ricava V da cui si ricava

l’altezza.(3-4m)

��� =

!→ ! =

���→ # ∙ % =

���→ % =

��� ∙ #

Se H < 3m si deve aumentare troppo la superficie a parità di volume.

Se H > 4m poiché è troppo alto la quantità d’aria fornita non potrebbe arrivare nelle zone più lontane

dall’ingresso della stessa.

A valle del letto percolatore si prevede quasi mai una filtrazione in quanto i pezzettini di pellicola

sedimentano meglio dei fiocchi.

Spesso non si ha la possibilità di avere un terreno scosceso quindi il carico che si perde nel letto

percolatore bisogna recuperarlo con una pompa.

A causa dei volumi impiegati troppo grandi i letti percolatori sono stati usati sempre meno negli anni.

Ultimamente sta ritornando l’attenzione su di loro in quanto al posto dei materiali lapidei è stato pensato

di usare la plastica che permette di avere una superfice specifica molto più ampia riducendo i volumi.

Fcv viene anche espresso come la velocità di degradazione della sostanza organica, tanto più veloce

quanto maggiori sono i m3 a disposizione.

Page 55: Ingegneria Sanitaria Ambientale

54

Biodischi

Sono della stessa famiglia dei letti

percolatori

I primi biodischi sono stati costruiti

all’inizio degli anni ’50 e prevedevano

l’uso del legno.

Furono un fallimento e solo dopo l’arrivo della plastica le cose sono migliorate (sono comprati già fatti).

Sono apparecchiature elettromeccaniche composti da una vasca a pianta rettangolare ed un asse che

attraversa tutta la vasca dove sono collegati dei dischi. A sua volta l’asse è collegato ad un motore

elettrico che la mette in rotazione facendo ruotare anche i dischi che sono parzialmente immersi nella

vasca.

Su entrambe le facce del disco si crea una pellicola biologica.

Normalmente la separazione tra un disco e l’altro è di 1-2cm, spessore disco: 1-2 mm.

Anche ora si ha un’aereazione naturale in quanto il disco a volte è immerso e a volte no in quanto ruota a

1-2giri/min.

La pellicola sottrae ossigeno all’aria, essa è esposta 15-20 secondi

Svantaggi: Man mano che il tempo passa la pellicola si fa sempre più spessa fino a staccarsi e a

sedimentare: la pellicola cade per azione di taglio dell’acqua, agevolata dal movimento rotatorio e per

produzione di CH4

Vantaggi: L’energia che si spende è solo per far avvenire la rotazione e le perdite di carico si hanno

all’imbocco e allo sbocco.

Criteri di dimensionamento

Si procede con un ragionamento simile a quello fatto sui letti percolatori: si usa il fattore di carico

superficiale (kg BODgiorno/m2di superficie di disco)in quanto la pellicola biologica si forma sulla superficie

dei dischi.

I dischi in genere sono di polietilene con diametro tra i 10 cm e 4m.

La superfice la si considera piana ma in realtà ha una serie di avvallamenti per aumentare la superfice di

contatto.

In definitiva i sistemi a culture sospese(sistema più usato) sono in grado di garantire un efficienza

superiore rispetto al caso delle colture adese, inoltre i sistemi a fanghi attivi sono in grado di agire anche

contro eventuali solidi sospesi organici che non sono stati bloccati nelle fasi precedenti, in quanto essi

entrano a far parte della struttura del fiocco e sedimentano con essa.

LINEA FANGHI

Obiettivo: rendere migliori le qualità del fango in modo che sia possibile smaltirlo o usarlo in agricoltura.

Fanghi primari: derivanti dal processo di sedimentazione primaria (4% solidi, 96% umidità)

Fanghi secondari: derivanti dal secondo processo di sedimentazione, fanghi fioccosi (1% solidi)

Fanghi chimici: chiariflocculazione

1-2 mm 1-2 cm

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Fognatura nera

Criterio di stima della produzione di fango

Si ha una frazione di fango solida (secca) e una frazione di fango liquida.

La frazione secca è costituita dai solidi che erano presenti all’inizio come SSS organici.

Qf I = portata volumetrica di fango primario (acqua +solido)

Q’f I = portata massica (solo solido-secco)

Qf II = portata volumetrica di fango secondario (acqua+ solido)

Q’f II = portata massica di fango secondario (solo solido)

Ogni persona scarica circa 90g di SST al giorno di cui 2/3 sono SSS e la rimanente parte è costituita da

colloidi.

Quindi all’impianto di depurazione arrivano 60 g/d*ab .

Per passare dalla portata massica a quella volumetrica primaria bisogna conoscere l’umidità del fango

ossia la quantità di acqua contenuta nella miscela che costituisce il fango in termini percentuali.

��� =����

�100 − �� · 10

Ui = parti di acqua su un totale di 100

100 - Ui = parti di secco

Ui dipende da quanta acqua porta con se il fango passando dalla linea acqua alla linea fanghi. Tipicamente

Ui si assume come 96%.

La parte secca del fango secondario è costituito da microrganismi ottenuti dalla reazione di

trasformazione della sostanza organica .

Maggiore è la quantità di sostanza organica che viene degradata e maggiore è il fango secco che si forma.

Quindi Q’f II = 0.9/1 kg di BOD5 al giorno e nota l’umidità degli impianti a fanghi attivi (Uii=99/99.2%) si può

calcolare QfII . Di norma Q’f I >Q’f II e Qf I <QfII .

Si ricorda che il fango deve essere, per legge , stabile e palabile.

La prima fase è volta ad avvicinare il fango ad essere palabile.

Fase di ispessimento (palabile)

Operazione volta ad eliminare una parte d’acqua.

Questa fase la si può attuare poiché la portata che circola nella linea fanghi è circa due ordini di grandezza

in meno rispetto alla linea acqua.

Quindi si possono impiegare grandi tempi di detenzione(20/30h) senza avere volumi enormi. Quindi

separo il fango dall’acqua in quanto permettono di ridurre l’umidità della linea fanghi. Dopo questa fase

Q’fI rimane costante mentre QfI diminuisce.

L’acqua nel fango è presente sotto tre forme:

-acqua presente nei pori che si formano tra una particella di fango e l’altra (60/70%) (interparticellare)

-acqua legata (20%) (interstiziale)

-acqua intra-particellare, acqua di cui sono formate le particelle stesse(15%)

Il processo di inspessimento agisce solo sulla prima aliquota e con tale processo si riesce a togliere il 50%

del totale.

Page 57: Ingegneria Sanitaria Ambientale

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Qf prima dell’inspessimento è 98% e ne tolgo la metà ossia 49. Ne restano 49+2 di acqua quindi sono

49/51=96% di acqua .

Per essere palabile il valore deve scendere a 80%

(ispessiti per gravità)

Criteri di dimensionamento

I parametri dimensionale da tener conto sono il Td e Css=carico superficiale solido.

Il Td di solito è 24h invece il Css è usato al posto del carico idraulico e consente di ricavare la superficie da

assegna all’ispessitore.

La concentrazione di solidi in ingresso è circa 20000mg/l.

Più elevata è la concentrazione e meno velocemente avviene la sedimentazione.

Quindi per ottenere la sedimentazione bisogna creare una superfice tale che la concentrazione scenda al

di sotto di 80/90 Css ossia KgSST /m2*d.

Noto Q’fI posso calcolare la superfice.

Gli ispessitori dinamici sono vasche di sedimentazione a pianta solitamente circolare costituiti da una

parte cilindrica che sormonta una parte troncoconica.

Al centro c’è il deflettore con quota superiore allo stramazzo.

Sopra è posizionato il carroponte a due bracci.

Esso ha un sistema che raschia il fondo e tende a rompere i legami acqua fango per abbassare localmente

la concentrazione favorendo la sedimentazione.

I rebbi collegati ai bracci, girando all’interno della vasca, disgregano i fiocchi di fango, favorendo

l’espulsione dell’acqua e del gas dal fango e quindi la sua sedimentazione.

È possibile che per lunghi tempi di permanenza il fango formi delle croste in superficie, che sono rotte dai

controrebbi. La fase liquido del fango viene evacuata da stramazzi superficiali e convogliata alle acque di

drenaggio.

Page 58: Ingegneria Sanitaria Ambientale

57

Fase di stabilizzazione

consiste in processi biologici che non possono avvenire in condizioni di scarsa umidità.

Un alternativa ai processi biologici si potrebbe stabilizzare il fango per via chimica ma è più costoso.

Per ipotesi si potrebbe aggiungere la calce al fango in modo da innalzare il pH a 9-10 mandando i

microrganismi in uno stato di latenza e quindi bloccando le attività microbiche (fango stabile). Inoltre

crescono anche i costi di smaltimento .

Processo di digestione

È la fase di stabilizzazione biologica del fango.

I batteri sono proveniente prevalentemente dal fango primario, per cui se prevedo una digestione

anaerobica è necessario scegliere per la linea delle acque lo schema completo, con sedimentazione

primaria (il fango secondario non va bene perché nei reattori biologici, che sono SEMPRE aerobici, i

batteri muoiono).

Si preferisce attuare un processo anaerobico in quanto le portate

sono piccole e quindi si può risparmiare sull’immissione di aria

(cosa non possibile nella linea acqua in quanto le portate erano

molto più grandi) inoltre non è importante che le reazioni

avvengano in modo completo ma che il fango sia stabile

(trasforma sostanze organiche in altre più semplici e stabili).

Dal processo anaerobio si ottiene il biogas ossia energia.

Il biogas che si produce in tali vasche (chiuse) deve essere o

bruciato (spreco) oppure può essere usato come combustibile (si

ottiene il 30-40% del fabbisogno energetico) che di solito viene

venduto.

I digestori anaerobi sono le strutture più grandi che si

realizzano anche se le portate sono piccole; ciò è giustificato dal fatto che ora si usano appunto processi

anaerobici.

Sono grossi cilindri con due parti troncoconiche.

La parte cilindrica è dove avviene la reazione biologica.

La parte sottostante serve a raccogliere il fango stabilizzato, invece nella parte sovrastante raccolgo il

biogas, che viene raccolto e mandato alla torcia se deve essere bruciato.

Il fango viene ricoperto di acqua e posto in un contenitore chiuso.

Prima avviene l’IDROLISI, poi il fango fresco subisce una fermentazione acida (putrefazione). Coi prodotti

della fermentazione acida (CH3COOH), si ha quindi la metanogenesi.

Il pH deve essere pH = 6 ÷ 8; l’acido acetico prodotto abbassa il pH e le reazioni non avvengono più. Si

mantengono i valori ottimali di pH facendo in modo che l’introduzione di fango avvenga per volumi piccoli

e frequenti e mantenendo nel digestore un’elevata alcalinità aggiungendo, se necessario, calce idrata e

carbonato di sodio (effetto tampone del sistema acido acetico / ione acetato)

BIOGAS

REAZIONI

FANGO

Page 59: Ingegneria Sanitaria Ambientale

58

Criteri di dimensionamento

Fattori principali: mescolamento e temperatura.

Il dimensionamento dei digestori si basa sul fattore di carico volumetrico.

La misura di SST viene usata come misura della quantità di sostanza che nei digestori viene trasformata.

Fcv = 0.5

Il volume calcolato in questo modo è solo il volume della parte cilindrica.

Non ci sono limiti strutturali e sulle dimensioni, Dmax 20/25m e l’inclinazione è 45°. Per rimpicciolire i

volumi, una prima possibilità è riscaldare il digestore.

I processi biologici sono sensibili alla temperatura.

È chiaro che lungo la linea acque è inutile riscaldare l’acqua, i costi lieviterebbero, invece nella linea fanghi

le portate sono molto ridotte.

L’incremento di velocità dei processi biologici non è lineare con la T, ma è un andamento con tratti

a scalino (dipende dalla capacità che hanno i microbi di lavorare a certe T). Il range migliore è 30/35°C.

Il riscaldamento dei digestori può essere:

-interno

-esterno

Ne caso interno si riscalda l’acqua dopodichè nel digestore si fanno arrivare tutta una serie di tubazioni

chiuse che fungono da scambiatori di calore: tubi concentrici utili a portare la T ai valori voluti.

Nel caso di riscaldamento esterno si realizza un ricircolo: si spilla del fango e lo si porta in scambiatori di

calore: il fango riscaldato viene rimesso all’interno.

Quest’ultimo metodo oggi è il più usato in quanto se metto i tubi dentro con il tempo tendono ad

incrostarsi e la manutenzione è più complessa.

Un ulteriore possibilità per ridurre i volumi è quella di introdurre apparecchiature elettromeccaniche nel

digestore.

Si usano pompe circolari o agitatori.

Mescolare fango fresco con fango in digestione, non si devono formare accumuli di fango fresco � la

fermentazione acida distrugge l’alcalinità.

Se riscaldo e agito Fci=2.5/3 è necessario procedere con un ulteriore inspessimento esterno dopo la

digestione.

- digestore ad alto carico = o singolo stadio (come medio) o a due stadi: riscaldo e agito (in 2 vasche

diverse, prima miscelo e riscaldo per 15 giorni, poi una vasca dove non riscaldo né mescolo)

(accumulo e formazione surnatante)

- digestore a medio carico = riscaldo (e mescolo in un unico stadio, td = 20 giorni)

- digestore a basso carico = nulla (tempi di permanenza molto lunghi, basso rendimento; poco

utilizzati, solo per piccoli impianti con climi caldi)

Quindi dopo questo procedimento l’umidità è aumentata in quanto ho tolto del secco mentre la portata

volumetrica non cambia.

Quindi il fango è diventato stabile (non putriscibile) ma non è palabile per questo motivo viene posta

un'altra fase di inspessimento dove l’acqua viene eliminata per gravità. L’acqua che produco va riciclata

alla testa dell’impianto. Con tale processo trasformo il 50% della sostanza organica.

Mescolamento con insufflaggio di aria, con mescolatori meccanici o con ricircolazione del gas.

Naturalmente volumi più grandi o tempi maggiori producono più biogas.

Page 60: Ingegneria Sanitaria Ambientale

59

Disidratazione (ridurre il tenore di acqua)

Con tale fase elimino tutta l’acqua in eccesso e rendo il fango palabile. La disidratazione si può ottenere

per via:

- naturale (essiccamento naturale su letti)

-meccanica : centrifugazione o filtrazione

-termica: essicazione incenerimento (si aumenta anche il potere calorifico)

Naturale e per via termica sono poco usate. Si preferisce la via meccanica.

La disidratazione avviene per via naturale e la si fa con dei letti di essiccamento: bacini rettangolari

molto bassi (30/50cm) in calcestruzzo il cui fondo è costituito da materiale grossolano sopra la quale c’è

sabbia (materiale drenante): acqua eliminata per percolazione e per evaporazione.

Sopra la sabbia c’è il fango che viene steso e resta lì per molto tempo.

Questo metodo ha bisogno di superfici molto grandi inoltre si hanno difficoltà a togliere il fango quindi

questa soluzione si usa solo per piccole situazioni.

Per via termica il fango va portato ad alte T. TMAX = 180°C si elimina l’acqua capillare e interstiziale

L’essiccamento favorisce l’evaporazione dell’acqua(T circa a 100°C) invece l’incenerimento distrugge

anche una parte della frazione solida(volatilizzazione della frazione organica residua) ed avviene a

600°C.con questo metodo aumentano i costi ma diminuisce il fango finale (e devo usare combustibile!).

Disidratazione per via meccanica

Centrifugazione

Si usano apparecchiature elettromeccaniche utili a separare il secco dall’acqua.

è opportuno prevedere tra post inspessimento e disidratazione un ulteriore fase detta fase di

condizionamento, utile a favorire l’agglomerazione delle particelle che formano il fango.

Questo risultato si ottiene usando dei reattivi (uguale alla chiariflocculazione) come Sali di ferro e di

alluminio (cloruro ferrico e cloroidrato di Al), gli stessi usati nella chiariflocculazione.

I sistemi di centrifugazione usano grossi cilindri ad asse orizzontale dove viene caricato il fango . Una

volta caricati vengono messi in rotazione (5000

giri/min) e il fango è soggetto all’azione centrifuga.

La fase secca e la fase liquida si separano uscendo da

due lati diversi. Le centrifughe consento di ottenere

valori finali di densità 75/80%. Sono i più economici ma

i meno efficienti per via meccanica.

I solidi in un breve tempo si addensano contro la parete interna del tamburo

All’interno del cilindro c’è una coclea che ruota nello stesso verso del tamburo ad una velocità inferiore,

essa porta i fanghi verso lo scarico.

Filtrazione

Viene fatto passare il fango in un mezzo filtrante il quale trattiene la parte solida e fa passare la liquida.

art

ific

iali

Page 61: Ingegneria Sanitaria Ambientale

60

Filtri a vuoto

I filtri a vuoto sono poco usati perché consumano molta energia a parità di prestazioni.

Si realizzano grosse vasche nelle quali c’è un tamburo ad asse orizzontale con una tela filtrante tipo

microstacci, che ora è fatta in modo tale da uscire

dalla vasca e poi rientrarvi.

Nel tamburo c’è una pompa a vuoto che risucchia

l’acqua e il secco rimane adeso sulla superficie del

tamburo.

Nel tamburo, che viene fatto ruotare lentamente

intorno al suo asse, viene mantenuto il vuoto

mediante una pompa; il fango viene risucchiato,

aderisce alla tela e perde parte della sua acqua.

Vi è un sistema di raschiamento poiché il fango va

recuperato (getto di aria compressa e un raschia-

fanghi).

Umidità residua 70/75% con impieghi energetici elevati.

Modifiche al filtro a vuoto

Filtri a nastro

Sono apparecchiature sulle quali scorre una

tela filtrante e il fango viene posto sopra la tela

creando un letto di fango.

C’è poi una seconda tela che si muove al

contrario, inizialmente è più distante e poi si avvicina man mano.

Il fango viene compresso dalle due tele che ruotano in modo solidale. Il sistema funziona in continuo.

Umidità finale 70/75% ma consumi energetici bassi.

Filtri pressa

Funzionano in discontinuo (bassa produttività, molta

assistenza) ma danno luogo all’umidità finale più bassa

55/60%. Il fango scorre nella condotta centrale che arriva in

ogni camera ad elevata pressione in modo da far uscire

l’acqua e bloccare il fango.

La tortina di fango viene poi raccolta.

il sistema è costoso e oneroso da gestire.

1a tela

2a tela

Page 62: Ingegneria Sanitaria Ambientale

61

CICLO ACQUE REFLUE

Il ciclo di trattamento è convenzionale. Si può pensare di togliere qualche fase.

Se togliessimo la prima fase di sedimentazione allora i solidi sospesi organici vanno alla fase biologica.

Se tale fase è a culture adese è un problema (si intasa il letto percolatore) o i biodischi, se invece il

sistema è a culture sospese i solidi più grossi possono fungere da nuclei per formare fiocchi

(sedimentano tali solidi come fiocchi nella seconda sedimentazione).

I microrganismi non degradano le sostanze sospese ma le disciolte, però in compenso, essi secernono

degli enzimi che trasformano le sostanze sospese in disciolte e quindi poi vengono consumate.

Quindi se si toglie la prima sedimentazione la fase biologica diventa più complessa con più

microrganismi, quindi si toglie una fase ma il dimensionamento della vasca a fanghi attivi cresce.

Questo ciclo detto ciclo semplificato viene applicato a volte in impianti di medie dimensioni.

Ora si ha solo il fango attivo che viene stabilizzato nella fase di digestione.

Si può pensare di eliminare tale fase e stabilizzare in modo aerobico nella fase biologica della linea

acque.

Determina un incremento della fase biologica con aumento di volumi e portata massica con una

conseguente diminuzione del fattore di carico.

Si garantisce la presenza nella vasca di più microrganismi cosi che ogni microrganismo ha il

compito di degradare meno sostanza organica quindi elaborarla meglio per renderla anche stabile.

Quindi senza la prima fase di sedimentazione e la fase di digestione si ha il ciclo di areazione

prolungata.

CICLO SEMPLIFICATO:

No I sedimentazione (dopo per forza fanghi attivi, ma aumentano le dimensioni);

alla digestione va solo il fango secondario, NON VA BENE: TOLGO LA DIGESTIONE e stabilizzo nella fase

biologica della linea acque � CICLO DI AERAZIONE PROLUNGATA

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