Appunti di Impianti

Criteri di dimensionamento dei liquami

I criteri di dimensionamento sono basati sulle caratteristiche quali-quantitative dei liquami. Esempi:

Pretrattamenti

I pretrattamenti si dimensionano in base alla quantità di materiale grossolano sospeso (caratteristiche qualitative) da rimuovere e alla portata da trattare (caratteristiche quantitative).

Processo biologico

Il processo biologico si dimensiona in base alle caratteristiche biologiche (concentrazione di fango) e chimiche (quantità di BOD giornaliero).

Caratterizzazione qualitativa acque di scarico

• Parametri fisici ed organolettici: solidi totali, temperatura, odore, colore, torbidità, conducibilità elettrica.
• Parametri biologici: batteri, virus, protozoi. Gli escrementi umani contengono molti microrganismi (forma di inquinamento). Tra questi vi sono i batteri responsabili del processo di depurazione, che una volta sfruttati vanno eliminati dal liquame. I batteri sono di tipo aerobico (ossigeno disciolto nel liquame), anaerobico (assenza di ossigeno disciolto nel liquame) o facoltativi (hanno bisogno di ossigeno disciolto e/o chimico).
• Parametri chimici: BOD, COD, TOC, nutrienti, altri composti; inorganici non metallici (pH, cloruri, alcalinità…); inorganici metallici.

BOD (Domanda Biochimica di Ossigeno)

Il BOD rappresenta la quantità di ossigeno richiesta dai batteri per degradare la sostanza organica (ma anche inorganica: NH₃). È una misura indiretta, si va a pesare l’ossigeno necessario per la degradazione. L’unità di misura è il mgO₂/L. Per l’Italia, la produzione procapite è di 60 g/ab*d e vale solo per liquami urbani, ma non va confuso con 60 grSS/ab*d, che è l’indice di qualità.

Le caratteristiche qualitative dei liquami urbani sono praticamente costanti:

dBOD/dt = K(BOD_tot-BOD)
BOD(t) = BOD_tot*(1-10^-kt)

dove K è una costante cinetica dipendente dalla temperature e dal tipo di liquame. Per i liquami urbani K=0,11/d. Se BOD₂₀=99% diciamo che coincide col BOD_tot (dopo 20 giorni il 99% del liquame è stato usato per la biomassa). BOD₅=68% BOD_tot.

Se nel grafico manca la curva, ci sono diverse possibilità: non c’è BOD ma può esserci inquinamento organico; mancano N e P e la biomassa non si sviluppa; c’è carenza di biomassa. Se l’andamento del grafico è irregolare: ci sono biomassa, N, P ma anche sostanze che disturbano (scarsamente biodegradabili o tossiche per la vita batterica), quindi la biomassa deve acclimatarsi.

Per i liquami industriali K assume valori diversi e BOD₅ e BOD₂₀ non sono più facilmente correlabili al BOD_tot. Il trattamento di un liquame industriale presuppone la conoscenza delle sue caratteristiche perché non esistono regole fisse per la caratterizzazione del suo comportamento.

COD (Domanda Chimica di Ossigeno)

Il COD è la quantità di ossigeno richiesta per ossidare chimicamente le sostanze presenti nel liquame, comprese quelle non ossidabili biologicamente. Per i liquami urbani: COD/BOD= 1,7 – 2. Il COD è determinato da sostanza organica non ossidabile biologicamente + sostanza inorganica ossidabile chimicamente. L’unità di misura è il mgO₂/L e la produzione procapite è di 120g/ab*d (per liquami urbani). In un liquame grezzo il COD biodegradabile è l’80% (20% solubile e rapidamente biodegradabile, 60% particolato e lentamente biodegradabile), quello non biodegradabile il 20% (7% solubile e 13% sospeso).

TOC (Carbonio Organico Totale)

TOC rappresenta la quantità di carbonio organico nel liquame in forma inorganica. Si misura tramite l’ossidazione chimica a 950° in una corrente di ossigeno, di una quantità nota di un campione e mediante la determinazione di CO₂ prodotta si calcola il contenuto di C organico. Interferenze: presenza di carbonati e carbonio organico, bisogna acidificare il campione per convertire i carbonati in CO₂ e strippare CO₂. BOD/TOC = 1,2 – 2.

Fosforo

Il fosforo è il principale fattore limitante della crescita delle specie acquatiche. È presente come organico (circa 10% del P totale) o inorganico. La produzione procapite è passata da 3 – 6 a 1,1 – 2,5 g/ab*d in seguito alle legislazioni.

Oli e grassi

Oli e grassi derivano da grassi e oli di origine animale e vegetale e oli minerali. Hanno scarsa solubilità quindi bassa velocità di degradazione. Sono flottabili e una parte minore è sedimentabile. La ppc è di 12 – 18 g/ab*d. In quantità elevata danno problemi di scambio di ossigeno e vanno eliminati prima del processo biologico.

Azoto

L'azoto si presenta in forma ammoniacale (N – NH₄), organico (N_org), nitrico (N – NO₃), nitroso (N – NO₂). L’azoto ammoniacale e quello organico formano il TKN, la cui ppc è di 12 g/ab*d. Nei liquami urbani la percentuale di azoto ammoniacale è del 60/70%, quello organico 3%, nitrico e nitroso 1 – 5%.

Tensioattivi

I tensioattivi sono sostanze organiche a catena lunga che provocano schiume e danno problemi allo scambio di ossigeno, essendo difficili da ossidare dalla biomassa. Vengono sostituiti con LAS, più biodegradabili. Sono classificati come anionici (MBAS), non anionici (TAS), cationici. La ppc è di 2 – 4 g/ab*d e la concentrazione di 9 – 18 mg/L.

Metalli

Le tracce di metalli derivano da scarichi industriali e possono essere tossiche in quantità eccessive. (Cr, Cd, Cu, Fe, Pb, Mn, Hb, N, Zn)

Cloruri

I cloruri provengono dal dilavamento di rocce o suoli. Non possono essere rimossi da un impianto biologico a fanghi attivi e condizionano le possibilità di riutilizzare il refluo trattato.

Pretrattamenti

Grigliatura

La grigliatura serve a rimuovere solidi grossolani e alla protezione dei trattamenti successivi. Sempre prevista e necessaria, anche solo d’emergenza. Il materiale che non viene fermato si ritrova facilmente in uscita nel corpo ricettore. Il dimensionamento avviene con ipotesi delle velocità massime e minime. La tipologia dipende dalla spaziatura tra sbarre: grossolane (dritte, inclinate per favorire pulizia, pulitura manuale), medie (dritte o curve, verticali o poco inclinate, pulizia automatica), microgriglie o finissime (utilità indiscussa, applicazioni moderne, tipologie diverse), stacciatura. Efficacia: no rendimenti di rimozione dei parametri inquinanti, rendimento % di BOD circa 10-20%.

La quantità di materiale raccolto dipende da luce libera nei passaggi, tipologia rete fognaria, tempo di permanenza reflui in fognatura. Le apparecchiature si scelgono in funzione di: tipologia rete fognaria a monte (per fogna mista ci vuole griglia grossolana robusta, per nera griglia media automatica) e rendimenti rimozione funzioni di fasi successive, destinazione fanghi e limiti allo scarico. Carente funzionalità causata da: accumulo materiali galleggianti in pozzetti di pompe di sollevamenti iniziali; insufficienza di sistemi di recupero in sedimentazione primaria; presenza di materiali grossolani in effluente finale; danni ad apparecchiature linea fanghi; materiali indesiderati in fango da smaltire. Sistemi complementari: canale di bypass per garantire efflusso del liquame all’impianto se griglia intasata, compattatori che disidratano grigliato e lo compattano, chiusure parziali o totali per limitare impatto visivo e agevolare conduzione apparecchiature.

Dissabbiatura

La dissabbiatura, che può essere a canale, aerata o tipo pista, serve a rimuovere le sabbie. Le sabbie comprendono tutti i materiali di dimensioni >0,15-0,20 mm e di elevato peso specifico. Le sabbie devono essere rimosse per via della loro azione abrasiva su pompe, lame raschiatrici, condotte; poiché occludono luci di passaggio per accumuli successivi; occupano spazio creando volumi morti; costituiscono materiale inerte da non trattare biologicamente. Si usa quando la fognatura è mista, mentre raramente se nera.

La rimozione avviene a gravità (il liquame entra e viene mantenuto a 0,3-0,5 m/s, la sabbia viene spazzata via e raccolta in tramoggia), forza centrifuga (imposto moto circolare al liquame, sabbia sparata su pareti e raccolta in tramoggia), insufflazione d’aria (aria insufflata dal basso, moto elicoidale, sabbia decanta ma sostanza organica resta sospesa; tp = 3-4 min su Qmax). Raramente si usa la stacciatura.

Disoleatura

La disoleatura, in genere accoppiata alla dissabbiatura, rimuove oli e grassi. Gli oli e grassi presenti negli scarichi urbani, di origine animale-vegetale o minerale, devono essere rimossi perché altamente inquinanti per corpi idrici recettori; causano gravi inconvenienti in molte fasi di depurazione; ostacolano adsorbimento nutritivo e scambio ossigeno in vasca a fanghi attivi; aderiscono a fiocchi di fango tendendo a flottare ostacolando sedimentazione e defluendo con effluente; formano schiume in fase di aerazione. È sempre bene prevederla.

La disoleatura può essere naturale (affioramento in superficie per basso peso specifico) o aerata (insufflazione d'aria dal basso che incrementa velocità di risalita). Il trattamento aerato è congiunto a dissabbiatura aerata, mentre quello naturale avviene in sedimentazione primaria in cui oli e grassi sono rimossi con lame. Rimuove oli e grassi allo stato disperso ma non emulsioni; se in bacino separato, va collocata a valle per non accumulare sabbia in disoleatore; non bisogna eccedere in insufflazione di aria per evitare emulsioni.

Preaerazione

La preaerazione aumenta il tenore di OD in liquami settici; elimina porzione di gas in liquami per strippaggio; migliora miscelazione del liquame e produce flocculazione naturale con incremento rese in sedimentazione primaria; migliora separazione sabbie, frazione organica e materiali flottanti; mantiene in sospensione solidi sedimentabili in canali di collegamento. Realizzata in vasche in cui si insuffla aria; congiunta a disabbiatura/disoleatura; canali a cielo aperto che collegano fasi depurative. Può essere causa di emissioni gassose maleodoranti: si può coprire la vasca e trattare aeriformi captati.

Equalizzazione e omogeneizzazione

Equalizzazione e omogeneizzazione servono in caso di scarichi industriali allacciati alla fognatura che potrebbero infastidire il processo.

Sedimentazione primaria

La sedimentazione primaria è un trattamento fisico meccanico che sfrutta la forza di gravità per separare da liquame particelle solide sedimentabili (peso specifico apparente > Ps H₂O, inverso della flottazione). Il decantatore primario rimuove solidi sospesi sedimentabili ma non colloidi. Riduzione sostanza organica e rimozione di oli, grassi e schiume se non c’è disoleatura. Applicazione: dopo pretrattamenti e prima di ossidazione.

Modalità: fango granuloso (avviene in dissabbiatore, particelle sedimentano indipendenti e a velocità diverse in funzione di dimensioni), fango fioccoso (fiocchi si ingrandiscono, variano velocità di decantazione), sedimentazione di massa. Fasi: immissione (sedimentazione disturbata da turbolenza creata da dispositivi di immissione del liquame), sedimentazione, sfioro (sedimentazione disturbata da richiamo di sfioro). La traiettoria delle particelle che entrano con v₀ (caso più sfavorevole: velocità di caduta della particella più piccola) è diagonale (AF): le particelle con velocità di trasporto di fluido dovuta a Q>v₀ raggiungono prima F. Sapendo che Q=v*B*H è possibile calcolare l’area del sedimentatore fissando Ci. Nella vasca sedimentano particelle con v>=v₀, delle altre solo quelle entranti in un punto più basso di A. Abbattimento del BOD: BOD rimosso = BOD_{sedimentabile}*η. BOD_sed=31,8% del BOD_tot. Quantità fango prodotto.