Impianti di trattamento acque e rifiuti - progetto di un impianto di depurazione di acque reflue urbane

A

K [1/d] 0.05÷0.15 0.08 0.15

OA

k [mgO /l] 0.4÷0.6 0.5 0.15

dA 2

θ(μ ) 1.06÷1.123 1.07

A

θ(Ks) 1.03÷1.123 1.05

θ(k ) 1.03÷1.08 1.04

dA Capitolo 7- Comparto biologico

7.1 Vasca di ossidazione

In merito alla progettazione della vasca di ossidazione, è stata scelta una tipologia a completa

miscelazione (CSTR) poiché di più facile gestione rispetto a un reattore a pistone (PFR) e più

adeguato al raggiungimento degli obiettivi.

Entrambe le fasi di aerazione e miscelazione all’interno del comparto sono garantite da un

efficiente sistema di diffusione dell’ossigeno omogeneamente distribuito sul fondo della vasca

mediante l’utilizzo di diffusori a bolle fini.

Il primo parametro da valutare è il tempo di residenza cellulare (o età del fango) θc, che

rappresenta il tempo necessario ai batteri per rendere stabile il loro processo di metabolismo ed è

definito come l’inverso del tasso di crescita netto dei batteri. La determinazione di tale tasso di

crescita è funzione della concentrazione di N_NH4+ imposto uguale a 2 mg/l in uscita dall’impianto

e della concentrazione di ossigeno disciolto all’interno della vasca imposto pari a 2 mg/l:

Con:

μ’: tasso di crescita netto

μ: tasso di crescita batterica

kd: tasso di respirazione endogena

Dovendo utilizzare contemporaneamente due diversi tipi di ceppi di batteri, è necessario scegliere

il tempo di residenza maggiore in quanto rappresenta il fattore limitante del processo. I batteri

autotrofi sono quelli caratterizzati da una cinetica più lenta e per questo l’età del fango è stata

calcolata in funzione del loro tasso di crescita:

Per motivi di sicurezza è inoltre opportuno incrementare ulteriormente il valore dell’età del fango

ottenuto del 50%. Capitolo 7- Comparto biologico

Una volta determinata l’età del fango è possibile ricavare la concentrazione in uscita della sostanza

carboniosa biodegradabile, che sommata alla componente solubile inerte (la quale esce

dall’impianto alla stessa concentrazione di ingresso) fornisce la concentrazione della sostanza

carboniosa totale nell’effluente. E’ poi necessario verificare che tale concentrazione sia inferiore

ai limiti di legge:

A questo punto è possibile calcolare la produzione di fango biologico che è data dalla somma di tre

contributi:

 Biomassa eterotrofa

 Residui cellulari

 Biomassa autotrofa

Per poter calcolare la produzione di fango biologico è necessario conoscere il valore degli NOx

prodotti, che a loro volta possono essere determinati conoscendo Px,bio:

In questo caso si procede iterativamente, ipotizzando un valore iniziale di NOx pari all’80% del

TKN in ingresso.

La produzione totale di fanghi si ottiene sommando alla produzione della parte biologica il

contributo derivante dalla presenza di sostanze solide sospese volatili non biodegradabili e dai

solidi di natura inorganica:

Per il dimensionamento della vasca è necessario imporre un valore di concentrazione dei fanghi

attivi (MLSST) all’interno della stessa, da cui ricavare il volume del comparto di ossidazione;

Capitolo 7- Comparto biologico

generalmente i valori ottimali di concentrazione in vasca sono di 2000-6000 mg/l al fine di

garantire delle buone condizioni di sedimentabilità dei fanghi.

Considerando la massa di fanghi prodotti e la concentrazione di MLSST si può così ottenere il

volume della vasca e il tempo di detenzione idraulica (θ ). Essendo quest’ultimo inferiore all’età

H

del fango, è necessario operare un ricircolo di una porzione di portata al fine di garantire la

residenza cellulare opportuna.

Dopodiché, è stata calcolata la concentrazione di biomassa attiva eterotrofa (X ):

H

Infine, per garantire un’ottimale aerazione del processo è necessario fornire una quantità di

ossigeno pari almeno alla richiesta d’ossigeno calcolata tenendo conto del quantitativo necessario

all’ossidazione della sostanza carboniosa e di quella azotata e per la produzione di biomassa

cellulare.

Di seguito viene riportata una tabella riassuntiva del dimensionamento della singola linea:

Capitolo 7- Comparto biologico

Tabella 28: Dimensionamento vasca di ossidazione e nitrificazione

Vasca di ossidazione - nitrificazione

Q media influente [m3/d] 1080

μ' [1/d] 0.221

A

θ [d] 4.53

cmin

θ sicurezza [d] 6.79

cmin

S (bCOD) [mg/l] 1.83

COD effluente [mg/l] 31.83

tot

Valore limite COD [mg/l] 100

P [gSSV/d] 139800

x,bio

P [g SST/d] 415440

x,SST

N [mg/l] 36.84

ox

Massa MLSST [g] 2822100

MLSST[ g/m3] 4500

Volume vasca V [m3] 640

θ [h] 13.9

H

Altezza d’acqua in vasca h [m] 4.5

Superficie vasca [m2] 126

Larghezza vasca [m] 6

Lunghezza vasca [m] 21

X [gSSV/m3] 1272.4

H

R [kgO2/d] 23.3

O2

7.2 Vasca di pre-denitrificazione

Con il termine denitrificazione si indica la conversione dei nitrati ad azoto nitrico, azoto nitroso ed

infine azoto gassoso. I batteri che sono in grado di effettuare la denitrificazione, cioè la riduzione

dei nitrati, sono di tipo eterotrofo ed utilizzano i nitrati come accettore di elettroni invece

dell’ossigeno disciolto ed una fonte di carbonio organico come donatore.

La tipologia del comparto biologico in esame è rappresentata dal schema di figura 13, dove il

reattore anossico raffigura il processo di pre-denitrificazione ed il reattore aerobico indica la fase

di ossidazione/nitrificazione; il liquame, quindi, effettua un primo passaggio nella vasca anossica,

subisce poi la nitrificazione e l’ossidazione nella vasca aerobica ed infine viene ricircolato nella

vasca anossica, dove è soggetto alla denitrificazione.

Capitolo 7- Comparto biologico

Figura 13: Schema della configurazione impiantistica adottata per la predenitrificazione

Il processo di denitrificazione comporta la produzione di alcalinità, che in parte compensa quella

persa per la nitrificazione.

Per evitare la sedimentazione delle particelle nella vasca anossica è prevista la messa in opera di

un sistema di miscelazione, costituito da un mixer sommergibile.

Per il dimensionamento, sono state innanzitutto specificate la concentrazione desiderata di nitrati

nell’effluente (compatibilmente con il limite da normativa) e la concentrazione di fanghi nella

corrente di ricircolo, il cui valore rientra in determinati range (8000-12000 mg/l).

Successivamente, conoscendo la concentrazione di fanghi nel ricircolo (Xr) e la concentrazione

MLSST di fanghi (X) all’interno della vasca aerobica, è stato possibile calcolare il rapporto di

ricircolo α:

Una volta determinato il rapporto di ricircolo, è stato possibile ricavare il rapporto di ricircolo

interno IR:

I nitrati in ingresso al reattore anossico saranno dati dal prodotto tra la portate di ricircolo e la

concentrazione di nitrati nell’effluente.

Per determinare le dimensioni della vasca, è stato fissato un tempo di residenza idraulico di

tentativo e da questo è stato determinato il volume della vasca anossica e il rapporto F/M:

Capitolo 7- Comparto biologico

Il rapporto F/M è necessario per determinare la velocità specifica di denitrificazione (SDNR),

3-

osservato in un range piuttosto variabile (0.04-0.42 mg N-NO /mgSSV d). Per determinare tale

velocità occorre inoltre conoscere la frazione di COD rapidamente biodegradabile contenuta nel

liquame; si è assunto per semplicità che il rapporto rbCOD/bCOD sia di 0.20, cioè che il 20% del

COD biodegradabile sia costituito da sostanza organica rapidamente biodegradabile.

Il grafico in figura 14 fornisce il valore dell’SDNR a una temperatura di 20°C in funzione dell’F/M e

del rapporto rbCOD/bCOD:

Figura 14: Grafico per il calcolo della velocità specifica di denitrificazione

Poiché la velocità di denitrificazione diminuisce al diminuire della temperatura, è stato necessario

determinarla alla temperatura di progetto di 12°C tramite una relazione del tipo Arrhenius, con

θ=1.026.

Conoscendo la velocità specifica di denitrificazione, il volume della vasca anossica e la

concentrazione di biomassa attiva è stato possibile determinare la concentrazione di nitrati

rimossi nella vasca anossica.

Naturalmente la quantità di nitrati rimossi deve risultare maggiore rispetto alla quantità in

ingresso; il rapporto ottimale tra le due concentrazioni risulta di 1.05. Se tale valore non risulta

Capitolo 7- Comparto biologico

rispettato, è necessario modificare il tempo di residenza idraulico e ripetere l’intero

procedimento.

In tabella sono riassunti i parametri per il dimensionamento della vasca anossica (singola linea).

Tabella 29: Dimensionamento vasca anossica di predenitrificazione

Vasca anossica

Q media influente [m3/d] 1080

Concentrazione fanghi nel ricircolo Xr [mg/l] 10000

Rapporto di ricircolo dal sedimentatore 0.8

secondario α

Rapporto di ricircolo interno IR 0.64

Nitrati ingresso vasca anossica [g/d] 23587

Tempo di residenza idraulico [h] 1.7

3

Volume vasca anossica [m ] 77

Rapporto F/M [gBODgSSV d] 3.77

b

rbCOD [mgO /l] 81.57

2

SDNR alla temperatura di esercizio [g/gd] 0.252

Nitrati rimossi [g/d] 24570

Nitrati rimossi/Nitrati alimentati 1.04

Credito di O da parte della denitrificazione

2 2.81

[kg/d]

Richiesta netta di O [kg/d] 20.48

2 2

Superficie vasca [m ] 90

Lunghezza vasca [m] 3

Larghezza vasca [m] 6

3

Essendo la volumetria della vasca anossica pari a 77 m , è stato scelto di utilizzare un mixer FLYGT

modello 4610 con una potenza di 0.9 Kw.

7.3 Sistema di aerazione

Nella vasca di ossidazione l’aerazione ha il fondamentale compito di assicurare le condizioni

aerobiche al processo biologico fornendo ossigeno necessario alle colonie batteriche per le

trasformazioni metaboliche. Inoltre, un effetto macroscopico legato alla presenza di bolle d’aria è

quello di garantire una omogenea miscelazione del refluo in vasca.

Il trasferimento di ossigeno avviene tramite un fenomeno di diffusione molecolare che può essere

interpretato attraverso la teoria del doppio film. Il fenomeno è influenzato da una serie di fattori e

condizioni di processo. Capitolo 7- Comparto biologico

Il tasso di trasferimento dell’ossigeno in condizioni standard è quindi molto diverso da quello nelle

condizioni reali di processo.

Per dimensionare il sistema di aerazione si è imposto che la richiesta di ossigeno (derivante dal

metabolismo batterico) fosse uguale al tasso di tr