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Appunti del corso di Ingegneria Sanitaria AmbientaleIngegneria ChimicaProf PirozziUniversità degli studi di Napoli Federico II
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CORSO DI
INGEGNERIA
SANITARIA
AMBIENTALE
Prof. PIROZZI
Appunti a cura di Dario Pratola
Versione riveduta e corretta 2011-2012
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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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-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
Ca Mg CO2 1
. CaCO3 (incide poco ) 3
. MgCO3
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 )
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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
CO� + H�O ↔ H�CO�
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.
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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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12
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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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 ( ��, ��, �� ) �� �� �� ��∙�
�∙�
�∙�
� �� ��∙��� ∙�
��∙�
(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)
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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 .
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
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
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).
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
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
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 )
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
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� = ��
� 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.
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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
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
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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.
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.
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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.
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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)
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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
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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
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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.
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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
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
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
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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.
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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.
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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.
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
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
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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
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