Lezioni: Appunti di Ingegneria sanitaria

PIERLUIGI GIANGRANDE

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Indice

1 Introduzione 7

1.1 Concetti di base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.1.1 Portata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.1.2 Concentrazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.1.3 Carico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 Contaminazione delle acque 9

2.1 Solidi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.1 Classificazione dei solidi . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.2 Metodi di misurazione della concentrazione dei solidi . 10

2.1.3 e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

BOD COD

5

2.1.3.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

BOD

5

2.1.3.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

COD

Titolazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Metodo per la misurazione del COD . . . . . . 12

2.1.4 Solidi colloidali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3 Grandezze che descrivono le proprietà di un’acqua 15

3.1 pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.2 Durezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.3 Alcalinità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.4 Ricostruzione del diagramma a barre dell’acqua . . . . . . . . 16

3.5 Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.5.1 Ossigeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.5.2 Anidride Carbonica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.5.2.1 Diagramma dell’equilibrio bicarbonico o di

Kilman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.6 Solidi organici biodegradabili . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3

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4 INDICE

4 Trattamento delle acque 19

5 Linea delle acque 21

5.1 Processo di disinfezione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

5.1.1 Processi per la disinfezione di basse quantità d’acqua . 21

5.1.2 Processi per la disinfezione di grandi quantità d’acqua 22

5.1.2.1 Raggi UV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Vantaggi e svantaggi . . . . . . . . . . . . . . . 22

5.1.2.2 Ozonizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Vantaggi e svantaggi . . . . . . . . . . . . . . . 23

5.1.2.3 Clorazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Vantaggi e svantaggi . . . . . . . . . . . . . . . 24

Diagramma della clorazione . . . . . . . . . . . 24

5.2 Processi di sedimentazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5.2.1 Sedimentazione in acqua ferma . . . . . . . . . . . . . 26

5.2.2 Sedimentazione negli impianti di trattamento . . . . . 26

5.2.2.1 Sedimentazione di tipo I . . . . . . . . . . . . 26

Vasche a flusso ascensionale . . . . . . . . . . . 26

Vasche a flusso longitudinale . . . . . . . . . . . 27

Vasche a flusso radiale . . . . . . . . . . . . . . 28

5.2.2.2 Sedimentazione di tipo II . . . . . . . . . . . 28

5.2.2.3 Sedimentazione di tipo III . . . . . . . . . . . 28

5.3 Processi di coagulazione e flocculazione . . . . . . . . . . . . . 29

5.3.1 Coagulazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5.3.2 Flocculazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

5.3.3 Sedimentazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

5.3.4 Dosaggio reattivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

5.3.5 Parametri geometrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5.3.6 Bacini unici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5.4 Processi di precipitazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5.4.1 Addolcimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

5.4.2 Processi di Ossidazione chimica . . . . . . . . . . . . . 34

5.5 Processi di neutralizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

5.5.1 Acqua aggressiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

5.5.2 Acqua incrostante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5.6 Processi di natura biologica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5.6.1 Processi di ossidazione biologica . . . . . . . . . . . . . 37

5.6.1.1 Processi a colture sospese . . . . . . . . . . . 37

Elementi di cinetica biologica . . . . . . . . . . 38

Impianto a fanghi attivi . . . . . . . . . . . . . 40

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5

INDICE Tipologie di vasche . . . . . . . . . . . . . 44

Legge di Monod . . . . . . . . . . . . . . . 44

Metodi di fornitura d’ossigeno . . . . . . . . . . 44

Malattia di Bulking . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5.6.1.2 Processi a colture adese . . . . . . . . . . . . 45

Letti Percolatori . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Progetto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Biodischi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

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6 INDICE

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Capitolo 1

Introduzione

L’ingegneria sanitaria è la disciplina che si occupa del trattamento delle acque

per modificarne le caratteristiche di qualità al fine di renderle idonee ad un

determinato utilizzo. Andiamo ad esaminare alcuni esempi di applicazioni

di questa disciplina:

• un impianto può essere utilizzato per modificare le caratteristiche di

un’acqua destinata ad uno specifico scopo; ad esempio si può realizzare

un impianto per rendere l’acqua potabile, per renderla adeguata alla

pulizia dei circuiti, per la fabbricazione di un farmaco, ecc.; in alcuni

casi le caratteristiche che deve possedere l’acqua trattata vengono defi-

nite da normative (e quindi clui che progetta l’impianto deve adeguarsi

alle normative per legge, come nel primo esempio trattato), in altri in-

vece esse non sono definite da normative ma vengono rispettate per

gli interessi di chi ne usufruisce (come nel secondo e nel terzo esempio

trattato);

• un impianto può essere utilizzato per modificare le caratteristiche di

un’acqua che deve essere riversata nell’ambiente (detto corpo ricet-

tale impianto viene detto In tal

tore); impianto di depurazione.

caso le caratteristiche dell’acqua vengono dettate da norme, come ad

esempio la 152/06.

Altri aspetti che vengono trattati da questa disciplina (ma che non saranno

oggetto del corso) sono:

• smaltimento rifiuti;

• emissioni in atmosfera;

• bonifica dei siti contaminati. 7

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8 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE

1.1 Concetti di base

Andiamo ora a trattare i concetti di base per lo studio della materia.

1.1.1 Portata

La è la quantità di materia che attraversa una sezione di area A

portata

nell’unità di tempo; essa si misura in o 3

kg/s m /s.

1.1.2 Concentrazione

Si definisce il rapporto tra la quantità di una sostanza in

concentrazione

soluzione e il volume totale della soluzione. La quantità può essere espressa

in • peso (l’unità di misura è )

3

kg/m

• volume (in tal caso la concentrazione è adimensionale o è espressa come

ml/l)

• numero di moli (in tal caso la concentrazione è detta o

molarità

concentrazione molare)

Un altro modo per esprimere la concentrazione di una soluzione è la nor-

ossia il rapporto tra gli e il volume di una soluzione.

1

malità, equivalenti

1.1.3 Carico

Si definisce il prodotto tra la concentrazione e la portata. Questo

carico

concetto è stato introdotto in quanto l’inquinamento di una sostanza in un

sistema dipende non solo dalla concentrazione della sostanza, ma anche dalla

portata, ossia dalla velocità di introduzione della sostanza.

peso sostanza

1 numero equivalente)

Gli equivalenti (o sono pari a , dove il peso

peso equivalente

peso atomico valenza

; la è pari al numero di ioni idrogeno che possono

equivalente è |valenza|

essere ceduti o acquistati da un composto e può essere facilmente calcolata andando a

scindere il composto in ioni. PIERLUIGI GIANGRANDE

Capitolo 2

Contaminazione delle acque

Si è soliti associare alla qualità di un acqua la quantità di solidi e gas presenti

in essa. Andiamo ora a studiare l’effetto della presenza di tali sostanze

nell’acqua.

2.1 Solidi

2.1.1 Classificazione dei solidi

Uno dei parametri studiati per definire la qualità di un’acqua è la concen-

trazione di (ST), misurata in , (parti per

3

mg/l, g/m ppm

solidi totali

milione). I solidi totali si suddividono in

• con dimensioni inferiori ai e non distinguibili a

−6

10 mm

disciolti,

occhio nudo

• con dimensioni comprese tra i e i e che

−6 −3

10 10 mm

colloidali,

alterano la colorazione dell’acqua

• con dimensioni superiori ai e distinguibili a occhio

−3

10 mm

sospesi,

nudo

Un’altra classificazione che può essere fatta per i solidi è la seguente

• solidi che volatilizzano ad alte temperature e

volatili o organici,

possono essere biodegradati (smaltiti da microorganismi)

• solidi che non volatilizzano ad alte tem-

non volatili o inorganici,

perature e non possono essere biodegradati

E’ possibile fare inoltre un’altra classificazione per i soli solidi sospesi

9

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10 CAPITOLO 2. CONTAMINAZIONE DELLE ACQUE

• solidi abbastanza grandi da separarsi dall’acqua per

sedimentabili,

effetto di gravità nel giro di 2 ore (precipitano sul fondo del bicchiere)

• solidi che non precipitano sul fondo del bicchiere

non sedimentabili,

Per questo si parla di STV (solidi totali volatili), SSV (solidi sospesi volatili),

ecc. E’ importante dire che , ,

SS = SSV + SSN V SD = SDV + SDN V

; la terza relazione la si ottiene dalle prime due per

ST = ST V + ST N V

somma.

2.1.2 Metodi di misurazione della concentrazione dei solidi

Per la misurazione della concentrazione dei solidi viene solitamente utilizzato

un recipiente di peso che, una volta inseriti in esso , presenta

P H O + ST

0 2

un peso lordo pari a . Messo il recipiente in un forno e raggiunta una tem-

P 1

peratura di circa l’acqua evapora e il recipiente pesa , contenendo

105°C P

2

−P

solo ST; allora , dove è il volume del recipiente.

P

ST = V

2 0

V

Andando poi ad inserire il recipiente in una muffola e portandolo ad una

temperatura di circa si ha che i solidi volatili bruciano, per cui il peso

450° −P −P

del recipiente diventa ; si avrà quindi , .

P P

P ST N V = ST V =

3 0 3 2

3 V V

Un metodo per distinguere i solidi disciolti da quelli sospesi è quello di

utilizzare un il quale, al passaggio di , lascia

H O + ST

filtro di cellulosa 2

passar