Chimica e laboratorio triennio

Prof. TROIANO Sergio

-DEPURAZIONE ACQUE REFLUE-

Si definiscono acque reflue urbane le acque di scarico dei centri abitati che, dopo essere state utilizzate per gli usi domestici sono raccolte e convogliate verso l'impianto di depurazione, che, per ovvie ragioni, si trova sempre nella periferia dei centri abitati e ubicato, di preferenza, negli avvallamenti.

Le acque reflue urbane contengono sostanze organiche di vario tipo, in sospensione ed anche in soluzione e, naturalmente, il contenuto organico dipende dall'uso che ne è stato fatto. Ad esempio, se l'acqua è stata utilizzata per lavare gli indumenti conterrà residui del sapone utilizzato, altrimenti conterrà residui di altro genere ma sempre di tipo prevalentemente organico.

Fino a qualche decennio fa queste acque reflue non venivano depurate ma erano semplicemente scaricate nei fossi producendo un grave inquinamento dei ruscelli e dei fiumi, con la legge Merli del 1976, finalmente la legislazione italiana ha vietato questo scempio ed obbligato tutti ad effettuare la depurazione di scarico inquinate, di qualsiasi inquinamento si tratti.

La depurazione delle acque reflue urbane, anche se teoricamente può essere condotta in diversi modi, viene effettuata quasi ovunque con il sistema dei fanghi attivi, metodo messo a punto in Inghilterra all'inizio del secolo ventesimo e di cui esistono molte varianti.

Descrizione impianto:

L'impianto di depurazione, preferibilmente ubicato, quando possibile, un una valle alla periferia della città, si compone di diverse vasche di cui alcune di grandi dimensioni e, nel complesso, occupa una notevole superficie di terreno. Sinteticamente possiamo suddividere il processo in trattamenti preliminari, trattamenti primari, trattamenti secondari e trattamenti terziari.

I trattamenti preliminari sono nell'ordine: grigliatura, disabbiatura e disoleatura. Sono tutte operazioni di tipo fisico ed hanno lo scopo di rimuovere le sostanze grossolane trascinate dalle acque reflue.

La grigliatura consiste nel far passare l'acqua reflua attraverso una semplice griglia a barrette verticali parallele, distanziate di circa un centimetro, del tutto simili ad un pettine ma con le punte curvate indietro e saldamente ancorate ad una barra traversa, per mantenerle tutte nella giusta posizione. La rimozione dei rifiuti solidi trattenuti viene fatta periodicamente con una apposita forca in modo automatico o manuale.

La disabbiatura ha lo scopo di separare le sostanze solide facilmente decantabili e viene realizzata in una vasca a forma rettangolare ma con il piano di fondo fortemente inclinato verso un'estremità. La separazione delle sostanze grossolane analoghe alla sabbia, si ottiene facendo sostare, qualche minuto (circa dieci), l'acqua reflua nella vasca di decantazione, tempo sufficiente perché decantino e si depositino sul fondo della vasca dalla quale devono essere periodicamente rimosse e trasportate, insieme a quelle raccolte nella grigliatura, nella discarica dei rifiuti solidi urbani.

La disoleatura e l'ultima della serie delle operazioni preliminari ed ha lo scopo di separare l'olio e tutte le sostanze immiscibili con l'acqua e che galleggiano. L'operazione si realizza, in modo analogo alla disabbiatura, facendo sostare l'acqua reflua per qualche decina di minuti in una vasca di forma analoga alla vasca disabbiatrice ma con il fondo orizzontale. L'acqua disoleata viene prelevata dalla parte opposta alla sua immissione, ma in corrispondenza del fondale, e ciò per evitare di prendere anche le sostanze che invece devono essere, periodicamente raccolte separate e smaltite opportunamente.

Il trattamento primario, operazione di tipo esclusivamente fisico e che negli impianti piccoli potrebbe anche mancare, ha lo scopo di rimuovere tutte le particelle solide in sospensione e che sono sedimentabili. L'operazione si realizza facendo sostare l'acqua reflua per qualche ora in una enorme vasca di decantazione avente, quasi sempre, forma circolare in cui l'acqua reflua viene immessa in, in continuazione, corrispondenza del centro della vasche e prelevata lungo il bordo sagomato con uno stramazzo ed una cunetta di raccolta. Le particelle solide decantano e si raccolgono sul fondo della vasca, da cui vengono rimosse in modo continuo ed automatico, da una lama che trascinata da un carrello ponte. Questo meccanismo, lama-carro-ponte, ruota a bassissima velocità, e raschia i solidi decantati dal fondo dove si sono raccolti e li convoglia verso un pozzetto centrale da cui sono estratti saltuariamente con una coclea o con qualche altro sistema similare.

Il trattamento secondario, operazione di tipo misto chimico ed anche fisico, costituisce la parte centrale dell'impianto e comprende la vasca di ossidazione biologica, detta anche vasca di areazione, ed il decantatore secondario. Nella vasca di areazione particolari batteri aerobici demoliscono la maggior parte della sostanza organica presente nell'acqua reflua utilizzandola per il proprio metabolismo. L'areazione può essere ottenuta in diverso modi, ad esempio soffiando direttamente aria da un diffusore posto sul fondo della vasca oppure muovendo energicamente l'acqua con una ruota a pale oppure ancora facendo zampillare in vario modo l'acqua ottenendo, a volte, gradevoli e suggestivi effetti spettacolari.

Il controllo della vasca ai fanghi attivi deve essere molto accurato e scrupoloso perché, in gran parte è proprio dal suo corretto funzionamento che dipende il grado di depurazione dell'acqua.

In alternativa alla vasca ai fanghi attivi sono stati utilizzati, anche se con modesto successo anche altri metodi come i letti percolatori ed i dischi biologici. Nei letti percolatori i batteri si installano e formano colonie in un riempimento formato da uno strato di ghiaia di opportuna granolumetria, alto circa un paio di metri in cui, l'acqua reflua viene distribuita dall'alto e raccolta dal basso da appositi condotti. La circolazione dell'aria è in senso inverso ed è affidata, in modo abbastanza aleatorio, alla semplice circolazione naturale dovuta alla maggiore temperatura dell'interno del letto percolatore rispetto all'esterno.

Nell'ossidazione con i dischi biologici, i batteri aerobici demolitori, quegli stessi che costituiscono i fanghi attivi, si ancorano sulla superficie di grandi dischi parzialmente immersi nell'acqua reflua da trattare e che ruotando lentamente provvedono alla periodica ossigenazione dei batteri.

La vasca di decantazione secondaria, si trova subito dopo la vasca di areazione ed è simile la vasca di decantazione primaria solo che le sue dimensioni sono molto più piccole. I fanghi attivi presenti nel liquame si separano per decantazione dall'acqua ormai quasi del tutto depurata ed una parte viene ricircolata nella vasca di ossidazione biologica mentre la parte eccedente va al digestore anaerobico dove resterà per circa un mese.

Il trattamento terziario comprende l'abbattimento dei nutrienti e la sterilizzazione finale dell'acqua effettuata prevalentemente con i composti del cloro. La rimozione dei nutrienti, in particolare il fosforo, deve essere eseguita solo nel caso vi sia pericolo di eutrofizzazione nel bacino dove si scarica l'acqua depurata altrimenti non viene, di norma, effettuata. La sterilizzazione finale deve essere fatta sempre.
 
 
 
 

Simbologia e motodica di calcolo:

BOD5 la sigla deriva dalle iniziali di biologic oxigen demand, si misura in parti per milione che corrisponde a g/mc ed è la quantità di ossigeno necessario per effettuare la depurazione biologica, affidata dunque ai fanghi attivi, condotta in determinate condizione standardizzate.

Cos è il carico organico specifico, cioè la massa di inquinanti biodegradabili misurata però in riferimento all'ossigeno consumato con le condizioni stabilite per il BOD5 e si misura in kgBOD5/(abitante * giorno). In mancanza di dati più precisi si può assume pari a 0,060.

Co Il carico organico cioè la massa di inquinanti biodegradabili misurata però in riferimento all'ossigeno consumato con le condizioni stabilite per il BOD5 prodotta giornalmente dall'intera cittadinanza servita dal depuratore. Si misura in kgBOD5/giorno e si può calcolare moltiplicando il carico organico specifico per il numero di abitanti equivalenti.

Cis è il carico idraulico specifico, cioè il volume di acqua reflua prodotta in un giorno da un abitante equivalente e mc/(abitante * giorno). In mancanza di dati più precisi si può assumere pari a 0.250.

Ci è il carico idraulico, cioè il volume di acqua reflua prodotta giornalmente dall'intera cittadinanza servita dal depuratore. Si misura in mc/giorno e si può calcolare moltiplicando il carico idraulico specifico per il numero di abitanti equivalenti.

p è il fattore di punta, cioè il rapporto tra la portata idraulica massima e la portata media riferita ad un giorno. Questo fattore diminuisce con l'aumento del numero degli abitanti, dipende dalle abitudini del luogo e può essere assunto uguale a 3.7 per un piccolo paesino, a tre per una cittadina di circa dieci mila abitanti ed a due per le grandi città di circa centomila abitanti.

Per la progettazione di massima degli impianti di depurazione con il metodo ai fanghi attivi, si utilizzano anche i seguenti parametri di tipo sperimentali

[SSa] esprime la concentrazione dei solidi sospesi nell’aeratore e si esprime in kg/mc. Il suo valore può variare da 2.5 a 6 ed in mancanza di dati più precisi può essere assunta uguale a 4.

SSa esprime la massa totale di solidi sospesi contenuti nell’aeratore. Si misura in kg e può essere calcolata semplicemente moltiplicando [SSa] per il volume dell'aeratore espresso in mc.

Cf è il carico del fango, è numericamente compreso tra 0.2 e 0.5, ed è dato dal rapporto tra il Co/SSa oppure anche, ricordando che SSa=Va*[SSa] si ottiene Cf = Co / ([SSa]*Va) formula molto utile per calcolare il volume della vasca di areazione (cioè della vasca dove ci sono i fanghi attivi) in quanto il Co, cioè il carico organico può essere stimato facilmente perché è pari a Cos*abitanti equivalenti)

mu è il rendimento depurativo è rapporto, espresso su 100 unità di carico organico, tra il Co eliminato ed il Co totale. Il suo valore, come evidenziato dal grafico di pag. 737 varia in funzione del carico del fango. In mancanza di dati più precisi e per un carico di fango inferiore a 0.4 si può assumere un rendimento pari al 92%.

Cov è il carico organico volumetrico nella vasca ai fanghi attivi ed è riferito ad un metro cubo di liquame . Può essere calcolato dividendo il carico organico diviso il volume. Per quanto detto in precedenza può essere anche messo in relazione con il carico di fango attraverso la seguente formula Cov = Cf * [SSa]

Il carico organico volumetrico, in mancanza di dati più precisi, può essere assunto uguale a Cov=1 kgBOD5/(giorno * mc) per le vasche a basso carico ed uguale a 2 per le vasche a carico medio-alto.

SVI è l'indice di Mohlman detto anche indice di volume del fango ed è il volume del fango, espresso in millilitri, che decanta da un litro di liquame. La misura deve essere effettuata utilizzando un cono Imhoff lasciato in posizione di quiete per trenta minuti. Normalmente il valore numerico dell'indice di Mohlman è di 120 ml/grammo.

k è la costante di proporzionalità, dipende dalle caratteristiche del sedimentatore secondario ed il suo valore, sempre leggermente maggiore di 1, è tanto più basso quanto più le condizioni operative del sedimentatore secondario si avvicinano a quelle del cono di Imhoff. In mancanza di dati specifici può essere assunta uguale ad 1.

[SSr] è la concentrazione delle sostanze solide sospese nella corrente di ricircolo, è espressa in kg/mc ed è legata ad SVI dalla seguente relazione [SSr] = k * 10^3 /(SVI) dove k è la costante di proporzionalità, vista in precedenza.

SSr esprime la massa totale di solidi sospesi contenuti nella corrente di ricircolo alla vasca ai fanghi attivi. Si misura in kg/d e può essere calcolata semplicemente moltiplicando [SSr] per la portata volumetrica della corrente di ricircolo.

Fr esprime la portata volumetrica della corrente di ricircolo nella vasca ai fanghi attivi. Si esprime in mc/d e può essere calcolata semplicemente dividendo SSr per [SSr].

R è il rapporto di riciclo definito semplicemente come il rapporto tra la portata della corrente ricircolata e la portata dell'alimentazione nella vasca di areazione. Per il calcolo numerico el rapporto di ricircolo si possono usare le seguenti formule

R=[SSa]/([SSr]-[SSa]

R=Fr / Fi

dove Fr è la portata della corrente di ricircolo ed Fi è la portata dell'alimentazione dell'aeratore, quest'ultima proveniente dal sedimentatore primario se l'impianto lo prevede.

SSs è la portata di fango di supero prodotto in un giorno, il suo calcolo, in gran parte legato alla crescita batterica, è piuttosto difficoltoso e, almeno per i calcoli di massima, in mancanza di dati più precisi, può essere assunto uguale ad 0,6 kg / kgBOD5 rimosso. Se l'impianto è sprovvisto del sedimentatore primario SSs può essere assunto, in mancanza di dati più precisi, uguale ad 1.2 kg/kgBOD5rimosso.

[SSs] è la concentrazione espressa in kg/mc dei solidi sospesi di supero provenienti dal sedimentatore secondario e sottoposti ad un ispessimento per ridurne il volume. In mancanza di dati più precisi, può essere assunta uguale a 30 kg/mc. Nel caso in cui non vi fosse l'ispessitore, si avrebbe ovviamente [SSs] = [SSr].

Fs esprime la portata volumetrica della corrente di supero ispessita che entra e costituisce l'alimentazione del digestore anaerobico. Si esprime in mc/d e può essere calcolata semplicemente dividendo SSs per [SSs].

O2t è il fabbisogno stechiometrico giornaliero ossigeno richiesto dai fanghi attivi e, in mancanza di dati più precisi, si può determinare, in modo approssimativo, considerando che un kg di BOD5 rimosso comporta un consumo di 2 kg di ossigeno

O2p è il fabbisogno giornaliero effettivo di ossigeno richiesto dai fanghi attivi e si ottiene da quello teorico considerando che solo una piccola parte, in genere dal 3 al 10%, dell'ossigeno inviato nella vasca viene effettivamente utilizzato dai fanghi attivi. In mancanza di dati più precisi si può assumere un coefficiente di utilizzazione dell'ossigeno pari al 5% e quindi, in definitiva, l'ossigeno pratico è circa venti volte quello teorico.

Varia è il fabbisogno giornaliero teorico di aria che può essere calcolato dal O2p, l'ossigeno pratico visto in precedenza, con la legge dei gas oppure, più semplicemente, con una semplice proporzione ricordando che un mc di aria contiene 0.280 kg di O2.

SSV sono le sostanze solide volatili cioè la massa che volatilizza riscaldando la sostanza solida ad una certa temperatura e per un certo tempo prefissati e che corrisponde, all'incirca, alla sostanza organica presente nel campione. Si calcola attraverso la sua percentuale sul totale di massa solida. In mancanza di dati più più precisi, può essere assunta uguale a 75%. Il biogas si svilupperà, nel digestore anaerobio, solo dalle sostanze volatili

SVR sono le sostanze solidi volatili rimosse nel digestore anaerobico e trasformate in biogas. Considerando un tempo medio di permanenza del fango di supero, nel digestore di 25-28 giorni, la percentuale di trasformazione è di circa il 50% e quindi solamente la metà di SSV che entrano nel digestrore si trasformeranno in biogas ed il restante previo essiccamento e sterilizzazione, viene utilizzato come fertilizzante in agricoltura oppure trasportato nella discarica dei rifiuti solidi urbani.

Vgas è il volume di biogas prodotto e può essere calcolato considerando che un kgSSV rimosso produce un metro cubo di biogas.

Vdig è il volume del digestore espresso in mc e che deve essere determinato considerando il tempo di permanenza e che può essere assunto, se non diversamente specificato, uguale a 28 giorni e la concentrazione della Fs, cioè la sostanza solida in eccesso, e che può essere assunta, in mancanza di dati più precisi, uguale a 30 kg/mc. La formula per il suo dimensionamento del digestore, è la seguente:

area è la superficie del sedimentatore secondario, si misura in metri quadrati e deve essere calcolata tenendo presente che la velocità di risalita del liquame deve essere inferiore alla velocità di decantazione del fango, che varia in funzione della temperatura e delle caratteristiche del fango e, in mancanza di dati più precisi, può essere generalmente assunta uguale a 1.2 metri/ora. Per calcolare l'area del sedimentatore secondario si devono calcolare, nell'ordine, le seguenti grandezze

[SSr] = k * 10^3 /(SVI)

R = [SSa] / ([SSr] - [SSa])

Fr = Fi * R

area = (Fi + Fr) / (24*1.2)

dove Fi è la portata volumetrica dell'alimentazione,
 
 
 
 

Metodica di calcolo:

1) Calcolare il carico organico giornaliero che corrisponde al KgBOD5/giorno che perviene al depuratore, attraverso il numero di abitanti ed il carico organico specifico che in mancanza di dati più precisi può essere assunto Cos = 0.06 con la seguente formula

Co = abitanti* Cos

2) Calcolare il carico idraulico considerando un carico idraulico specifico, in mancanza di dati più precisi, Cos=0.250 (da 0.2 a 0.3), con la seguente formula

Ci = abitanti * Cis

3) Calcolare il volume della vasca di areazione considerando, in mancanza di dati più precisi [SSa] = 4 (da 2.5 a 6) e Cf = 0.2 (da 0.1 a 0.5) con la seguente formula

Va = Co /(Cf * [SSa])

4) Calcolo di SSa, cioè la massa dei solidi sospesi contenuti nella vasca ai fanghi attivi, con la seguente formula

SSa = Va * [SSa]

5) Calcolare il carico organico rimosso considerando una percentuale di rimozione pari al 92% con la seguente formula

Cor = Co * 92/100

6) Calcolo dell'ossigeno stechiometrico richiesto dai fanghi attivi considerando che occorrono circa 2 kg di ossigeno per ogni kg di Co rimosso con la seguente formula

O2 = 2 * Cor

7) Calcolo dell'ossigeno pratico calcolato considerando che solo cieca il 5% viene effettivamente assorbito ed utilizzato dai fanghi attivi con la seguente formula

O2eff = kgO2 *100/5

8) Calcolo del volume di aria effettivo medio da inviare nella vasca di areazione considerando che in un metro cubo di aria ci sono 0.280 kg di ossigeno

Varia = kgO2eff / 0.280

9) Calcolo del volume di aria nel momento di punta considerando che la portata del Carico idraulico massimo Cimax è p volte maggiore del Cimedio calcolato nel punto 2 con p che va da 2 a 3.7 con la seguente formula

Variamax = p * Varia

10) Calcolo di [SSr] cioè della concentrazione specifica del fango di ricircolo, considerando, in mancanza di dati più precisi, SVI = 120 e k = 1 con la seguente formula

[SSr] = k * 1000 / SVI

11) Calcolo del rapporto di ricircolo R con la seguente formula

R = [SSa] / ([SSr] - [SSa])

12) Calcolo della portata del fango di ricircolo, ricordando che Fi = Ci, con la seguente formula

Fr = R * Fi

13) Calcolo di [SSs] che è uguale a [SSr] se manca l'ispessitore altrimenti, in mancanza di dati più precisi, può essere assunta pari a 30 kg/mc.

14) Calcolo di SSs, cioè della quantità di fango si supero da inviare al digestore anaerobico, considerando, in mancanza di dati più precisi ed in assenza del decantore primario che un kg di BOD5 rimosso, oppure Co rimosso, produce 1.2 kg di SSs, mentre se c'è il sedimentatore primario, la quantità si dimezza. Le formule sono, rispettivamente, le seguenti:

SSs = 1.2 * kgBOD rimosso (senza sedimentatore primario)

SSs = 0.6 * kgBOD rimosso (con sedimentatore primario)

15) Calcolo dell'età del fango con la seguente formula

età = SSa / SSi

16) Calcolo della superficie del sedimentatore secondario, ricordando che Fi è uguale al carico idraulico e considerando, in mancanza di dati più precisi, una velocità di risalita dell'acqua di 1.2 m/h, con la seguente formula:

area = (Fi + Fr) /(24 * ve)

17) Calcolo del volume del digestore anaerobico considerando, in mancanza di dati più precisi, un tempo di permanenza t=28 giorni e una concentrazione del fango nel digestore c= 30 kg/mc con la seguente formula:

Vd = Fs * t / c

18) Calcolo della sostanza solida volatile, cioè della sostanza organica che si distrugge riscaldando il campione, che, in mancanza di dati più precisi può essere assunta uguale al 75% della sostanza solida totale, con la seguente formula

SSV = SSs * 75 / 100

19) Calcolo della sostanza solida rimossa e trasformata in biogas nel digestore anaerobico considerando, in mancanza di dati più precisi un coefficiente di rimozione pari al 50%, con la seguente formula

SSVr = SSV * 50 / 100

20) Calcolo del volume di biogas prodotto considerando, in mancanza di dati più precisi che un kg di sostanza solida volatile rimossa produce circa 1 mc di biogas, con la seguente formula

V = SSVr * 1

Nota: nel caso l'ossigenazione del liquame nella vasca ai fanghi attivi avvenga attraverso l'insufflaggio dell'aria si può stimare il consumo di energia elettrica giornaliero, calcolando prima la pressione di insufflaggio dell'aria, poi il lavoro in Joule ed infine il consumo di energia elettrica. Naturalmente il compressore deve avere una potenza sufficiente per garantire il surplus di areazione nei periodi di maggior carico

21) Calcolo della profondità equivalente di immissione dell'aria che indico con dh e che in mancanza di dati più precisi assumo uguale a 3 metri di acqua (pulita).

22) Calcolo della pressione idrostatica, espressa in Pascal, con la legge di Stevino

Pa = 1000 * 9.806 * 3

23) Calcolo di compressione dell'aria, espresso in Joule, ricordando che è uguale al prodotto del volume per la pressione ed in cui il volume è quello dell'aria che è stato calcolato in precedenza, precisamente al punto 7

L = Pa * Varia

24) Calcolo del consumo di energia elettrica giornaliero, ipotizzando, in mancanza di dati più precisi, un rendimento complessivo del compressore pari al 65%, con la seguente formula

kwh = (L* 100) / (3600000 * 0.65)

25) Considerando un potere calorifico inferiore del biogas prodotto pari a 22000 kj/mc ed un rendimento complessivo del gruppo elettrogeno pari al 28% calcolo dell’energia elettrica ricavata dal biogas, in un giorno, con la formula

kwh = Vgas * 22500*1000 * 0.28 / 3600000