Ingegneria sanitaria

Ingegneria sanitaria

Quadro normativo per la potabilizzazione, il trattamento ed il riutilizzo delle acque

Decreto legislativo 3 aprile 2006, n. 152 Si sono accorpate tutte le leggi in materia ambientale. È divisa in 6 parti di cui la più rilevante in questo caso è la parte terza che parla di norme in materia di difesa del suolo e lotta alla desertificazione, di tutela delle acque dall'inquinamento e di gestione delle risorse idriche. Quest’ultima è divisa in 4 sezioni. Nella sezione 2 troviamo l’art. 73 che afferma che i corpi idrici inquinati bisogna riportarli alle condizioni iniziali, bisogna perseguire gli usi sostenibili e arrestare o eliminare gli scarichi o le emissioni. Nell’art. 74 sono riportate tutte le definizioni utili per il nostro studio, ad esempio: l’abitante equivalente rappresenta il carico organico biodegradabile avente una richiesta biochimica di ossigeno a 5 giorni (BOD₅) pari a 60 grammi di ossigeno al giorno (in cui per BOD si intendono i composti organici facilmente biodegradabili).

La legge impone delle tabelle da rispettare per ogni tipo di scarico:

• Scarico in corpi idrici superficiali (tabella 1): Grazie ai trattamenti secondari (vasca a fanghi attivi/letto percolatore/biodischi + sedimentazione secondaria/membrane) si può rientrare in questi limiti.
• Scarico in aree sensibili (tabella 2): Le aree sensibili sono state individuate secondo criteri ben precisi. Dobbiamo stare attenti a rimuovere l’azoto e il fosforo in quanto il loro accumulo causa la proliferazione di alghe microscopiche che, a loro volta, non essendo smaltite dai pesci e crostacei, determinano una maggiore attività batterica; aumenta così il consumo globale di ossigeno, e la mancanza di quest'ultimo provoca alla lunga la morte dei pesci.
• Scarichi al suolo (tabella 4)

Nell’art. 80 ci si riferisce invece alle acque superficiali destinate alla produzione di acque potabili. L’acqua viene divisa in 3 categorie: categoria A1 (trattamento fisico semplice e disinfezione), categoria A2 (trattamento fisico e chimico normale e disinfezione) e categoria A3 (trattamento fisico e chimico spinto, affinamento e disinfezione). Per la potabilizzazione si deve tener conto di 46 parametri. Una cosa molto importante è il riutilizzo delle acque reflue che in Italia troviamo nel decreto ministeriale del 2 maggio 2006 in cui le destinazioni d’uso ammissibili per le acque reflue sono per uso: irriguo, civile e industriale.

Definizioni e metodologie di analisi dei principali parametri che caratterizzano acque o liquami

Iniziamo a definire cosa si intende per composto organico e per composto biodegradabile. Un composto organico contiene carbonio, mentre un composto biodegradabile si trasforma in CO₂, H₂O e biomassa. Il processo ossidativo comporta un elevato consumo di ossigeno. Ci sono elementi rapidamente e lentamente biodegradabili o non biodegradabili. Vediamo ora cosa si intende per BOD. Questo indica la quantità di ossigeno necessario per ossidare gli elementi biodegradabili. Per stimare la quantità di composti biodegradabili presenti in un campione di acqua si stima la quantità di ossigeno che richiede la loro ossidazione biologica.

Utilizziamo una bottiglia ambrata (per non far crescere le alghe) con un tappo avente un manometro differenziale che misura la differenza di pressione tra l’interno e l’esterno della bottiglia e un assorbitore di CO₂ (cestello che contiene ad esempio idrossido di potassio). Col passare del tempo, i microorganismi presenti in soluzione ossidano i composti biodegradabili presenti all’interno. Producono anidride carbonica, che viene assorbita dalla sonda, e consumano ossigeno. Si formerà acqua e CO₂, che è un gas, quindi si libera e grazie all’assorbitore sparisce. Prelevando ossigeno, nello spazio di testa si avrà una depressione. Quindi si abbassa la pressione di testa. Misurando la differenza di pressione, si risale alla quantità di ossigeno consumato (in gO₂) e, dividendo per il volume del campione (in L), si ottiene la domanda di ossigeno biochimico. Il tempo di stima del BOD si rappresenta su una scala da 0 a 30 giorni. Il BOD cresce e a 5 giorni si ottiene il BOD₅ che rappresenta l’ossigeno consumato in 5 giorni e calcola i composti rapidamente biodegradabili. Dopo i 5 giorni il BOD nell’arco dei 10 giorni rimane vicino al BOD₅, poi si sale ma cambia la pendenza e iniziano ad ossidare i composti lentamente biodegradabili e i composti azotati. Si stabilizza intorno ai 30 giorni.

Il COD invece, si occupa della rimozione dei composti che devono essere ossidati chimicamente. Si aggiunge al campione una soluzione di K₂Cr₂O₇ in acido solforico e si porta il tutto a 120°C per 2h. Poi, valuto la curva di taratura e analizzo le concentrazioni e tramite lo spettrofotometro si ottiene il valore dell’assorbenza della soluzione. Il TOC invece analizza quanti atomi di carbonio organico (sotto forma di composti organici) sono presenti in soluzione. L’analisi è rapida e non richiede l’uso di reagenti perché ci si serve di ossigeno puro, del campione e di una camera di combustione, il tutto in 15 minuti. Ha i vantaggi del BOD e COD messi insieme.

Curva a sacco: [(• – • + )] + + = (1 2 – –) Quello che entra quello che esce + o quello che si consuma o si genera = accumulo. C è la concentrazione di ossigeno. Siccome la concentrazione di ossigeno nel volume dV non varia nel tempo t. Facendo l’ipotesi di stato stazionario l’accumulo si annulla: stato [(• – • + )] + + = 0(1 2 = 0– + + = 0 1 2

Deossigenazione biochimica R1

Consumo di ossigeno da parte dei microorganismi per ossidare i composti presenti in soluzione. L’ossigeno è utilizzato dai batteri aerobi per la degradazione dei composti organici naturali. Un ulteriore apporto di BOD (sostanze organiche) determina un aumento dell’attività batterica. In generale per descrivere la degradazione nel corso d’acqua si assume una cinetica del primo ordine, per cui: La concentrazione di sostanza organica diminuisce nel tempo per effetto della biodegradazione. La costante cinetica K₁ dipende, oltre che dalla tipologia del liquame, dalla temperatura secondo l’espressione di tipo Arrhenius:

R₁: Quantità di ossigeno consumata dai microorganismi per unità di tempo

K₁: Costante di biodegradazione di primo ordine (quanto velocemente i microorganismi riescono ad ossidare il BOD presente in soluzione al tempo t)

v: Media della corrente

BOD: Concentrazione di BOD al tempo t=0

Più aumenta K più i microorganismi biodegradano la sostanza. Sopra i 60° i microorganismi muoiono, quindi K può crescere ma fino ad un certo punto. Il BOD si abbassa di pari passo con l’ossigeno. Nella figura è rappresentato per un corso d’acqua l’andamento del BOD nello spazio e dell’ossigeno disciolto, a seguito del solo fenomeno della deossigenazione biochimica. Sotto l’ipotesi di diluizione istantanea ed uniforme dello scarico di BOD su tutta la sezione del corso d’acqua.

Riossigenazione R2

Quantità di ossigeno che transita nel volumetto di controllo attraverso la superficie di scambio liquido-atmosfera.

R₂: Quantitativo di ossigeno trasferito nell’unità di tempo

K₂: Coefficiente di trasporto

S: Superficie interfacciale di scambio gas/liquido

C_s: Concentrazione di saturazione dell’ossigeno in acqua

C: Concentrazione dell’ossigeno disciolto in acqua

D: Deficit (forza motrice del trasferimento di massa)

Q: Portata di ossigeno

a: Superficie specifica

Andando a sostituire R₁ e R₂ nel bilancio di materia si ottiene: Nella figura è data una rappresentazione grafica della curva, detta anche "curva a sacco" per la sua tipica conformazione oppure "curva di autodepurazione" giacché rappresenta nel suo complesso il fenomeno del consumo spontaneo del BOD apportato dallo scarico esterno. Nel grafico le curve tratteggiate rappresentano l’andamento del BOD residuo e del consumo dell’ossigeno a seguito del solo fenomeno biochimico (come se non ci fosse la riossigenazione). X è il punto in cui si ha il maggiore deficit di O₂. La concentrazione di microorganismi si misura con: metodi diretti (non si distinguono fra cellule vive e cellule morte) e metodi indiretti (si contano esclusivamente le cellule vive, le uniche in grado di riprodursi e formare colonie nei terreni di coltura). Un metodo indiretto utilizzato è l’UFC che calcola le concentrazioni di batteri nell’acqua oppure l’MPN che calcola il numero mediamente probabile di batteri.

Analisi sui solidi

Tutte le sostanze disciolte e in sospensione in un’acqua naturale o di scarico. La determinazione dei solidi totali ST si esegue sottoponendo un campione d'acqua per evaporazione in stufa termostatata a 105°C. ST (mg/L) = (M₁ - M₀) x 1000 / V Campione

• Solidi Totali (ST): Tutte le sostanze disciolte e in sospensione in un’acqua naturale o di scarico.
• Solidi Sospesi Totali (SST): Rappresentano quella parte del materiale presente in sospensione in un campione d’acqua che può essere separato per filtrazione, mediante un filtro a membrana (generalmente fatto di cellulosa) con porosità di 0,45 μm. I solidi raccolti sul filtro vengono essiccati ad una temperatura di 103-105°C fino a peso costante. SST (mg/L) = (M₁ - M₀) x 1000 / V Campione
• Solidi Disciolti Totali (SDT): SDT = ST - SST
• Solidi Sospesi NON Volatili (SSNV): Rappresentano quella parte del materiale presente in sospensione in un campione d’acqua che può essere separato per filtrazione, mediante un filtro a membrana (generalmente fatto di fibra di vetro) con porosità di 0,45 μm. I solidi raccolti sul filtro vengono inviati ad una muffola ad una temperatura di 600°C per almeno un’ora. SSNV (mg/L) = (M₁ - M₀) x 1000 / V Campione
• Solidi Sospesi Volatili (SSV): Fornisce una stima molto grossolana della sostanza organica contenuta nella frazione solida di un’acqua di scarico o di un fango attivo; per questo motivo viene spesso utilizzata per controllare il funzionamento degli impianti di trattamento delle acque. A 105° evapora l’acqua e ci si ritrova il solido secco, se lo si porta a 600° si ossida e quindi si volatilizza. SSV = SST - SSNV
• Solidi Sedimentabili: Con il termine di solidi sedimentabili si intendono quei solidi che sedimentano quando il campione di acqua in esame viene lasciato in condizioni di quiete per un periodo di tempo determinato. Si calcolano con il metodo volumetrico o gravimetrico.

Caratterizzazione chimica, fisica e biologica di acque potabili e dei liquami in ingresso ad un impianto di depurazione

Per dimensionare un impianto di depurazione ci serve la: portata di liquame e concentrazione di inquinanti. Questo dipende sia dalle utenze domestiche che dalle attività vicine (aeroporti, stazioni di servizi ecc..). La portata in ingresso al depuratore non è costante durante l’arco della giornata. Più è alto il numero di abitanti più è costante la curva di portata (che dipende dalla portata che arriva e da quella di punta). In un sistema ideale si ha che quello che entra nell’agglomerato è uguale a quello che esce: Q = Q′.

In realtà si va a calcolare la portata media variabile come il prodotto della portata mediamente in ingresso all’agglomerato urbano per il coefficiente di afflusso in fognatura (0,8-0,9): Q = q_m × C. La portata idrica la si può esprimere come: Q_i = d × N_ab. Quindi la portata di punta variabile sarà: Q_p = q_m × C. C è il coefficiente di punta e varia in funzione della grandezza dell’agglomerato urbano ed assume valori pari a: 1,3 per grandi agglomerati, 2,5 per agglomerati di medie dimensioni e 4-6 per agglomerati di piccole dimensioni. In alternativa, si può usare la formula che segue: Q_p = q_m × C. L’AQP, in seguito ad uno studio sulle portate in ingresso ai depuratori che gestisce, ha indicato un valore del coefficiente di punta pari a 2,25.

Trattamenti, reattori e schemi a blocchi

Diamo alcune definizioni prese dalle normative.

Art. 74 (Legge 152/2006)

• Trattamento primario: Il trattamento delle acque reflue che comporti la sedimentazione dei solidi sospesi mediante processi fisici e/o chimico-fisici e/o altri, a seguito dei quali prima dello scarico il BOD₅ delle acque in trattamento sia ridotto almeno del 20% ed i solidi sospesi totali almeno del 50%.
• Trattamento secondario: Il trattamento delle acque reflue mediante un processo che in genere comporta il trattamento biologico con sedimentazione secondaria, o mediante altro processo.
• Trattamento terziario: Il trattamento delle acque reflue mediante la rimozione di azoto e fosforo.

Art. 80 (Legge 152/2006)

• Categoria A1: Trattamento fisico semplice e disinfezione.
• Categoria A2: Trattamento fisico e chimico normale e disinfezione.
• Categoria A3: Trattamento fisico e chimico spinto, affinamento e disinfezione.

I trattamenti in un impianto di depurazione possono essere classificati in:

• Meccanici: Gli inquinanti vengono accumulati e rimossi meccanicamente (grigliatura).
• Fisici: Gli inquinanti vengono accumulati e rimossi sfruttando le loro caratteristiche fisiche (sedimentazione, disoleazione).
• Biologici: Gli inquinanti vengono accumulati e rimossi dal liquame sfruttando l’azione dei microorganismi (fanghi attivi, letti percolatori, digestori).
• Chimici: Gli inquinanti vengono rimossi grazie all’aggiunta di agenti chimici (flocculazione, disinfezione).
• Combinazioni delle 4 voci precedenti

Questi processi devono allontanare o trasformare gli inquinanti in qualcosa che può essere accumulato in un unico punto. Nei trattamenti non accade niente di diverso di ciò che accade in natura. Possiamo riassumere i trattamenti nello schema a blocchi:

Reattore batch: In un reattore di questo tipo i reagenti sono inizialmente caricati all’interno dell’apparecchio dove vengono ben mescolati e lasciati reagire per il tempo necessario. Il prodotto finale viene quindi scaricato. Questa è un’operazione in regime variabile in quanto la composizione cambia nel tempo. Un reattore batch opera secondo una sequenza:

• Carico di tutti i reagenti e chiusura del reattore
• Condizionamento termico
• Reazione chimica
• Spegnimento
• Apertura e svuotamento
• Lavaggio

Le quantità entranti ed uscenti sono 0 perché non ci sono né ingressi né uscite.

Reattore a completa miscelazione: In questo tipo di reattore, i reagenti in ingresso vengono perfettamente miscelati e il prodotto di reazione viene prelevato con continuità. Si tratta di un reattore il cui contenuto ha la stessa composizione in ogni punto e la corrente uscente ha la stessa composizione del fluido all’interno del reattore (condizione di idealità). La concentrazione in uscita è sempre uguale a quella all’interno (sarà sempre C_A). Facciamo l’ipotesi di stato stazionario l’accumulo è nullo: quindi V è il volume costante.

Reattore con flusso a pistone: Un reattore PFR è schematizzabile come un tubo che viene alimentato con i reagenti e da cui fuoriescono continuamente i prodotti di reazione. In un reattore di questo tipo si suppone che la portata della miscela reagente sia tale da non consentire diffusione assiale (né nel verso della corrente né in senso opposto, si muove solo per traslazione) e che la concentrazione delle diverse specie sia la stessa in tutti i punti appartenenti alla stessa sezione retta (condizione di idealità). Presupposto affinché possa esistere il flusso a pistone è che ogni particella fluida attraversi il reattore con la stessa velocità ossia il tempo di permanenza nel reattore sia lo stesso per tutte le particelle. Facciamo l’ipotesi di stato stazionario l’accumulo è nullo.

Grigliatura: Il tutto si accumula sulle griglie. Si mette un sistema automatizzato che tramite un pettine rimuove tutto (si collega ad un galleggiante con una soglia che vede quando attivarlo). L’accumulo viene trattato e allontanato dall’impianto. Deve rispettare una velocità massima (0,8-1.2 m/s) e una minima (0.4-0.5 m/s) perché se no si depositano sul fondo e quindi si tengono in sospensione i SST.