DIMENSIONAMENTO DEL REATTORE BIOLOGICO

Relativamente al dimensionamento del reattore biologico, le linee-guida distinguono due casi: il caso in cui sia stato realizzato un impianto pilota su cui testare il funzionamento dei manufatti progettati per almeno un anno, includendo la stagione fredda, e il caso in cui il dimensionamento venga condotto per via empirica seguendo solo le indicazioni della norma stessa. All’interno del

66 caso in cui non sia presente un impianto pilota, passano poi a considerare in maniera distinta gli impianti per cui non sia prevista la nitrificazione e quelli che richiedano tale trattamento.

Nel caso dell’impianto di Vranje, il dimensionamento del reattore biologico deve essere effettuato tenendo conto che non è stato realizzato un impianto pilota e che è prevista una fase di nitrificazione per poter rispettare il limite imposto sull’azoto totale per lo scarico in aree sensibili. Secondo la procedura ATV il primo parametro da calcolare è il rapporto tra il volume di denitrificazione e il volume totale delle vasche di aerazione (VD/VAT); tale rapporto può essere

calcolato solo dopo aver effettuato un bilancio dell’azoto, necessario per ricavare la concentrazione di azoto da denitrificare (SNO3,D).

𝑆_{𝑁𝑂3,𝐷} = 𝐶_{𝑁,𝐼𝐴𝑇}− 𝑆_{𝑜𝑟𝑔𝑁,𝐸𝑆𝑇}− 𝑆_{𝑁𝐻4,𝐸𝑆𝑇}− 𝑆_{𝑁𝑂3,𝐸𝑆𝑇}− 𝑋_{𝑜𝑟𝑔𝑁,𝐵𝑀} [𝑚𝑔/𝑙] CN,IAT = concentrazione di azoto totale in ingresso ai trattamenti biologici

SorgN,EST = concentrazione di azoto organico nell’effluente

SNH4,EST = concentrazione di azoto ammoniacale nell’effluente

SNO3;EST = concentrazione di azoto inorganico nell’effluente

Xorg,N,BM = concentrazione di azoto organico incorporato nella biomassa.

A questo punto, il rapporto VD/VAT può essere calcolato in modo iterativo prendendo in

considerazione la concentrazione di azoto da denitrificare (SNO3,D) appena esposta e la quantità

giornaliera di ossigeno necessario per la rimozione del BOD (OUd,C); tale quantità può essere

calcolata solo dopo avere determinato l’età del fango, a sua volta dipendente dal rapporto VD/VAT.

Per questo motivo, per la determinazione del rapporto VD/VAT, dell’età del fango (tss) e della

quantità di ossigeno necessaria (OUd,C), si rende necessario il calcolo iterativo riportato in seguito.

1. Fissare un rapporto VD/VAT di primo tentativo

2. Fissare l’età del fango per la nitrificazione (tss,aerobic dim) usando i valori forniti dalle ATV.

Qualora l’impianto avesse un carico di BOD5 in ingresso diverso dai due casi proposti

(Tabella 14), è possibile ricavare il valore cercato per interpolazione.

Impianti fino a 1200kgBOD5/d Impianto sopra a

6000kg/BOD5/d

tss,aerobic dim 10 giorni 8 giorni

Tabella 14 Valore dell’età del fango da considerare in relazione al carico di BOD entrante

3. Calcolare l’età del fango richiesta per la denitrificazione e nitrificazione alla temperatura di progetto, tss.

𝑡_𝑠𝑠= 𝑡_{𝑠𝑠,𝑎𝑒𝑟𝑜𝑏𝑖𝑐 𝑑𝑖𝑚}∙ 1

1 − (𝑉𝐷

𝑉𝐴𝑇

⁄ ) [𝑑]

4. Calcolare il fabbisogno giornaliero di ossigeno per la rimozione del BOD5, OUd,C.

𝑂𝑈_𝑑,𝐶= 𝐵_{𝑑,𝐵𝑂𝐷}∙ (0,56 + 0,15 ∙ 𝑡𝑠𝑠∙ 𝐹𝑇

1 + 0,17 ∙ 𝑡_𝑠𝑠∙ 𝐹_𝑇) [𝑘𝑔𝑂2/𝑑] Bd,BOD = Carico giornaliero di BOD5 in ingresso all’impianto di trattamento.

FT = coefficiente sulla temperatura per la respirazione endogena.

Il coefficiente sulla temperatura per la respirazione endogena FT si ricava con una relazione fornita dalle linee guida: 𝐹𝑇 = 1,072(𝑇−15)

67 𝑉_𝐷

𝑉_𝐴𝑇=

2,9 ∙ 𝑄_𝑑∙ 𝑆_{𝑁𝑂3,𝐷} 1000 ∙ 0,75 ∙ 𝑂𝑈_𝑑,𝐶

6. Ripartire quindi calcolando l’età del fango ed eseguendo nuovamente tutti i calcoli finché non si raggiungono due valori del rapporto VD/VAT uguali.

Conoscendo questi parametri, è possibile determinare il fattore di sicurezza (SF) con cui è stato eseguito il dimensionamento. Tale fattore permette di prendere in considerazione:

 le variazioni del tasso di crescita causate dalla presenza di alcune sostanze nelle acque reflue, le variazioni di temperatura a breve termine e i possibili cambiamenti di pH;  la concentrazione media di ammonio nell’effluente;

 l’effetto della variabilità dei carichi di azoto sulle variazioni di concentrazione di ammoniaca nell’effluente.

𝑆𝐹 = 𝑡𝑠𝑠,𝑎𝑒𝑟𝑜𝑏𝑖𝑐 𝑑𝑖𝑚

3,4 ∙ 1,103(15−𝑇𝑝𝑟𝑜𝑔𝑒𝑡𝑡𝑜)

Le ATV, basandosi sull’esperienza, raccomandano di adottare, per il dimensionamento di impianti municipali, valori del fattore di sicurezza pari a:

 1,8 per carichi di BOD5 in ingresso fino a 1.200 kg/d (circa 20.000 abitanti equivalenti) per

tenere conto delle maggiori fluttuazioni dei carichi in ingresso all’impianto;

 1,45 per carichi di BOD5 in ingresso maggiori di 6.000 kg/d (circa 100.000 abitanti

equivalenti).

Con questi parametri, le linee guida tedesche definiscono come ricavare la produzione di fango. La produzione di fanghi negli impianti a fanghi attivi è costituita dalla materia organica risultante dalla rimozione del BOD5 e da quella dovuta alla rimozione del fosforo.

𝑆𝑃_𝑑= 𝑆𝑃_𝑑,𝐶+ 𝑆𝑃_𝑑,𝑃 [𝑘𝑔/𝑑]

Per il calcolo della produzione di fango legata alla rimozione del BOD5, può essere usata la seguente

formula di natura empirica:

𝑆𝑃𝑑,𝐶 = 𝐵𝑑,𝐵𝑂𝐷∙ (0,75 + 0,6 ∙

𝑋_{𝑆𝑆,𝐼𝐴𝑇}

𝐶𝐵𝑂𝐷,𝐼𝐴𝑇−

(1 − 0,2) ∙ 0,17 ∙ 0,75 ∙ 𝑡_𝑠𝑠∙ 𝐹_𝑇

1 + 0,17 ∙ 𝑡𝑠𝑠∙ 𝐹𝑇 ) [𝑘𝑔/𝑑]

Bd,BOD = Carico giornaliero di BOD5 in ingresso all’impianto di trattamento.

FT = coefficiente sulla temperatura per la respirazione endogena.

XSS,IAT = concentrazione di solidi sospesi in ingresso ai trattamenti biologici.

CBOD,IAT = concentrazione di BOD5 in ingresso ai trattamenti biologici.

Per il calcolo della produzione di fango dalla rimozione del fosforo, è proposta una relazione che considera tre contributi: la produzione dovuta alla rimozione biologica e quella legata alla rimozione chimica mediante aggiunta di ferro e mediante alluminio.

𝑆𝑃_𝑑,𝑃 = 𝑄_𝑑∙(3 ∙ 𝑋𝑃,𝐵𝑖𝑜𝑃+ 6,8 ∙ 𝑋𝑃,𝑃𝑟𝑒𝑐,𝐹𝑒+ 5,3 ∙ 𝑋𝑃,𝑃𝑟𝑒𝑐,𝐴𝑙)

1000 [𝑘𝑔/𝑑]

XP,BioP = concentrazione del fosforo rimosso biologicamente.

XP,Prec,Fe = concentrazione del fosforo rimosso per precipitazione mediante aggiunta di ferro.

XP,Prec,Al = concentrazione del fosforo rimosso per precipitazione mediante aggiunta di alluminio.

La procedura proposta dalle ATV passa poi a descrivere come scegliere l’Indice di Volume del Fango (SVI) e la concentrazione di solidi all’interno delle vasche di aerazione, determinabile con esattezza solo dopo aver dimensionato il sedimentatore secondario.

68 Per l’Indice di Volume del Fango viene fornita una tabella (Tabella 15) in cui compaiono degli intervalli; è consigliabile scegliere un SVI che ricada all’interno di tali intervalli per considerare anche le condizioni più critiche di funzionamento dell’impianto.

Tipo di trattamento

SVI [l/kg]

Influenza delle acque reflue industriali/commerciali

Favorevole Sfavorevole

Senza nitrificazione 100-150 120-180

Con nitrificazione (e denitrificazione) 100-150 120-180

Stabilizzazione del fango 75-120 100-150

Tabella 15 Valutazione dell’Indice di Volume del Fango (German ATV)

Relativamente alla concentrazione dei solidi nelle vasche di aerazione, è fornito un grafico (Figura 25) da cui ricavare il valore di SSAT, avendo definito il valore di SVI e ipotizzando un valore sia per il

tempo di ispessimento del fango nel sedimentatore finale che per il rapporto di ricircolo dei fanghi e riuscire quindi a effettuare un predimensionamento perché il valore esatto di tale grandezza è ricavabile solo dopo aver correttamente dimensionato i trattamenti per la sedimentazione finale.

Figura 25 Valutazione approssimata della concentrazione di solidi sospesi nel reattore biologico dipendente dall’Indice di Volume del Fango (German ATV)

A questo punto è possibile definire il volume totale necessario delle vasche per i trattamenti biologici; per prima cosa le linee guida prescrivono di calcolare la massa totale di solidi sospesi nel reattore biologico (MSS,AT), dopodiché il volume vero e proprio di tutto il reattore (VAT).

𝑀_{𝑆𝑆,𝐴𝑇} = 𝑡_𝑠𝑠∙ 𝑆𝑃_𝑑 [𝑘𝑔]

𝑉_𝐴𝑇 =𝑀𝑆𝑆,𝐴𝑇

𝑆𝑆_𝐴𝑇 [𝑚3]

Conoscendo il volume totale del reattore e il rapporto tra il volume di denitrificazione e quello totale (VD/VAT), è possibile procedere con il calcolo dei volumi della denitrificazione e della

nitrificazione e, quindi, con la definizione delle dimensioni delle varie vasche previste.

Per il dimensionamento della vasca anaerobica per la rimozione biologica del fosforo, se prevista, le linee guida prescrivono di adottare un tempo di permanenza compreso tra 0,5 e 0,75 ore per la determinazione del volume necessario.

69 Relativamente all’aerazione delle vasche, dove necessaria, la procedura ATV non contempla il dimensionamento degli organi e degli impianti di aerazione, ma permette di determinare la domanda di ossigeno nelle vasche per poter poi scegliere l’impianto di aerazione più idoneo. La richiesta di ossigeno è costituita dal consumo di ossigeno per la rimozione del BOD5 (OUd,C), dal

consumo per la nitrificazione (OUd,N) e dall’ossigeno fornito dalla denitrificazione (OUd,D).

𝑂𝑈_𝑑,𝐶= 𝐵_{𝑑,𝐵𝑂𝐷}∙ (0,56 + 0,15 ∙ 𝑡𝑠𝑠∙ 𝐹𝑇 1 + 0,17 ∙ 𝑡_𝑠𝑠∙ 𝐹_𝑇) [𝑘𝑔𝑂2/𝑑] 𝑂𝑈_𝑑,𝑁= 𝑄_𝑑∙ 4,3 ∙(𝑆𝑁𝑂3,𝐷− 𝑆𝑁𝑂3,𝐼𝐴𝑇+ 𝑆𝑁𝑂3,𝐸𝑆𝑇) 1000 [𝑘𝑔𝑂2/𝑑] 𝑂𝑈_𝑑,𝐷 = 𝑄_𝑑∙ 2,9 ∙𝑆𝑁𝑂𝐸,𝐷 1000 [𝑘𝑔𝑂2/𝑑]

Per determinare la domanda di punta oraria di ossigeno devono essere eseguiti due calcoli usando la stessa relazione e ponendo, la prima volta, fC=1 e fN ≠1 e la seconda volta fC≠1 e fN=1; il valore

maggiore ottenuto nelle due condizioni è la domanda di punta oraria di ossigeno a cui fare riferimento.

𝑂𝑈_ℎ=𝑓𝐶∙ (𝑂𝑈𝑑,𝐶− 𝑂𝑈𝑑,𝐷) + 𝑓𝑁∙ 𝑂𝑈𝑑,𝑁

24 [𝑘𝑔𝑂2/ℎ]

La Tabella 16 indica quale valore scegliere per fC e fN in base all’età del fango e al carico totale di

BOD5 in ingresso all’impianto di trattamento.

Età del fango [d]

4 6 8 10 15 25

fC 1,3 1,25 1,2 1,2 1,15 1,1

fN per BOD≤1200kg/d - - - 2,5 2,0 1,5

fN per BOD≥6000kg/d - - 2,0 1,8 1,5 -

Tabella 16 Fattori di picco per il tasso di assorbimento di ossigeno (German ATV)

Conoscendo la domanda di punta oraria di ossigeno, è possibile determinare la portata di aria richiesta per la aerazione e quindi scegliere e dimensionare l’impianto di aerazione idoneo.