Progetto di opere di ingegneria sanitaria

Alma Mater Studiorum - Università degli Studi di Bologna

Scuola di Ingegneria e Architettura

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Civile

Corso di Progetto di Opere di Ingegneria Sanitaria M

Progetto di un impianto di trattamento delle acque reflue a fanghi attivi

Studente: Mattia Ferrari (919506)

Docente: Prof. Ing. Maurizio Mancini

Anno Accademico 2020-2021

Sommario

• Introduzione .................................................................................................................................................. 3
• Normativa di riferimento ............................................................................................................... 3
• Schema di funzionamento dell’impianto ............................................................................... 5
• Dimensionamento dell’impianto: portate di calcolo ................................................... 10
• Dimensionamento delle fasi di trattamento .............................................................. 12
• Grigliatura grossolana .................................................................................. 14
• Vasca di arrivo .................................................................................................. 16
• Grigliatura fine ................................................................................................. 18
• Dissabbiatore e disoleatore ........................................................................... 19
• Vasca di sedimentazione primaria ................................................................ 21
• Comparto biologico ........................................................................................ 23
• Bilancio dell’azoto ........................................................................................... 26
• Vasca di ossidazione ......................................................................................... 28
• Nitrificazione ..................................................................................................... 31
• Fabbisogno di ossigeno ................................................................................. 34
• Vasca di denitrificazione ............................................................................... 35
• Età del fango e fango di supero ....................................................................... 39
• Sedimentatore secondario .......................................................................... 41
• Vasca di disinfezione ...................................................................................... 44
• Linea fanghi ...................................................................................................... 46

Introduzione

La seguente relazione tecnica tratta il dimensionamento e il progetto di massima di un ipotetico impianto di trattamento delle acque reflue a fanghi attivi, situato nei pressi di un centro abitato di notevoli dimensioni del Nord Italia. Nello specifico, l’impianto consente il trattamento degli scarichi civili ed industriali, che possono essere assimilati a scarichi domestici, di una popolazione equivalente di 160.000 abitanti, con dotazione idrica giornaliera pro-capite di 250 l/ab·giorno.

La rete fognaria esistente è di tipo misto. Bisogna anche considerare che all’impianto di depurazione giungono sia i liquami di tempo asciutto sia le acque di pioggia: in particolare, le acque reflue sono quelle che vengono trattate con continuità, per poter essere sversate nel corpo idrico ricettore di competenza con caratteristiche entro i limiti di legge ed arrivano per 365 giorni l’anno. In caso di pioggia, all’impianto arrivano anche le acque meteoriche, che di norma hanno delle portate ben superiori a quelle delle acque nere.

Normativa di riferimento

La normativa di riferimento a livello nazionale è il Decreto Legislativo n. 152 del 3 Aprile 2006, conosciuto come Testo Unico Ambientale. I principali obiettivi che tale normativa si prefigge di raggiungere sono i seguenti:

• La prevenzione e la riduzione dell’inquinamento e l’attuazione del risanamento dei corpi idrici inquinati;
• Il miglioramento della qualità delle acque e l’adeguata protezione di quelle destinate al consumo umano;
• Il perseguimento di obiettivi di qualità dei corpi idrici, che ne garantiscano il mantenimento della capacità naturale di autodepurazione.

Trattandosi di una normativa molto corposa, il testo è stato suddiviso in parti, sezioni, titoli, capi e articoli. La porzione di nostro interesse è quella in cui si parla di Tutela qualitativa della risorsa e di Disciplina degli scarichi. Infatti, il dimensionamento degli impianti di trattamento delle acque reflue presuppone la conoscenza dettagliata delle caratteristiche qualitative e quantitative dei liquami da trattare e, a tal proposito, la Disciplina degli scarichi impone il rispetto di limiti di concentrazione tabellati per tutte quelle acque che prima vengono convogliate in fognatura sia in tempo secco che in tempo di pioggia, poi vengono trattate all’interno dell’impianto ed infine vengono scaricate nei corpi idrici ricettori.

Per quanto concerne i quantitativi di BOD, COD, solidi sospesi, azoto e fosforo totale all’uscita dall’impianto, sono definiti dei limiti di concentrazione contenuti all’interno dell’allegato 5 alla parte III del D.L. sopra citato. Di seguito, vengono riportate le Tabelle 1 e 2, che racchiudono i limiti da rispettare per il seguente caso di progetto.

Tabella 1. Limiti di emissione per gli impianti di acque reflue urbane

Tabella 2. Limiti di emissione per gli impianti di acque reflue urbane recapitanti in aree sensibili

Sono definite aree sensibili quelle a rischio di eutrofizzazione, per le quali si deve prevedere un trattamento più spinto per quanto riguarda i parametri di azoto e fosforo.

Schema di funzionamento dell’impianto

All’interno dell’impianto si distinguono due linee funzionali:

• La linea acque
• La linea fanghi

La linea acque è costituita delle seguenti componenti, che si suddividono tra i trattamenti primari, secondari e terziari:

• Trattamenti primari: grigliatura grossolana, vasca di arrivo con sfioro, impianto di sollevamento, grigliatura fine, dissabbiatore e disoleatore, sedimentatore primario.
• Trattamenti secondari: vasca di pre-denitrificazione, vasca di ossidazione e nitrificazione, sedimentatore secondario.
• Trattamenti terziari: vasca di disinfezione.

La linea fanghi è costituita dai seguenti elementi: pre-ispessitore, digestore anaerobico, gasometro, post-ispessitore, disidratazione meccanica.

In particolare, a valle della grigliatura fine, cioè a partire dalla fase di dissabbiatura, si è deciso di sdoppiare la linea acque in due percorsi funzionali: il primo percorso è costituito da uno dei due sedimentatori primari e da un by-pass ad esso connesso, necessario per far uscire una portata pari a 2·Q₂₄, rispetto alla 4·Q₂₄ in arrivo dalla grigliatura grossolana. In questo modo, alle due linee di trattamento secondario giunge la portata rimanente, sempre pari a 2·Q₂₄. Il secondo percorso è formato dall’altro sedimentatore primario e dalle due linee parallele dei trattamenti secondari. Quest’ultimo percorso è stato progettato in maniera tale che i manufatti di trattamento secondario siano sempre in funzione sia in tempo di secco che in tempo di pioggia, mentre il primo percorso si attiva solamente in caso di intensi eventi pluviometrici. Infine, la portata prelevata dal by-pass viene indirizzata verso un’apposita vasca di disinfezione, come accade per la portata proveniente dalle linee di trattamento secondario.

Nel complesso all’interno dell’impianto sono presenti 2 manufatti per la fase di dissabbiatura e disoleatura, 2 vasche per la fase di sedimentazione primaria, 2 vasche per la fase di ossidazione-nitrificazione, 2 vasche per la fase di denitrificazione, 2 vasche per la fase di sedimentazione secondaria e 2 vasche di disinfezione.

Il profilo idraulico è condizionato dalla quota del pelo libero della fognatura in arrivo e dalla quota del pelo libero del corpo idrico ricettore. Poiché le varie apparecchiature indicate sopra comportano una notevole perdita di carico (2-3 metri), è necessario disporre di uno o più sollevamenti. Infatti, le perdite di carico sono provocate dalle dissipazioni di energia nelle tubazioni e dai salti necessari per realizzare gli stramazzi, che impongono i livelli. Tenendo conto di queste ragioni, nel caso di progetto si è deciso di disporre uno stramazzo prima dell’impianto di sollevamento; inoltre, in virtù di quanto detto sopra, sarebbe bene posizionarne uno anche dopo il sedimentatore primario ed uno dopo il sedimentatore secondario. Naturalmente, il livello del pozzetto finale deve essere superiore al ricettore, per poter scaricare sempre.

In linea generale, il percorso del liquame è il seguente:

• Le acque reflue vengono raccolte dalle singole reti fognarie e convogliate mediante collettori all’impianto di depurazione.
• Il liquame proveniente dalla rete fognaria mista, appena entra nel centro di depurazione, viene convogliato verso una stazione di grigliatura grossolana, dove le parti solide ed ingombranti che potrebbero altrimenti intasare tubazioni e pompe, vengono separate automaticamente, lavate, pressate e portate in discarica.
• I liquami passano, quindi, dopo essere stati sollevati attraverso un idoneo impianto di sollevamento a pompe, attraverso una successiva grigliatura fine, mediante la quale vengono ulteriormente filtrati i liquami e inviati al dissabbiatore-disoleatore.
• Nella dissabbiatura-disoleatura avviene la separazione delle sabbie per sedimentazione naturale, mentre la separazione e la risalita degli olii e dei grassi in superficie, viene favorita mediante insufflazione di aria che, assicurando una limitata turbolenza, impedisce anche la sedimentazione di sostanze organiche.
• Dopo essere passato nel dissabbiatore-disoleatore, il liquame arriva nei bacini di sedimentazione primaria, dove avviene la separazione per gravità dei solidi sedimentabili. I fanghi che si accumulano sul fondo della vasca vengono sospinti dalla lama di fondo di un carroponte raschiatore in apposite tramogge di raccolta, mentre le restanti acque di scarico vengono inviate ai trattamenti successivi. A questo punto terminano i trattamenti fisici e meccanici, i quali hanno asportato circa 1/3 del carico organico dal refluo.
• Successivamente, il liquame viene convogliato nelle vasche di ossidazione, dove è sottoposto ad intensa aerazione con conseguente abbattimento delle sostanze organiche. Questo processo si basa sull’azione metabolica di microrganismi e batteri che utilizzano le sostanze organiche e l’ossigeno disciolti nel liquame per la loro attività e riproduzione. In tal modo si formano fiocchi costituiti da colonie di batteri facilmente eliminabili nella successiva fase di sedimentazione. Per un ottimale assorbimento delle sostanze, è necessaria una sufficiente presenza di ossigeno, che viene fornito mediante insufflazione di aria dal fondo.
• I liquami così depurati passano alla sedimentazione finale (sedimentazione secondaria) dove avviene la separazione dei fanghi attivi. Un ponte raschiatore raccoglie il fango sedimentato. Una parte del fango attivo viene fatta ricircolare nella vasca di aerazione e la parte in esubero viene inviata al trattamento successivo. Le acque depurate entrano poi nella stazione di clorazione dove vengono sterilizzate con un dosaggio di cloro.
• I fanghi depositatisi sul fondo delle vasche di sedimentazione secondaria vengono in parte riciclati ai bacini di ossidazione (fanghi attivi di ricircolo) ed in parte inviati ai bacini di stabilizzazione (fanghi di supero). Questi ultimi vengono infine pompati allo stadio di ispessimento da dove, dopo essersi addensati ulteriormente, vengono inviati ai digestori, successivamente ad una nastro-pressa e accumulati presso letti di essiccamento dai quali periodicamente vengono rimossi ed utilizzati in agricoltura, compostaggio o smaltiti in discarica.
• Oltre ai processi meccanici e biologici, risultano necessari anche altri trattamenti, che hanno lo scopo di limitare le sostanze nutritive come azoto e fosforo nello scarico finale, sostanze che possono portare a problemi di ipertrofia nei fiumi e laghi. La rimozione dell’azoto avviene con processi biologici tramite batteri speciali nelle vasche di ossidazione, mentre per l’eliminazione del fosforo si utilizza un processo chimico, che consiste nell’aggiunta di un prodotto flocculante (come sali di ferro) durante il processo depurativo.

Di seguito, si riporta lo schema generale dell’impianto a fanghi attivi di progetto.

Dimensionamento dell’impianto: portate di calcolo

La portata di calcolo rappresenta il più importante parametro progettuale d’impianto per i depuratori e deve essere tale da garantire il funzionamento dell’impianto in tutte le fasi fisiche, chimiche e biologiche di trattamento anche duranti i picchi di carico e portata. Dunque, una volta fissata la portata di calcolo ed i carichi da essa veicolati, imposti i rendimenti d’impianto, possono essere effettuati tutti i calcoli di progetto per la determinazione delle biomasse attive necessarie e dei volumi richiesti per tutte le vasche di trattamento.

Per le reti fognarie miste si assume come portata di riferimento la Q₂₄, cioè la portata media oraria di tempo secco (espressa in m³/ora), amplificata secondo metodi o coefficienti tali da ricomprendere le punte tardo diurne. Inoltre, sempre per quanto riguarda le reti miste, le indicazioni UIDA fissano un minimo almeno pari a 5·Q₂₄ da inviarsi ai pretrattamenti, comprensivi di sedimentazione primaria, considerando come sufficientemente diluite e scaricabili le portate di pioggia eccedenti tale valore. In realtà, gli impianti in grado di soddisfare tale indicazione sono molto pochi, quindi, solitamente la portata ammessa ai trattamenti primari varia tra 3-5Q₂₄.

Come primo passaggio, si calcolano le portate in ingresso a tutto l’impianto. L’apporto idrico specifico si calcola rispetto alla dotazione idrica giornaliera e serve per determinare la portata nera in arrivo:

Q_spec = DOT · k = 250 · 0,85 = 212,5 l/ab·giorno,

Dove:

• DOT: è la dotazione idrica giornaliera per ogni abitante equivalente [l/ab·giorno],
• k: è un coefficiente che considera le perdite nel passaggio attraverso le abitazioni e quelle lungo il percorso fognario (nelle fognature impermeabili di ultima generazione si pone k=1).

La portata giornaliera di tempo secco si calcola come:

Q_g = DOT · Abitanti = 212,5 · 160.000 = 34.000.000 l/giorno = 34.000 m³/giorno

Quindi, l’apporto idrico orario corrisponde a:

Q₂₄ = 34.000 / 24 = 1417 m³/ora

A questo punto, tenendo conto che la rete fognaria è di tipo misto, si procederà ricavando il valore della portata di calcolo Q_c. Nello specifico, si suppone che la portata massima in ingresso ai trattamenti primari sia pari a 4·Q₂₄ e si ipotizza che la portata in arrivo al secondario sia pari a 2·Q₂₄.

Q₁ = 4 · Q₂₄ = 4 · 1417 = 5668 m³/ora

Q₂ = 2 · Q₂₄ = 2 · 1417 = 2834 m³/ora

In questo caso, i termini moltiplicativi 2 e 4 fungono da coefficienti amplificativi della portata oraria di tempo secco, in modo da comprendere anche le punte, che si verificano in tempo di pioggia.

Di seguito, si riassumono in un’apposita tabella le portate di calcolo appena calcolate:

Dimensionamento delle fasi di trattamento

I dati iniziali a disposizione sono riportati nella tabella sottostante, che contiene i carichi giornalieri medi pro capite di inquinanti di origine organica scaricati dagli abitanti di città europee. Moltiplicando tali valori per il numero di abitanti equivalenti dell’impianto in questione, si ottengono i carichi che giornalmente devono essere trattati per la depurazione e che devono rispettare i limiti di normativa:

L’apporto idrico calcolato per ciascuna delle due linee che compongono l’impianto è:

Q_linea = (160.000) / 2 · Q_spec = (160.000 / 2) · 0,2125 = 17.000 m³/giorno,

Q_linea,24 = 17.000 / 24 = 708 m³/ora

Le due linee dell'impianto di trattamento sono dimensionate usando gli stessi parametri di progetto. Pertanto, da qui in avanti si ragionerà sulla singola portata che viene indirizzata ad ogni linea. Visto che l’obiettivo è quello di calcolare i valori effettivi dei carichi e delle concentrazioni, le portate riferite alle singole linee non sono state amplificate, per evitare di sovrastimare i carichi da abbattere alla depurazione.

Di seguito, sono riportate le equazioni generali, con cui si calcolano i carichi...