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Relazione di tirocinio “Simulazione di un impianto di depurazione”
Relatore: Giorgio Bellotti
Correlatore: Claudia Cecioni
Candidato: Livio Guidotti mat. 427821
A.A. 2017/2018
Sommario Introduzione ................................................................................................................................... 3
WRc ................................................................................................................................................ 3
STOAT ............................................................................................................................................. 3
Installazione .................................................................................................................................... 4
Simulazioni ...................................................................................................................................... 5
Simulazione 1: A Simple work ...................................................................................................... 5
Simulazione 2: Nutrient Removal ................................................................................................ 8
Simulazione 3: Storm Tank/Trickling Filter/Humus Tank .............................................................. 9
Simulazione 4: Out of Service .................................................................................................... 11
Simulazione 5: PID ..................................................................................................................... 13
Simulazione 6: Sensitivity Analysis ............................................................................................. 15
Simulazione 7: Primary sedimentation & NItrifying filter ........................................................... 17
Simulazione 8: Sequencing Batch Reactor ................................................................................. 18
Modelli ......................................................................................................................................... 20
Primary tank.............................................................................................................................. 20
Actived sludge settling tank ....................................................................................................... 22
Actived sludge settling tank ....................................................................................................... 25
Chemical disinfection ................................................................................................................ 26
MAD .......................................................................................................................................... 27
Introduzione
Con il presente elaborato si vuole andare ad esporre l’attività di tirocinio svolta dal candidato
durante un periodo che si estende dal 01/12/18 al 10/02/19
Questa attività si è svolta all’interno dell’università attraverso lo studio e l’apprendimento di un
software per la modellazione di impianti di depurazione.
Nell’elaborato si andranno quindi ad esplicare le diverse funzioni di cui il programma è dotato
attraverso una guida a delle semplici esercitazioni per l’apprendimento che dovranno poi formare
la base per simulazioni sempre più complesse.
WRc
La WRc (Water Research Center) è la società che ha prodotto il software da me utilizzato per la
modellazione di un impianto di depurazione.
Questa società ha sede a Swidon, nel Regno Unito, tra Londra e Bristol, è una società che si occupa
per lo più di consulenze ma anche di project assessment e di Water Environment.
Questa azienda si prende carico di assistere società nella progettazione e pianificazione strategica
di impianti di depurazione, si occupa anche di caratterizzare tutti i fluidi, dai reflui alle acque
chiare, ai gas.
E’ un’azienda viva e attiva nel settore che vanta oltre 120 dipendenti e ha posizioni aperte su
Linkedin per future collaborazioni e si vanta di essere un centro di eccellenza per l’innovazione e lo
sviluppo di nuove tecniche e pianificazioni.
La compagnia mette a disposizione la possibilità di scaricare gratuitamente il software STOAT
utilizzato in queste simulazioni, direttamente dal loro sito e corredato di diversi manuali, in lingua
inglese, per l’apprendimento dell’utilizzo di questo importante strumento. Tramite contatto
diretto via mail con il responsabile di questo programma mi è stata data conferma del buon
funzionamento della versione gratuita, che è la stessa utilizzata dalla società, e che la versione a
pagamento fornisce solo alcuni processi aggiuntivi che presto verranno resi gratuiti anch’essi.
STOAT
STOAT è un software prodotto dalla WRc (Water Research Center) per la simulazione di impianti di
depurazione in tutti i loro aspetti.
E’un programma che ha visto la sua prima uscita nel 1993 ma che ancora oggi viene utilizzato e
continuamente aggiornato con l’ultima versione uscita nel 2013.
Questo software è molto dettagliato e si basa sulla risoluzione di equazioni di bilancio della
quantità di massa ed equazioni differenziali. Le sue potenzialità stanno nella flessibilità con cui può
essere utilizzato avendo al suo interno caratteristiche che gli permettono di variare molti
parametri che riguardano i vari processi ma che si riferiscono anche alle metodologie di calcolo e
di risoluzione delle equazioni in gioco.
E’un programma che può essere utilizzato per tre scopi principali
Dimensionamento (dimensionamento di un impianto)
Verifica (di impianti esistenti)
Strategia (di risparmio energetico ed ecologico)
Scaricabile dal sito: http://www.wrcplc.co.uk/ps-stoat
Installazione
STOAT è un programma che gira su Microsoft Windows, dalla versione del 95 al più moderno 10.
Necessita di un processore da almeno 32 MB e richiederà almeno 100 MB di memoria disponibili
di spazio libero sul disco. Durante le Run sarà richiesta un ulteriore potenza di calcolo per
immagazzinare i risultati prodotti dai modelli.
L’installazione del programma è semplice e classica ma richiede la sostituzione delle virgole coi
punti, opzione che si trova all’interno del pannello di controllo, come nei programmi di origine
americana.
STOAT può essere integrato con software di modellazione di afflussi in fogna quali MOSQUITO,
MOUSETRAP e HYDROWORKS.
Per cominciare si devono impostare in ogni simulazione quattro componenti
Works creation (definizione di un layout progettuale)
Simulations definition (definizione dei modelli alla base dei processi)
Simulations run (definizione degli input di Run)
Results (risultati tabellati e graficati)
Simulazioni
Simulazione 1: A Simple work
Questo primo tutorial serve a farci prendere confidenza col software e a mostrare gli effetti del
processo di Nitrificazione che è quel processo in cui i batteri autotrofi aerobici vanno a rimuovere
l’ammoniaca presente nel liquame.
Questo processo viene compiuto dai batteri Nitrosomonas e Nitrobacter, presenti in tutti i tipi di
comparto biologico, sia che essi siano a biomassa adesa o sospesa, che vanno ad ossidare
l’ammoniaca (NH4) prima a nitriti e poi a nitrati andando ad eleminare così la frazione azotata.
E’ un processo che avviene naturalmente in maniera spontanea e che in un trattamento di questo
tipo viene spinto fino al limite massimo della sua capacità con tecniche impiantistiche.
Fig.1 Layout 1
Il layout progettuale della prima esercitazione prevede:
Un Influent
Un Sedimentatore primario
Una Vasca a fanghi attivi
Un Sedimentatore secondario
Un Effluent per il chiarificato
Un Blanked off
Un Effluent per il fango
Una volta posizionati i processi sulla piattaforma, presi dalla toolbox dei processi, devono essere
collegati, cosa che avviene da effluent a influent ma non al contrario.
Una volta collegati è possibile verificarlo andando a muovere le icone e notando che si muove
anche lo stream che li congiunge oppure andando nell’apposito menù della connettività.
Dopo essere stati collegati, per procedere, è necessario impostare le dimensioni di ogni singolo
processo dall’apposito menu che ci garantisce l’accesso a diverse grandezze a seconda del
processo e a diversi modelli di calcolo che qui andranno impostati sempre sulla base del processo
in esame.
Terminata questa fase di dimensionamento, prima di continuare, è necessario salvare i progressi e
così facendo saremo anche in grado di aprire il modello salvato dal menu di start.
Il passo successivo è quello di andare ad impostare una Run in tutti i suoi parametri:
Durata (che comprende data di inizio e di fine simulazione)
Input/output timestep (ogni quanto vogliamo dare gli input o gli output)
Temperatura
Percentuale di BOD rimosso su percentuale di VS non facenti parte della biomassa
Percentuale di BOD rimosso per percentuale di biomassa rimossa
Questi valori saranno tipici di ogni singola Run e non dei processi che anzi prevedranno di leggere
alcuni di questi dati.
Segue l’impostazione dell’Influent (Affluente) il quale può essere impostato secondo diverse
opzioni:
Default/cold start (Run nuova in tutti i suoi parametri)
Start of old Run/Repeat Run (mantiene le condizioni iniziali e le operation e fa una RUN a
partire dal giorno iniziale della prima Run)
End of old Run/Warm start (inizia la Run dove è terminata la Run precedente mantenendo
le operation e prendendo come condizioni iniziali quelle finali della Run precedente)
Continue old Run/Retain operation (continua la vecchia RUN mantenendo le operation ma
non le condizioni iniziali)
Una volta che sono state stabilite le condizioni di Run e il layout progettuale si devono andare ad
impostare i diversi modelli per i trattamenti a partire dal modello dell’Influent.
Anch’esso ha tre diverse modalità di implementazione:
Constant (riproduce i dati in maniera costante)
Diurnal (riproduce i dati ora per ora e possono essere modificati)
Sinusoidal (per valori medi quando non si hanno dati attendibili viene utilizzato questo
tipo di rappresentazione sinusoidale che però può essere modificato in ampiezza,
frequenza e fase)
Nel menu che compare a seguito della scelta selezionata è possibile impostare i valori per 25
diversi Determinands/elementi, che vanno dalla portata, alle frazioni solubili o particolato di BOD
e COD, alla concentrazione di diversi inquinanti o elementi presenti nel refluo che si vuole
simulare.
Stabiliti questi parametri si va a salvare il pattern ma bisogna ancora impostare il file che andrà
salvato come (.inf) e che dovrà avere una estensione in ore pari o superiore a quella impostata
inizialmente nella Run per non incorrere in errori o crash del sistema.
Si passa quindi a modellare i diversi trattamenti andando a cliccare sul singolo processo e
andando ad impostare le condizioni iniziali, quelle di operation, ulteriormente si calibra il
processo e le caratteristiche del refluo.
In questo caso si sono impostate condizioni inziali per tutti e tre i processi presenti e condizioni di
operation solo per il sedimentatore secondario, necessarie per proseguire con la simulazione.
Queste condizioni che sono state impostate sono sulla quantità di fango da ricircolare verso la
vasca a fanghi attivi, sulla quantità di fango da allontanare costantemente e le modalità con cui
viene pompato il ricircolo che in particolare viene impostato in continuo 24/24 h.
Le condizioni inziali invece riguardano le quantità di elementi quali (solidi volatili, ammoniaca,
nitrati, DO…) presenti all’interno di ogni processo.
Una volta che sono state fatte considerazioni su quanto si è inserito in questi primi dati iniziali si
può procedere con la Run grazie al tasto triangolare in alto.
La Run può essere arrestata in qualsiasi momento e si possono vedere così i risultati parziali.
I risultati sono dedotti dagli stream/collegamenti o dai processi direttamente.
Per visualizzarli si aprirà un menu nel quale è possibile stabilire se li si vuole vedere durante tutto
lo sviluppo della Run seguendo così l’evoluzione dei dati o solamente alla fine.
Si possono quindi stabilire i determinands da vedere graficati e si sconsiglia di vederne più di 5 o 6
alla volta in quanto il grafico risulterebbe di difficile lettura. A corredo del grafico si può
visualizzare una tabella riassuntiva dei valori medi, massimi e minimi.
Fig.2 Effluent simulazione 1
Dai risultati di questa prima esercitazione è possibile notare come avvenga la nitrificazione che va
ad abbattere i valori di Ammoniaca che partono da 40 mg/l per attestarsi sui 3.6 mg/l.
E’ possibile vedere come sia alto il valore dei nitrati in quanto la vasca a fanghi attivi è stata
impostata solo come aerobica non lasciando alcuno spazio alla denitrificazione e riscontrando
quindi valori piuttosto elevati di nitrati.
Si può notare che anche il BOD ha subito un piccolo decremento e partendo da un valore di 5
mg/l scende a 3.44 mg/l e contestualmente anche il valore dei SS è diminuito.
Simulazione 2: Nutrient Removal
La seconda esercitazione ha l’obbiettivo di mostrare come andare a ridurre le sostanze nutritive,
che in questo caso saranno l’azoto e il fosforo, presenti in tutti i saponi e concimi in commercio.
Abbattere i valori di questi elementi è molto importante per salvaguardare la qualità delle acque
dei corpi idrici recettori e per evitare il rischio di Eutrofizzazione, fenomeno per il quale il corpo
idrico si ricopre di vegetazione (alghe) che impedisce il naturale attraversamento delle acque da
parte della luce solare e che porta a scarsissimi valori di DO (ossigeno disciolto) in profondità
causando la morte di tutti gli esseri viventi ivi presenti.
Fig.3 Layout 2
Il layout si presenta ancora più semplice che nella precedente simulazione, sono presenti:
Un Influent
Una Areation Tank (vasca a fanghi attivi)
Un Settling Tank (sedimentatore secondario)
Un Blancked off
Un Effluent del chiarificato
Un Effluent per il fango
Il modello utilizzato per il comparto biologico è il modello ASAL1A che ha la funzione di rimozione
del solo azoto, per una rimozione anche del fosforo si sarebbe dovuto impostare il modello 5A.
Si vanno quindi ad inserire come prima tutti i dati che riguardano la Run e i processi ma stavolta il
comparto biologico e, più precisamente la vasca a fanghi attivi viene impostata su due stage di
egual volume di cui uno aerobico contrassegnato da valori positivi di DO e uno anossico in cui
l’ossigeno disciolto viene messo pari a 0 mg/l, questo perché in funzione del modello con cui opera
questo processo, che era stato stabilito inizialmente, si può avere Nitrificazione e Denitrificazione.
La durata della Run è di 48h e i dati dell’Influent in ingresso sono gli stessi della simulazione
precedente.
A seguito della Run si possono vedere i risultati
Fig.4 Effluent seconda simulazione
E’ subito evidente che i valori dei nitrati si sono di molto abbassati, questo grazie alla parte
anossica della vasca a fanghi attivi, ma complessivamente i valori risultano essere peggiori rispetto
a quelli della prima simulazione dato che è stato dimezzato il volume della parte aerobica del
comparto biologico e perché è stato rimosso il sedimentatore primario.
Il BOD risultante presenta inizialmente un picco dovuto all’Influent che poi viene smorzato grazie
alla crescita della biomassa.
Simulazione 3: Storm Tank/Trickling Filter/Humus Tank
Questa è una simulazione che vuole mostrare diversi nuovi processi ma che si basa su un layout
particolare infatti sono presenti due comparti biologici per una Denitrificazione spinta seguita da
un trattamento terziario di Nitrificazione.
Fig.5 Layout 3
Gli elementi presenti sono:
Un Influent
Un Effluent chiarificato
Un Effluent di fango
Un Blaked off
Una Storm Tank (vasca di prima pioggia)
Un Sedimentatore primario
Una Areation Tank (VFA)
Un Sedimentatore secondario
Un Trickling Filter (filtro percolatore)
Un Humus Tank
Un Overflow (scolmatore)
Tre Flow mixer
Si vanno ad impostare inizialmente le dimensioni e i modelli da utilizzare in questo layout.
Questa volta per la vasca a fanghi attivi si è scelto di utilizzare il modello 2A che permette il
processo di Nitrificazione e Denitrificazione anche con bassi livelli di DO a differenza del primo
(1A) che permette questo processo solo quando il valore del DO è pari a 0.
Lo scolmatore è stato impostato su 100 mc/h che sarà la massima portata che potrà proseguire
nell’impianto.
La Storm Tank è stata invece impostata con un “Return pump rate” di 30 mc/h e un “Control
stream flow” di 70 mc/h il che vuol dire che quando la portata dello scolmatore risulta inferiore a
70 mc/h dalla vasca di prima pioggia viene pompato un flusso di 30 mc/h in modo tale che la
portata che transita sia sempre 100 mc/h.
La vasca a fanghi attivi è stata impostata come anossica con valori di DO pari a 0.
Il sedimentatore secondario rimane invariato a meno del valore di fango che viene allontanato
che sale da 5 a 30 mc/h mentre per il biofiltro si vanno ad impostare parametri per quanto
concerne la superficie specifica a contatto con l’aria, parametro molto importante in questo tipo
di trattamento, e quindi questo svolgerà la funzione di Nitrificazione.
Dopo aver impostato alcune condizioni inziali viene avviata la Run che riporta questi risultati
Fig.6 Effluent del sedimentatore e dell’humus tank, simulazione 3
Il primo grafico si riferisce all’effluent del sedimentatore secondario mentre il secondo è lo
stream effluent dal Humus Tank.
Come si può vedere il primo comparto biologico essendo anaerobico svolge il ruolo di
Denitrificazione e rimuove i Nitrati invece il biofiltro svolge il ruolo di Nitrificazione con la
rimozione dell’ammoniaca.
Simulazione 4: Out of Service
Questa simulazione ripropone lo stesso schema progettuale dell’esercitazione 1 ma stavolta
utilizza due linee in parallelo che comprendono gli stessi processi.
Scopo della simulazione è andare a modellare un fuori servizio di 24 h su una delle due linee che
potrebbe essere dovuto a un mal funzionamento o a una semplice manutenzione.
Fig.7 Layout 4
Il layout comprende:
Un Influent
Un Effluent per il chiarificato
Un Effluent per il fango
Due Sedimentatori primari
Due Sedimentatori secondari
Due Vasche a fanghi attivi
Un Digestore mesofilo anaerobico
Quattro Flow mixer
Due Flow divider
Due Blanked off
Si impostano i volumi e i modelli secondo il seguente schema:
Le vasche a fanghi attivi sono impostate come anaerobiche (DO=0) e i sedimentatori secondari
hanno un flusso di ricircolo di 50 mc/h e allontanano 2,5 mc/h di fanghi.
Dal Flow divider è possibile impostare che il flusso vada su una linea sola di trattamento andando
ad esprimere le percentuali di flusso che passano su ogni linea in funzione del tempo. Lo si è
impostato perché il flusso andasse su una linea sola tra le 48 e le 72 h dopo di che si ristabilisce
l’equilibrio.
Si è fatto quindi girare il programma e sono stati analizzati i seguenti risultati:
Fig.8 Effluent simulazione 4
Si può notare dall’andamento dei livelli di Ammoniaca che durante il fuori servizio si è persa la
Nitrificazione che però è stata subito recuperata al termine del mal funzionamento; anche il BOD
ha subito un incremento con un picco in corrispondenza di quel lasso di tempo.
Simulazione 5: PID
Fig.9 Proportional Integral Derivative
Il PID controller è un modello che si può articolare su 7 diversi modelli a seconda della sua
composizione. Fondamentalmente è un regolatore di parametri ad esempio la portata.
Ha un funzionamento in continuo e in questo particolare caso viene utilizzato per controllare la
portata di ricircolo e addurre una portata costante ai trattamenti.
Fig.10 Layout 5
Il layout si compone di:
Un Influent
Un Effluent per il chiarificato
Un Effluent per il fango
Un PID controller
Un Trickling filter
Un Humus tank
Un Overflow
Un Flow mixer
Con le seguenti dimensioni
L’Overflow viene impostato su 100 mc/h mentre il PID per lavorare in continuo sul flusso di
ricircolo dando gli output sullo scolmatore.
Facendo girare il programma possiamo estrapolare i seguenti risultati da due diverse Run, la prima
in cui il PID non è attivo.
Fig.11 Risultati simulazione 5.1
I tre risultati sono in ordine riferiti all’Influent, all’Effluent e al flusso di ricircolo che in questo caso
è nullo.
Fig.12 Risultati simulazione 5.2
In questa seconda Run invece il PID è attivo e mostra che allo scolmatore giunge sempre una
portata di almeno 100 mc/h e con flussi di ricircolo diversi da zero.
Simulazione 6: Sensitivity Analysis
In questa simulazione si apprende l’uso della funzionalità interna al programma di analisi di
sensitività per andare a tarare un parametro e vedere come variano i flussi e i determinand a
seconda dei valori di certe costanti.
Questo caso è riferito al sedimentatore primario e vuole stimare come varia la sedimentazione al
variare del parametro K che compare nell’equazione che regola questo processo.
𝑉 = 𝑘 ∗ 𝐶ℎ
Fig.13 Layout 6
Il layout è basico e presenta le seguenti dimensioni
Un Influent
Un Effluent per il chiarificato
Un Effluent per il fango
Un Sedimentatore primario
Si imposta questa analisi facendo variare il coefficiente empirico K tra un valore di 3 e un valore di
11 con passo 2.
Facendo girare il programma si ottiene il seguente risultato.
Fig.14 Effluent simulazione 6
Questo mostra come varia la concentrazione di solidi sospesi nell’Effluent che con un valore di K
pari a 3 porta un valore massimo di TSS=290 mg/l mentre con un K pari a 11 riporta TSS=220 mg/l
Simulazione 7: Primary sedimentation & NItrifying filter
La settima simulazione porta a scoprire l’importanza delle condizioni inziali, soprattutto in
simulazioni di breve durata che quindi dipendono fortemente da queste ultime.
Fig.15 Layout 7
Il layout è abbastanza semplice e composto da:
Un Influent
Un Effluent per il chiarificato
Un Effluent per il fango
Un Sedimentatore primario
Un Trickling filter
Un Humus Tank
Le dimensioni sono di seguito riportate
La Run viene come al solito impostata facendo delle piccole modifiche sui determinand
dell’Influent nel caso specifico andando ad abbassare alcuni valori dei parametri.
Importanti sono le condizioni inziali del biofiltro che presenta valori di batteri autotrofi pari a 2
mg/l ed eterotrofi pari a 100 mg/l.
Facendo girare il programma così impostato si ottiene il seguente risultato.
Fig.16 Effluent Run1 simulazioe 7
In una seconda Run, identica alla prima, ma in cui si va ad incrementare il valore dei batteri
autotrofi si ottiene il seguente risultato
Fig.17 Effluent Run2 simulazioe 7
Entrambi i grafici sono riferiti all’Effluent ma, a differenza del primo, si può notare un valore molto
inferiore dei livelli di ammoniaca che giustamente è stata rimossa dai batteri che sono di tipo
anaerobico facoltativo e autotrofi.
Simulazione 8: Sequencing Batch Reactor
L’SBR è un tipico trattamento dei fanghi. In italiano può essere tradotto come un trattamento in
discontinuo, ossia un trattamento in cui viene sospesa la fase di areazione e tutte le macchine si
arrestano dando modo a certi processi quali la Denitrificazione di avere luogo.
Fig.18 Layout 8
Il layout è molto semplice e presenta:
Un Influent
Un Effluent per il chiarificato
Un Effluent per il fango
Una Balancing tank
Un SBR
Un Blanked off
Le dimensioni sono di seguito riportate
Il ciclo che avrà luogo sarà di questo tipo
Fill/Areate 1 (in cui la vasca viene riempita e areata)
React/Areate 2,5 (la vasca è areata per far avvenire certi processi)
Settle 1,5 h (in cui gli areatori sono spenti e avviene la sedimentazione)
Decant 1h (in cui gli areatori sono spenti e avvengono altri processi)
Si impostano quindi tutte le condizioni iniziali del caso sulla vasca di adescamento e sul SBR e si fa
girare il programma con una simulazione che dura per 14 giorni e si estrapola il seguente grafico
Fig.19 Effluent simulazione 8
I picchi rossi sono i picchi di portata e i valori dei diversi elementi sono quelli in blu molto più bassi,
come è possibile vedere vi è una distanza tra questi picchi che sta a rappresentare il tempo che
intercorre tra un ciclo e l’altro sempre della durata di 6h.
Modelli
Di seguito sono riportate le basi dei principali modelli teorici utilizzati nelle simulazioni.
Tali modelli propongono delle equazioni, spesso differenziali, che il software risolve secondo
diversi metodi di calcolo numerico a partire dalle condizioni iniziali.
Primary tank
Questo processo è il sedimentatore primario, esso è il primo trattamento che il refluo subisce
dopo la fase di grigliatura e ha lo scopo di abbattere i solidi sedimentabili e il BOD.
Nel software vi sono diversi modelli che si possono utilizzare alternativamente per simularlo e
possono comprendere maggiori o minori caratteristiche a seconda del livello di dettaglio col quale
si vuole andare a lavorare.
Nelle simulazioni si è scelto di utilizzare il modello BOD che è il più semplice e con una rapida
messa a punto.
Il modello è stato proposto a seguito degli studi di Lessard e Beck (1991) che hanno fatto un
confronto tra la velocità di sedimentazione osservata e quella simulata, con ottimi risultati.
La vasca, che in questi casi è spesso a base circolare, viene replicata attraverso una serie di stage di
egual area e volume ove il fluido è ben mescolato e non presenta quindi differenze tra lo stage
superficiale e quelli sottostanti. La superficie della vasca è da intendersi senza l’ingombro del tubo
di afflusso.
Questo modello predice la produzione di solidi nel fango ma non la concentrazione.
E’ tramite questo parametro che l’utente va ad agire nel programma e modificandolo parametro
non porta comunque grandi differenze di risultato.
Fig.20 Sedimentatore primario
L’equazione che risolve è quella della sedimentazione espressa nel seguente modo
𝑉 = 𝑘 ∗ 𝐶ℎ
Dove:
V è la velocità di sedimentazione
K è un coefficiente empirico
C è la concentrazione del fango
H è un coefficiente empirico
Bisogna fare delle considerazioni riguardo a questa espressione: all’aumentare di k aumenta la
velocità di sedimentazione ma all’aumentare di h diminuisce questa velocità in quanto la
concentrazione è sempre un valore inferiore a 1.
I valori di k e h sono empirici e si possono stimare con un column settling test.
Fig.21 Column settlimg test
Questo test prevede una colonna di diametro fissato riempita di fluido che viene campionato a
quote fisse e misurato nella quantità dei solidi sospesi a intervalli regolari di tempo.
Risolvendo la seguente equazione differenziale per ogni stage è possibile stimare i valori di k e h
𝑑𝐶
𝑑𝑡=
𝑑𝑉𝑠 ∗ 𝐶
𝑑𝑍
Così scritta nella forma discreta
∆𝐶
∆𝑡=
𝐴 ∗ 𝐾
∆𝑉(𝐶𝑢𝑝𝑝𝑒𝑟 𝑧𝑜𝑛𝑒
ℎ+1 −𝐶ℎ+1)
Le performance del processo sono normalmente non molto sensibili a variazioni dei parametri k e
h sotto valori medi perché la velocità di sedimentazione è tipicamente maggiore della velocità di
quella di risalita; solo in caso di pioggia in cui il sedimentatore è sovraccarico, allora necessita una
calibrazione.
Un secondo modello che però non è stato approfondito è quello denominato COD che richiede
l‘immissione di tutti i valori dei determinand nelle condizioni iniziali.
In questo modello si deve impostare il peso specifico del fango che può essere stimato con la
seguente espressione:
𝜌 = 1 + 0.5 ∗ 𝑋/100
Dove X è la percentuale di solidi contenuti nel fango.
Actived sludge settling tank
Questo processo si riferisce al sedimentatore secondario. Esso è molto simile strutturalmente al
precedente ma è spostato di posizione nell’impianto. Si trova a valle del comparto biologico e
produce un tipo di fango molto più stabilizzato e meno putrescibile, di colore marrone.
Viene rappresentato come una serie di stage sovrapposti ma non simili tra loro, infatti gli strati più
superficiali saranno quelli con minori solidi sospesi mentre quelli inferiori saranno più densi di
particolato.
Il primo e più alto sarà lo strato da cui viene allontanato il chiarificato mentre lo strato di fondo
sarà assunto come punto di allontanamento del fango.
Fig.22 Sedimentatore secondario
Sarà importante quindi definire la quota della condotta di mandata e l’altezza complessiva della
vasca che verrà suddivisa in strati di egual altezza ed area.
Si assume che dallo stage superficiale non vi sia ingresso di solidi e quindi l’equazione che lo
descrive sarà la seguente
𝑉𝑠 ∗ 𝑋𝑎𝑏𝑜𝑣𝑒 = 0
Allo stesso modo si assume che sul fondo non vi sia ulteriore sedimentazione
𝑉𝑠 ∗ 𝑋 = 0
Questo processo ha diversi modelli con cui essere rappresentato e tali modelli devono combaciare
con quelli utilizzati per il comparto biologico.
Il modello prevede una separazione tra i solidi sedimentabili e non, andando a risolvere equazioni
diverse per ogni frazione
Particolato 𝑑𝑋
𝑑𝑡=
𝑄
𝑉(𝑋𝑖𝑛 − 𝑋)
𝐴
𝑉(𝑉𝑠 ∗ 𝑋𝑎𝑏𝑜𝑣𝑒−𝑉𝑠 ∗ 𝑋)
Solubili 𝑑𝑆
𝑑𝑡=
𝑄
𝑉(𝑆𝑖 − 𝑆)
L’equazione che regola poi tutto il processo è stata studiata a lungo con diversi modelli proposti
ma quello qui utilizzato è uno dei più recenti e riferito al lavoro di Takàcs e Vesilind.
𝑉𝑠 = 𝑚𝑖𝑛(𝑉𝑚𝑎𝑥, 𝑉0[𝑒−𝑏1∗𝑋 − 𝑒−𝑏2∗𝑋])
V0 è la Vesilind settling velocity che può essere stimata con la seguente relazione
V=9.32-0.039SSVI3,5
L’equazione si può modificare esplicitando la concentrazione
𝑋 =𝑙𝑛(
𝑏2𝑏1
)
(𝑏2 − 𝑏1)
B1 e B2 sono dei parametri empirici che tengono conto delle caratteristiche del fango
B2 = 50*B1
B2= B1 il fango è non sedimentabile
B2>B1 il fango cresce in volume
Actived sludge settling tank
Questo processo rappresenta il comparto biologico a biomassa sospesa, in particolar modo la
vasca a fanghi attivi.
E’un processo complicato che si sviluppa in vasche contenenti il refluo e batteri di vario genere che
entrano in azione andando a degradare la sostanza organica e sviluppando i processi di
Nitrificazione e Denitrificazione.
Questo trattamento è uno dei più complessi e delicati di tutto l’impianto in quanto si ha a che fare
con microrganismi viventi, a cui bisogna porre la massima attenzione per uno sviluppo sano e
prosperoso.
Nel software viene rappresentata come una vasca che può essere divisa in stage di egual misura
offrendo la possibilità di stabilire il numero di ricircoli interni e la loro portata, questo si fa per
mantenere la concentrazione di substrato carbonioso costante, materiale di cui si nutrono i
batteri.
Esistono vari modelli per questo processo che prevedono dei ricircoli differenti a seconda della
funzione da svolgere, di semplice nitrificazione, di rimozione dell’azoto o del fosforo.
Il più semplice (ASAL1) e comprende processi quali ossidazione, Nitrificazione e Denitrificazione
ma non la solubilizzazione del BOD quindi applica una semplificazione per cui l’idrolisi del BOD è
istantanea. La seconda assunzione che fa è che la Denitrificazione avviene solo in condizioni di
totale assenza di ossigeno ossia quando l’ossigeno disciolto (DO) è pari a zero e questo vuol dire
che il processo di denitrificazione avviene solo in apposite zone a concentrazione nulla e non ci
può essere simultanea Nitrificazione-Denitrificazione consentendo al programma di girare in tempi
minori.
Il modello ASAL1A invece permette il processo di nitrificazione-denitrificazione in maniera
simultanea.
Il modello ASAL2 aggiunge il processo di idrolisi del particolato di BOD a BOD solubile, viene
consigliato se il tempo di detenzione è inferiore alle 4 ore; il modello ASAL2A, come nel
precedente caso, permette la Nitrificazione e Denitrificazione simultanea.
Il modello ASAL3 è una “open version” dove l’utente ha la possibilità di accedere a tutte le
cinetiche e i parametri stechiometrici è quindi consigliabile solo ad utenti esperti nel campo della
biologia e dello sviluppo di batteri.
Il modello ASAL5 è stato studiato ed impostato per la rimozione del fosforo. Tale modello assume
che il fosforo sia rimosso proporzionalmente alla crescita della biomassa e non è applicabile a
simulazioni di breve durata.
Vi sono altri modelli proposti ed elaborati dalla IWA (International Water Association) che
considerano tutte le cinetiche di sviluppo dei processi e sono quindi per esperti.
Chemical disinfection
La disinfezione fa parte dei trattamenti terziari ed è fondamentale quando il recapito finale ha lo
scopo di riuso civile.
Viene applicata con diverse modalità tra cui: l’aggiunta di reagenti chimici, l’utilizzo di raggi UV
oppure con l’ozonizzazione.
Il trattamento con reagenti chimici viene effettuato in apposite vasche con setti separatori che
consentono al fluido di seguire un percorso più lungo garantendo quindi che i tempi di
detenzione/contatto minimi siano rispettati.
Occorre infatti tempo perché tutto il refluo venga a contatto con il reagente per far avvenire
l’abbattimento di batteri e virus ancora presenti.
Anche questo processo nel software presenta diversi modelli di calcolo di cui si è utilizzato il primo
che prevede che le reazioni si sviluppino secondo la seguente relazione
Questa ha origine da un modello più generico del tipo:
E’ presente poi un modello più avanzato che tiene conto del tempo di contatto come parametro di
input e diversi modelli per la disinfezione tramite clorazione (processo in cui il reagente chimico è
a base di cloro) o tramite i raggi UV ma le equazioni in gioco sono diverse.
MAD
MAD è il digestore mesofilo anaerobico ed è uno degli ultimi trattamenti che si trova sulla linea
fanghi.
E’ un trattamento di stabilizzazione biologica in cui il fango viene lasciato sostare in grossi silos per
dare modo ai batteri di elaborare le sostanze organiche e così ridurle.
E’ un processo molto importante non solo per il suo contributo che porta alla raffinazione del
refluo, ma anche perché è il processo che richiede i volumi maggiori e le strutture più importanti
dell’impianto.
Questo processo può avvenire secondo due linee alternative: la prima (aerobica) prevede lo
sviluppo in condizioni aerobiche con una produzione finale di diversi elementi quali il vapore e
l’anidride carbonica, la seconda, invece, è anaerobica e differisce dalla prima in quanto vi è la
produzione di biogas, all’interno del quale si ha anche una notevole quota di metano, il quale
viene recuperato e riutilizzato a fine energetico.
Molto importante è questa produzione dato che una delle voci di maggior costo dell’impianto è
appunto l’energia quindi, potendo, la si recupera e si risparmia il più possibile.
Di contro questo tipo di processo è molto delicato e richiede addetti specializzati ed è anche fonte
di rischio in quanto il gas prodotto è infiammabile e può essere soggetto a deflagrazioni.
Nel software sono presenti diversi tipi di digestori ma si è scelto di utilizzare quello mesofilo
anaerobico essendo consigliato per un primo approccio.
Il digestore mesofilo anaerobico presenta diversi modelli tra i quali si è utilizzato il FIRST-ORDER-
DECAY, quello di decadimento del primo ordine che va a risolvere la seguente equazione
Volatile solids degradation rate 𝑑(𝐵𝑉𝑆)
𝑑𝑡= −𝑘 ∗ (𝐵𝑉𝑆)
BVS = concentrazione dei solidi volatili (mg/l)
K = coefficiente di degradazione (1/h)
Il valore di k può essere stimato con un laboratory digestion test ed invertendo la relazione è
possibile stabilire il coefficiente di digestione
𝑘 = −ln (1 −
𝑋100
)
24 ∗ 𝑇
X = percentuale di solidi
T = giorni
In questo modello non vi è la stima della produzione di biogas, fattore molto importante presente
in altri modelli.
Il secondo è molto più dettagliato e utilizza l’equazione di Monod per lo sviluppo di varie
popolazioni batteriche ed è consigliato solo ad esperti del campo.
