Lezioni: Appunti di Ingegneria sanitaria

PIERLUIGI GIANGRANDE

PIERLUIGI GIANGRANDE

2 PIERLUIGI GIANGRANDE

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

PIERLUIGI GIANGRANDE

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

passare e intrappola SS; se il peso iniziale del filtro era e

H O + SD P

2 0

−P . La concentrazione dei solidi

quello dopo il filtraggio è , si ha P

P SS = 1 0

1 V

disciolti può essere calcolata per sottrazione oppure usando il metodo del

forno sull’acqua filtrata. Analogamente all’esempio precedente, utilizzando

una muffola è possibile calcolare la concentrazione dei SSV, SSNV, SDV,

SDNV.

Per quanto riguarda la misurazione dei solidi sospesi sedimentabili, essa

viene effettuata mediante un cono caratterizzato dalla presenza di

1

Imhoff

un misurino a fine cono che indica la quantità di sostanza che si è depositata

(ovviamente tale quantità di sostanza dipende dal tempo scelto per effettuare

la misurazione, solitamente 2 h). La misura viene indicata come ,

volume

volume

in quanto non viene indicata la massa di solido precipitato ma solo il suo

volume. Per quanto riguarda i SSNS, essi si ottengono per sottrazione tra

gli SS e gli SSS.

1 Viene utilizzato un cono in quanto esso riesce a garantire una maggiore leggibilità del

risultato rispetto ad un cilindro. PIERLUIGI GIANGRANDE

11

2.1. SOLIDI

BOD COD

2.1.3 e

5

Il e il sono delle grandezze riferite alla biodegradabilità dei

BOD COD

5

solidi nell’acqua. E’ importante premettere che TUTTA la sostanza organ-

ica è biodegradabile, ma una parte (definita comunemente biodegradabile)

viene smaltita in poco tempo, mentre un’altra parte (detta comunemente

non biodegradabile) viene smaltita in molto tempo, talvolta anche secoli.

C’è da dire inoltre che tali misurazioni sono indirette, in quanto il risul-

tato viene espresso in di (vengono quindi effettuate in riferimento

mg/l O

2

all’O .

2 BOD

2.1.3.1 5

Il , o è una grandezza che indica la

BOD biochemical oxigen demand,

5

sostanza organica che può essere degradata facilmente. In particolare, con il

pedice esso indica la sostanza organica che viene degradata in 5 giorni.

5,

Il metodo utilizzato per la misurazione indiretta è quello spirometrico,

e consiste nell’andare a misurare la differenza di pressione in una bottiglia

sigillata all’interno della quale c’è l’acqua con microorganismi. Il concetto

è quello di andare ad associare alla misurata alla quantità di materia

∆P

biodegradata in 5 giorni (in quanto i microorganismi, nello smaltire sostan-

za biodegradabile, consumano ossigeno); infatti, per mantenere l’equilibrio,

man mano che si consuma l’ossigeno disciolto in acqua per effetto dei mi-

croorganismi, quello allo stato gassoso tende a disciogliersi in acqua, deter-

minando così un abbassamento di pressione. Bisogna comunque andare a

fare alcune precisazioni

• il non è una reale misurazione della quantità di solido biodegrad-

BOD

5

abile, in quanto esso rappresenta circa i 2/3 del , il quale è un

BOD

20

valore asintotico di tale quantità (approssimativamente reale); in ogni

caso, tale misurazione è preferibile in quanto è più veloce

• il metabolismo dei microorganismi consuma per generare , il

O CO

2 2

quale fornisce un contributo alla pressione parziale del recipiente; per

evitare che esso influisca sul processo di misura viene inserito sotto il

tappo o in maniera tale da farli reagire con l’anidride

N aOH KOH

carbonica e far precipitare il composto generato nel liquido

• il numero di microorganismi presenti all’interno del liquido non influisce

sulla misurazione in quanto esso cresce man mano che essi smaltiscono

la sostanza organica

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12 CAPITOLO 2. CONTAMINAZIONE DELLE ACQUE

• il BOD è riferito sia alla sostanza sospesa sia disciolta; per misurarlo

separatamente si utilizza il metodo del filtrino .

2

COD

2.1.3.2

Il COD, o è una grandezza che indica tutta

chemical oxigen demand,

la sostanza organica di un’acqua, sia quella indicata dal BOD sia quella

che non può essere degradata facilmente, ossia che necessita di un tempo

estremamente lungo per la sua decomposizione. Siccome la sostanza organica

totale contiene quella misurata nel BOD, si ha .

COD > BOD

5

Prima di spiegare il processo di misurazione del COD, bisogna introdurre

alcuni concetti La titolazione è un metodo utilizzato per andare a misurare

Titolazione

la concentrazione di una sostanza incognita in una soluzione.

A

Se il composto è di colore rosso, mentre il composto

indicatore + A

è di colore blu, si aggiunge prima l’indicatore alla soluzione così

titolante+A

da avere un composto di colore rosso, per poi aggiungere il titolante

I + A

così da rendere la soluzione di colore blu in quanto il titolante sottrae A

dall’indicatore per formare un composto Quando la soluzione non

T + A.

cambia più colore all’aggiunta di , ho che tutto il titolante ha reagito con

T

e posso così ricavare la quantità di in base alla quantità di aggiunta.

A A T

Ad un’acqua contenente solidi

Metodo per la misurazione del COD

viene aggiunto un indicatore ossidante in una quantità maggiore rispet-

Q

to alla quantità di sostanza organica. Avvenuta la rezione, ritrovo nella

soluzione ossidante rimasto in quantità (dovuto al fatto che l’ossidante è

0

Q

utilizzato in quantità eccessive) e indicatore. Si aggiunge quindi il titolante

fino a consumare il valore di tramite la reazione e misuro

0 0 0

→

Q T + Q T Q

così tramite l’ausilio del titolante ; ma siccome la quantità utilizzata di

0

Q

ossidante è e quella rimasta è , ottengo che l’ossidante reagito è

0 0

−

Q, Q Q Q

ed è pari alla sostanza organica complessiva contenuta all’interno dell’acqua,

ossia al COD.

2 Siccome la sostanza sospesa necessita dell’azione di un enzima per essere prima disci-

olta e poi smaltita, la metabolizzazione della sostanza sospesa richiede più tempo di quella

disciolta, in quanto necessita di una preliminare fase di disciglimento della sostanza.

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13

2.1. SOLIDI

2.1.4 Solidi colloidali

Andiamo ora a parlare di quella classe di solidi che non sono disciolti al-

l’interno della soluzione, ma non sono neanche distinguibili ad occhio nudo;

tale classe di solidi è chiamata e sono caratterizzati dal

solidi colloidali,

fatto che essi si limitano a modificare il colore della soluzione ma senza né

di sciogliersi in essa né essere visibili. Le loro dimensioni sono comprese

tra e e la loro concentrazione all’interno di una soluzione è

−6 −3

10 10 mm

misurata mediante un parametro chiamato una grandezza sulla

torbidezza,

quale essi intervengono costantemente.

La torbidezza è l’incapacità dell’acqua di farsi attraversare dalla luce; essa

è espressa in di , (unità torb