Dimensionamento impianto di depurazione a ciclo semplificato

ESAME DI STATO PER L'ABILITAZIONE ALLA PROFESSIONE DI INGEGNERE

Sezione A - Laurea Magistrale - Settore civile e ambientale

Prova pratica (IV PROVA) - ESERCIZIO TIPO

Si deve progettare un impianto di depurazione a servizio di un comune di 10 000 abitanti. L’area è servita da fognatura separata ed i reflui sono fondamentalmente di origine civile. I dati di input per il dimensionamento dell'impianto sono riportati nella tabella sottostante.

• Numero di abitanti N [ab] 10000
• Dotazione idrica d [l/(ab*d)] 250
• Coeff. di afflusso in fognatura φ - 1
• Temperatura operativa del liquame [°C] 20
• Apporto di BOD₅ [g/(ab*d)] 70
• Apporto di SST [g/(ab*d)] 90
• Apporto di N-NH₄ [g/(ab*d)] 15

Su specifica richiesta del committente, è richiesta l'adozione di un impianto di depurazione del tipo a fanghi attivi a schema semplificato, senza sedimentazione primaria e con stabilizzazione aerobica dei fanghi.

Si consideri, inoltre, che la popolazione del centro urbano non subisce fluttuazioni stagionali, né sono previsti significativi incrementi di popolazione per il futuro. Si supponga, infine, che il corpo idrico recettore individuato per lo scarico dell'effluente finale non sia sensibile all'eutrofizzazione e che non sussistano per l'area specifici vincoli in termini di concentrazioni di ammoniaca e di azoto allo scarico.

Il candidato integri le informazioni fornite con ogni eventuale dato che ritenga opportuno, motivandone brevemente la necessità ed il valore assunto, e definisca lo schema dei trattamenti che si intendono adottare, dimensioni gli elementi fondamentali dell’impianto e disegni almeno un particolare costruttivo.

PROGETTO di un IMPIANTO di DEPURAZIONE

Impianto a fanghi attivi a ciclo semplificato (senza sedimentazione primaria), con digestione aerobica, per lo smaltimento delle sole acque nere (no acque di pioggia).

Dati

• Numero di abitanti N [ab] 10000
• Dotazione idrica d [l/ab*d] 250
• [m³/ab d]) 0.250
• Coeff. di afflusso in fognatura φ 1
• Coefficiente di punta nera (m³/s) 2.2
• Portata max in tempo di pioggia Q_pmax [m³/s] 2.2 Q_mn *
• Temperatura estiva del liquame [°C] 20
• Apporto di BOD₅ [g/(ab*d)] 70
• Apporto di SST [g/(ab*d)] 90
• Apporto di N-NH₄ [g/(ab*d)] 15

* come coefficiente moltiplicativo delle portata media nera in tempo di pioggia, metto un valore uguale al coeff. di punta nera (perché non ho acque di pioggia; se le avessi avute, questo coeff. sarebbe stato, ad esempio, 10).

Calcolo delle portate

• Q_mn 2500 [m³/d]
• Q_pn 5500 [m³/d]
• Q_pmax 5500 [m³/d]

N*d*φ :24

104.17 [m³/h]

229.17 [m³/h]

229.17 [m³/h]

:3600

Calcolo delle concentrazioni degli inquinanti all'interno del liquame

(Il rapporto C_in/C_out mi dà un'idea di quanto il liquame in ingresso è "lontano" dai limiti normativi)

• C_in BOD₅ [g/m³] 280.00
• SST [g/m³] 360.00
• N-NH₄ [g/m³] 60.00

C_in = Apporto/(φ*d)

Oss. La traccia ci diceva espressamente di progettare l'impianto secondo lo schema semplificato; qualora fosse mancata tale indicazione, si poteva far riferimento alle seguenti indicazioni generali:

CICLO CLASSICO (Num. Abitanti > 30 000 - 40 000)

• linea liquami: sed.I + processo biologico + sed.II
• linea fanghi: ispessimento + digestione ANAEROBICA + disidratazione

CICLO SEMPLIFICATO (Num. Abitanti = 10 000 - 30 000)

• linea liquami: processo biologico + sed.II (senza sed.I) f_C = 0.3 d^-1
• linea fanghi: ispessimento + digestione AEROBICA + disidratazione

CICLO AD AERAZIONE PROLUNGATA (Num. Abitanti = 1 000 - 2 000)

• linea liquami: processo biologico + sed.II f_C < 0.1 d^-1
• linea fanghi: ispessimento + disidratazione (non c'è digestione del fango perché, con quel f_C, arriva già stabile)

FASE DI OSSIDAZIONE BIOLOGICA

Premessa sulla scelta del fattore di carico organico (Fc) e della concentrazione di fango nella miscela aerata (Ca). Il fattore di carico organico rappresenta il rapporto tra la quantità di "cibo" fornita alla massa di microorganismi e la massa di m.o stessa; si esprime in Kg BOD / kg SSV*d, ossia kg di BOD (=cibo per i microorganismi) consumati al giorno per kg di solidi sospesi volatili presenti in vasca (i microorganismi, infatti, vengono quantificati come solidi sospesi volatili).

Fc basso = elevato tempo di detenzione = elevati volumi delle vasche = maggiori costi costruzione ma anche maggiore flessibilità dell’impianto di fronte a picchi di portata/inquinanti. E consento l’abbattimento anche dei composti azotati.

Fc alto = minor tempo di detenzione = minor volume delle vasche = minori costi ma anche incapacità di far fronte a sovraccarichi; vanno bene, inoltre, se non è prevista la nitrificazione dell’ammoniaca (o è prevista ma in specifica fase, mediante trattamento chimico-fisico).

Come visto in precedenza, per impianti a ciclo semplificato si adotta in genere Fc = 0.3 kgBOD/kgSSVd Quindi anche noi poniamo:

Fc 0.4 kgBOD/kgSSVd fattore di carico organico di progetto

Per quanto riguarda invece la concentrazione di fanghi nella miscela aerata (Ca) si osserva che, una volta fissato Fc, quanto maggiore è Ca tanto minore sarà il volume della vasca, essendo il fattore di carico volumetrico (Fcv) pari al prodotto tra le due cose ed essendo il volume della vasca inversamente proporzionale ad esso. Tuttavia non si può aumentare a piacimento tale concentrazione in quanto esistono limiti superati i quali la cosa diventa controproducente; infatti troppo elevate concentrazioni di fango comporterebbero: decadimento del rendimento della successiva fase di sedimentazione e, per ovviare a ciò, necessità di costosi sovradimensionamenti; maggiori consumi energetici per garantire la miscelazione e l’aerazione all’interno della vasca; trasferimento di ossigeno più difficoltoso, e quindi decadimento anche nei rendimenti di trasferimento di ossigeno. Per tali motivi, negli impianti classici o a schema semplificato come questo, difficilmente si superano i 3.5-4 kgSS/m3. Pertanto si assumerà:

Ca 3 kgSS/m³ concentrazione di fango nella miscela aerata

Fatto ciò si può valutare il fattore di carico volumetrico come: Fcv = Fc * Ca e ricavare il tempo di detenzione mediante l’espressione t = carico organico/Fcv Nel nostro caso, con carico organico rappresentato da BOD in g/m³ che era 280 si ha:

Il volume della vasca di ossidazione biologica sarà pertanto pari al prodotto portata x tempo di detenzione. La portata in m³/h era: 104.17

Calcoliamo ora l’aria da fornire in base all’ossigeno richiesto per ossidare il BOD presente.