Per la depurazione biologica è stato optato per un sistema a fanghi attivi, composto da una vasca di nitrificazione e una di ossidazione (vedi figura 5.1), nelle quali avviene la depurazione, e da un sedimentatore, il quale è dotato di due uscite, una posta in alto, da cui esce acqua chiarificata e l’altra in basso, che rimanda indietro l’acqua ricca di batteri. Questo tipo di impianto seleziona i batteri che sono in grado di flocculare, ossia che riescono ad aggregarsi in fiocchi.
Figura 5.1: Vasche sistema a fanghi attivi
5.1) Dimensionamento delle vasche
Di fondamentale importanza è la rimozione dell’azoto in modo tale da avere 15 mg/L durante lo scarico.
I batteri autotrofi presenti nelle vasche faranno sì che lo ione ammonio si trasformi in nitrato NO3- con un processo chiamato nitrificazione. In una prima fase, la
nitritazione, i batteri nitrosomonas ossidano lo ione ammonio formando il nitrito, poi avviene la nitratazione nella quale i batteri nitrobacter lo trasformano in nitrato. Bisogna precisare che la nitratazione risulta più rapida della nitritazione.
Però lo ione nitrato è una forma stabile che non può essere ossidata, quindi è necessario attuare una denitrificazione in modo da rendere l’azoto gassoso, per poterlo espellere.
Di conseguenza la realizzazione di un sistema a fanghi attivi deve far sì che si creino i contesti idonei per il verificarsi di tali condizioni: nella vasca d’ossidazione avviene la nitrificazione, invece in quella anossica avviene la denitrificazione.
Vediamo nel dettaglio le due vasche.
5.1.1) Vasca Anossica
In questa vasca si ottiene la riduzione successiva di nitrati e nitriti ad azoto gassoso N2, infatti, nella vasca di ossidazione lo ione l’ammonio NH4+ viene ridotto in nitriti
e nitrati che devono essere trasformati in azoto gassoso che si libera in atmosfera; perciò è necessario un ricircolo in ingresso alla vasca di denitrificazione, dove, non essendo presente l’ossigeno, i batteri eterotrofi ossidano la sostanza organica utilizzando l’ossigeno presente nei nitrati come accettore di elettroni, permettendo lo svolgersi del processo.
La denitrificazione biologica comporta quindi una serie di stadi successivi, i quali, a partire dai nitrati, portano alla formazione di azoto gassoso come mostrato di seguito:
NO3- → NO2- → NO → N2O → N2(gas)
Inoltre, una parte della sostanza organica biodegradabile viene abbattuta e si aumenta la velocità di denitrificazione grazie al corretto apporto di BOD proveniente dal liquame in ingresso.
Il volume necessario per denitrificare il refluo in ingresso è ricavato in funzione della portata (Q), della velocità di denitrificazione (Vden) e della quantità di azoto da
𝑊𝑑𝑒𝑛 =
𝑄 · 𝑁𝑑𝑒𝑛 𝑉𝑑𝑒𝑛
Per quanto riguarda la velocità di denitrificazione essa è ottenuta dalla velocità standard a 20 °C, corretta attraverso un coefficiente che tiene conto della temperatura in impianto (viene presa la temperatura minima, ossia il caso più gravoso), la frazione di batteri nitrificanti e la concentrazione di solidi sospesi volatili:
𝑉𝑑𝑒𝑛 = 𝑉𝑑𝑒𝑛,20 · 1,123(𝑇−20)· 𝑀𝐿𝑉𝑆𝑆 · (1 − 𝐹 𝑛𝑖𝑡)
Dove:
𝑉𝑑𝑒𝑛,20= velocità di denitrificazione alla temperatura standard di 20°C 𝑉𝑑𝑒𝑛,20 = 0,2
𝑔𝑁𝑂 𝑔𝑀𝐿𝑉𝑆𝑆𝑑
𝐾 = 1,123(𝑇−20) fattore di correzione della temperatura
MLVSS = concentrazione solidi sospesi volatili, presa pari al 65% dei solidi sospesi (MLVSS= 0.65*3800= 2470 mg/L)
𝐹𝑛𝑖𝑡= frazione della biomassa nitrificata
Per vedere la distribuzione della biomassa nell’ impianto si confronta la crescita della massa autotrofa con quella eterotrofa, individuando quale frazione di biomassa totale sarà nitrificante
𝐹𝑛𝑖𝑡 = 1
1 + 𝑌′𝐸· (𝐵𝑖𝑛 − 𝐵𝑜𝑢𝑡− 𝐵𝑑𝑒𝑛)
𝑌′𝑁 · (𝑇𝐾𝑁𝑖𝑛− 𝑇𝐾𝑁𝑜𝑢𝑡 − 𝑇𝐾𝑁𝑏𝑎𝑡)
Si analizzino nel dettaglio i diversi termini:
- 𝐵𝑖𝑛= BOD in ingresso alla fase biologica
- 𝐵𝑜𝑢𝑡= 5mg/l, BOD in uscita dalla fase biologica (valore imposto da Normativa)
- 𝐵𝑑𝑒𝑛= BOD rimosso in fase di denitrificazione, ottenuto andando a moltiplicare l’azoto abbattuto per un coefficiente pari a 4.5
𝐵𝑑𝑒𝑛 = 4,5 · (𝑇𝐾𝑁𝑖𝑛 + 𝑁𝑂𝑖𝑛 − 𝑇𝐾𝑁𝑜𝑢𝑡− 𝑁𝑂𝑜𝑢𝑡 − 𝑇𝐾𝑁𝑏𝑎𝑡) - 𝑇𝐾𝑁𝑖𝑛= somma di azoto organico, particolato e ammoniacale in
ingresso alla fase biologica. Per la sua determinazione bisogna tenere conto del ricircolo dalla linea fanghi, visto che il surnatante tornando indietro porta con sé grandi quantitativi di azoto, di conseguenza si aumenta di un 10% l’azoto in ingresso
𝑇𝐾𝑁𝑖𝑛 = (𝑇𝐾𝑁 + 0,1 · 𝑇𝐾𝑁)
- 𝑇𝐾𝑁𝑜𝑢𝑡= somma di azoto organico, particolato e ammoniacale in uscita dalla fase biologica, fissato in modo da rispettare i limiti normativi
𝑇𝐾𝑁𝑜𝑢𝑡 = 2
𝑚𝑔 𝑙
- 𝑇𝐾𝑁𝑏𝑎𝑡= azoto rimosso per sintesi batterica, si considera il 5% del BOD abbattuto in fase biologica
- 𝑁𝑂𝑖𝑛= azoto ossidato in ingresso, imposto pari a 𝑁𝑂𝑖𝑛 = 0
𝑚𝑔 𝑙
- 𝑁𝑂𝑜𝑢𝑡= azoto ossidato in uscita, determinato andando a sottrarre al limite di legge di 15 mg/L il valore del TKNout
𝑁𝑂𝑜𝑢𝑡 = 15 − 𝑇𝐾𝑁𝑜𝑢𝑡 = 13
𝑚𝑔 𝑙
- 𝑌′𝐸= costante cinetica, pari a
𝑌′𝐸 = 0,166 𝑔 𝑔
Rappresenta il coefficiente di crescita della biomassa autotrofa e indica che per ogni grammo di azoto consumato vengono prodotti
0,166 g di biomassa autotrofa - 𝑌′𝑁= costante cinetica, pari a
𝑌′𝑁 = 0,5 𝑔 𝑔
Rappresenta il coefficiente di crescita della biomassa eterotrofa e Indica che per ogni grammo di BOD consumato vengono prodotti
0,5 g di biomassa
Per quanto concerne la determinazione dell’azoto da denitrificare esso è pari a: 𝑁𝑑𝑒𝑛 = 𝑁𝑛𝑖𝑡 + 𝑁𝑂𝑖𝑛 − 𝑁𝑂𝑜𝑢𝑡
Ottenuto il volume della vasca anossica esso deve essere minore di quello a disposizione pari a 794 m3 in modo che tale valore sia idoneo per adempiere ad un corretto funzionamento della sezione.
Questa verifica per completezza è stata effettuata in due casi diversi CASO A: INVERNO
Di seguito sono riportati i valori ottenuti per misurazioni dirette negli ultimi 2 anni e mezzo INVERNO Q [m^3/die] 4193,333 BOD5 [mg/l] 335,8 COD [mg/l] 710 Ntot [mg/l] 62 P [mg/l] 8,56 Tabella 5.1: Dati registrati in inverno negli ultimi 2 anni e mezzo
Inserendo questi dati di ingresso nelle formule per il dimensionamento della vasca di denitrificazione si ottengo i risultati visibili nella tabella che segue
PARAMETRI SIMBOLO VALORI UNITÀ DI MISURA
Vel. denitrificazione a 20 °C Vden,20 0,2 gNO/gMLSSV·d
Coeff correzione temperatura K 0,47 °C-1
Temperatura liquame Tmin 13,5 °C
SSV presenti in vasca MLSSV 2470 mg/L Frazione batteri nitrificanti Fnit 9,04 % Costante cinetica ye' 0,5 g/g Costante cinetica yn' 0,166 g/g Vel. di denitrificazione a TPROG. Vden 211,39 mg/L·d
Azoto da denitrificare Nden 36,66 mg/L
Da questi risultati si evince che il volume disponibile soddisfa le esigenze dal momento che:
727 m3 < 794 m3
CASO B: ESTATE
Di seguito sono riportati i valori ottenuti per misurazioni dirette negli ultimi 2 anni e mezzo ESTATE Q [m^3/die] 3872,53 BOD5 [mg/l] 561 COD [mg/l] 1222 Ntot [mg/l] 76 P [mg/l] 10,8
Tabella 5.3: Dati registrati in estate negli ultimi 2 anni e mezzo
Siccome le concentrazioni massime sono state registrate in Estate, per la temperatura si considera un valore di 16,5 °C e non di 13,5 °C come nel caso precedente.
Inserendo questi dati di ingresso nelle formule per il dimensionamento della vasca di denitrificazione si ottengo i risultati visibili nella tabella che segue
PARAMETRI SIMBOLO VALORI UNITÀ DI MISURA
Vel. denitrificazione a 20 °C Vden,20 0,2 gNO/gMLSSV·d
Coeff correzione temperatura K 0,67 °C-1
Temperatura liquame Tmin 16,5 °C
SSV presenti in vasca MLSSV 2470 mg/L Frazione batteri nitrificanti Fnit 4,58 % Costante cinetica ye' 0,5 g/g Costante cinetica yn' 0,166 g/g Vel. di denitrificazione a TPROG. Vden 314,09 mg/L·d
Azoto da denitrificare Nden 40,8 mg/L
Vol. tot vasche denitrificazione Wden 503,04 m3
Tabella 5.4: Parametri di dimensionamento vasca anossica (estate)
Da questi risultati si evince che il volume disponibile soddisfa le esigenze dal momento che:
503 m3 < 794 m3
5.1.2) Vasca di ossidazione
La vasca di areazione completamente miscelata può essere ben assimilata a un reattore continuo ideale completamente miscelato con ricircolo delle cellule, mentre la cinetica della relazione di rimozione del BOD segue abbastanza bene la cinetica di Monod.
Tale vasca ha come funzione prima quella di rimuovere il BOD in ingresso grazie all’azione di microrganismi aerobici. Il processo si svolge tramite le seguenti fasi:
sospesi è detto flocculazione. L’adsorbimento è una proprietà chimico-fisica che permette un’azione adsorbente nel confronto di composti organici in soluzione;
Idrolisi enzimatica: fase che permette la demolizione enzimatica extracellulare dei composti organici complessi per trasformarli in molecole più piccole; Assorbimento: Le molecole organiche e nutrienti inorganici passano
all’interno delle cellule per essere metabolizzate;
Ossidazione biologica: Permette la crescita di nuove cellule e la degradazione biologica del materiale organico inquinante con produzione di sottoprodotti quali CO2, H2O, NO3-
Autossidazione e autolisi: Estendendo l’areazione le cellule utilizzano il materiale di riserva, composto da carbonio endogeno per sopravvivere. Una volta esaurita ogni fonte di alimentazione avviene l’autolisi, ossia un processo biologico attraverso il quale la cellula si autodistrugge (cioè "digerisce" se stessa) per cui le cellule muoiono e avviene la degradazione naturale delle cellule che rilasciano BOD, il quale diventa nutrimento per i batteri rimanenti.
Inoltre, nella vasca di ossidazione avviene anche il processo di nitrificazione, ossia la trasformazione dello ione ammonio NH4+ in ione nitrato NO3-. Questa reazione è
catalizzata dai batteri Nitrosomonas e Nitrobacter che utilizzano lo ione ammonio come agente riducente il quale viene ossidato tramite ossigeno, dando luogo prima alla formazione di nitrito (Nitrosomonas) e poi alla formazione di nitrato (Nitrobacter).
- Nitritazione, attuata dai batteri Nitrosomonas: NH4+ + 1,5 O2 → 2H+ + H2O + NO2-
- Nitratazione (ossidazione dei nitriti a nitrati), attuata dai batteri Nitrobacter: NO2- + 0,5 O2 → NO3-
Nitritazione + Nitratazione= Nitrificazione, in formule otteniamo: NH4+ + 2O2 → 2H+ + H2O + NO3-
La reazione di nitrificazione avviene mediante insufflazione dei corretti quantitativi di aria attraverso una batteria di diffusori disposti sul fondo della vasca.
Il parametro fondamentale per la progettazione e dimensionamento della vasca è il carico del fango Cf, ossia la quantità di sostanza organica applicata alla vasca
(espressa come KgBOD5/d) per unità di peso del fango attivo (espresso come Kg
MLSS).
Per Cf < 0.1 KgBOD5/KgMLSS·d si ottengono elevati rendimenti di rimozione del
BOD e dell'azoto ammoniacale presenti ed inoltre favoriscono la completa mineralizzazione del fango attivo presente in vasca.
Il processo di nitrificazione viene influenzato da numerosi fattori ambientali, quali il pH, la presenza di sostanze tossiche e di metalli, la concentrazione di ammoniaca libera. Il fattore più critico è il pH, a causa delle possibili oscillazioni del livello di azoto.
La nitrificazione del liquame è possibile quando l’età del fango θC in vasca di
aerazione è sufficientemente elevata da permettere lo sviluppo dei batteri nitrificanti.
Infatti, se si ha età del fango minima, la concentrazione di substrato iniziale è pari alla finale per cui il Cf tende a infinito e l’impianto non funziona.
Il volume necessario per nitrificare il refluo in ingresso è ricavato in funzione della portata (Q), della velocità di nitrificazione (Vnit) e della concentrazione di batteri da
nitrificare (Nnit), secondo la seguente relazione:
𝑊𝑛𝑖𝑡 =𝑄 · 𝑁𝑛𝑖𝑡 𝑉𝑛𝑖𝑡
La concentrazione di batteri da nitrificare si determina sottraendo al’azoto in ingresso quello che esce e quello che viene rimosso per sintesi batterica:
𝑁𝑛𝑖𝑡 = 𝑇𝐾𝑁𝑖𝑛− 𝑇𝐾𝑁𝑜𝑢𝑡− 𝑇𝐾𝑁𝑏𝑎𝑡
Invece per quanto riguarda la velocità di nitrificazione essa rappresenta i grammi di TKN che vengono nitrificati al giorno per m3 e viene ricavata come segue:
𝑉𝑛𝑖𝑡 =𝜇𝑁𝑒𝑓𝑓
𝑌′𝑁 · 𝑀𝐿𝑉𝑆𝑆 · 𝐹𝑛𝑖𝑡
Dove:
𝜇𝑁𝑒𝑓𝑓= velocità di crescita effettiva della biomassa nitrificante (formula di Monod)
𝜇𝑁𝑒𝑓𝑓 = 𝜇′𝑛· 𝑇𝐾𝑁𝑜𝑢𝑡 𝐾′𝑛+ 𝑇𝐾𝑁𝑜𝑢𝑡 ·
𝐷𝑂 𝐾𝐷𝑂 + 𝐷𝑂 In essa si distingue il termine 𝐷𝑂
𝐾𝐷𝑂+𝐷𝑂, ossia rappresenta il fattore di
riduzione che dipende dalla concentrazione di ossigeno disciolto, la
quale è stata presa da letteratura pari a 2 mg/L, e dalla costante di semivelocità dell’O2, pari a 1 mg/L.
Inoltre nella formula è presente una costante di semivelocità (𝐾′𝑛𝑖𝑡 = 1,123(𝑇−20)) e la massima velocità di crescita dei batteri
nitrificanti a 20°C (𝜇′𝑛𝑖𝑡 = 0,4 ∗ 1,123(𝑇−20)).
Ottenuto il volume della vasca d’ossidazione esso deve essere minore di quello a disposizione pari a 1668 m3 in modo che tale valore soia idoneo per adempiere ad un
corretto funzionamento della sezione.
Come nel caso della vasca anossica questa verifica, per completezza, è stata effettuata in due casi diversi:
CASO A: INVERNO
Utilizzando i dati in ingresso come descritto sopra si giunge hai seguenti risultati:
PARAMETRI SIMBOLO VALORI UNITÀ DI MISURA
Cost. Semivelocità k'nit 0,47 d-1 Cost. semisaturazione O2 disciolto KDO 1 mg/l
Conc. Ossigeno disciolto DO 2 mg/l Velocità di crescita effettiva μNeff 0,1 d-1
Velocità di nitrificazione VNIT 136,82 g/m3·d
Conc.batteri da nitrificare Nnit 49,66 mg/l Volume tot vasche di nitrificazione Wnit 1522,02 m3
Tabella 5.5: Parametri di dimensionamento vasca aerobica (inverno)
Da questi risultati si evince che il volume disponibile soddisfa le esigenze dal momento che:
CASO B: ESTATE
Utilizzando i dati in ingresso come descritto sopra si giunge hai seguenti risultati:
PARAMETRI SIMBOLO VALORI UNITÀ DI MISURA
Cost. Semivelocità k'nit 0,67 d-1 Cost. semisaturazione O2 disciolto KDO 1 mg/l
Conc. Ossigeno disciolto DO 2 mg/l Velocità di crescita effettiva μNeff 0,13 d-1
Velocità di nitrificazione VNIT 90,76 g/m3·d
Conc.batteri da nitrificare Nnit 53,8 mg/l Volume tot vasche di nitrificazione Wnit 1606,6 m3
Tabella 5.6: Parametri di dimensionamento vasca aerobica (estate)
Anche qui si nota che il volume disponibile è maggiore di quello necessario e quindi la verifica risulta soddisfatta
1607 m3 < 1668 m3
Di seguito sono riportati i parametri di funzionamento dell’impianto. Carico del fango, ossia i grammi di BOD su unità di batteri
𝐶𝐹 =
𝐵𝑖𝑛 · 𝑄 𝑋 · 𝑊𝑇𝑂𝑇
Dove per Wtot si intende la somma fra il volume della vasca di ossidazione e il volume di quella di denitrificazione.
Rendimento di rimozione del BOD
𝜂 = 1
1 + 0,2 · √𝐶𝐹
Produzione fango di supero, ossia i grammi di supero prodotti al giorno ∆𝑉𝑆𝑆 = (1,2 − 0,28 · 𝐶𝐹) · (0,75 − 0,05
𝐶𝐹 · 𝜂) · 𝑄 · 𝐵𝑖𝑛 · 𝜂 Portata di fango di supero da estrarre
𝑄𝑆 =
∆𝑉𝑆𝑆 8000 · 0,65
Dove 8000 g/m3 è la concentrazione di solidi sospesi totali presenti nei
fanghi di ricircolo, di questi si considerano solo quelli volatili che sono il 65%
Età del fango, tempo medio di permanenza della biomassa nell’impianto
𝜃𝑐 =
𝑊𝑇𝑂𝑇· 𝑀𝐿𝑆𝑆
∆𝑉𝑆𝑆
Tempo di permanenza idraulico
𝑇𝑖𝑑𝑟 =
𝑊𝑇𝑂𝑇
Questi parametri operativi sono stati calcolati sia nel caso A) sia nel caso B), nella tabella sono riportati i valori in dettaglio
Tabella 5.7: Parametri operativi
In figura 5.2 e 5.3 è possibile osservare la sezione e la planimetria delle due
vasche, per maggior dettagli vedere tavola 2 allegata.
Figura 5.2: Sezione vasche
PARAMETRI SIMBOLO INVERNO ESTATE UNITÀ DI MISURA
Carico del fango CF 0,15 0,16 d-1
Rendimento di rimozione del
BOD η' 0,93 0,92 numero
Produzione fango di supero ΔVSS 593,13 678,32 KgVSS/d Portata di supero giornaliera Qs 114,06 130,45 m3/d
Età del fango θc 15,77 13,79 d Tempo di permanenza idraulico Tidr 14,09 21,80 h
Figura 5.3: Planimetria vasche
5.2) Verifica di wash-out della biomassa
nitrificante
Per far avvenire la nitrificazione è necessario che la velocità di crescita batterica, misurata solo nel comparto aerobico, sia maggiore della velocità di decadimento, misurata in entrambe le vasche.
𝑊𝑑𝑒𝑛+ 𝑊𝑎𝑛𝑎𝑒𝑟𝑜𝑏𝑖𝑐𝑜
Dove 𝑏𝑁 è il fattore di decadimento della biomassa nitrificante
𝑏𝑁 = 0,04 · 1,029(𝑇−20) [d-1]
La verifica è soddisfatta in entrambi i casi: CASO A) si ottiene 0,322 < 1,160
CASO B) si ottiene 0,322 < 1,136
5.3) Dimensionamento ricircolo
Per determinare la portata di ricircolo Qr è necessario effettuare un bilancio della biomassa entrante e uscente dal sedimentatore (figura 5.2)
In ingresso è presente una portata Q+Qr, mentre in uscita si avranno due portate una
Q-Qs e l’altra Qr+Qs, però considerando che Qs è molto minore rispetto a Qr può
essere trascurata e quindi si ottiene che: 𝑅 =𝑄𝑟
𝑄 =
𝑇𝑆𝑆 𝑇𝑆𝑆𝑅 − 𝑇𝑆𝑆
Figura 5.4: Bilancio della biomassa nel sedimentatore
Dove:
TSS è la concentrazione in arrivo al sedimentatore presa da normativa pari a 3500 mg/L
TSSR è la concentrazione che si estrae dal sedimentatore presa da normativa pari a 8000 mg/L
Siccome lo schema di nitro-denitro è il seguente (figura 5.3) sarà presente anche il ricircolo della miscela areata
𝐼𝑅 =𝑄𝑀𝐿 𝑄 =
𝑁𝑛𝑖𝑡
𝑁𝑂𝑜𝑢𝑡 − 1 − 𝑅
Figura 5.5: Schema ricircoli
I due ricircoli sono stati calcolati in entrambi i casi analizzati CASO A) CASO B) R = 0,78 R = 0,78
Qr = 3261,5 m3/d Qr = 2108,1 m3/d
IR = 2,04 IR = 2,36
Qml = 8563,7 m3/d Qml = 6398,5 m3/d
La regolazione della portata di ricircolo di un impianto è un’operazione fondamentale perché consente di far fronte temporaneamente ad un peggioramento delle caratteristiche di sedimentazione del fango, queste dipendono dai cambiamenti di temperatura e quindi dai cambi di stagione.
Ad esempio in Estate con un innalzamento della temperatura si modificano le caratteristiche del fango ottenendo un peggioramento della sedimentazione.
6) Relazione descrittiva intervento
6.1) Dimensionamento sistema d’aerazione
L’ossigeno richiesto nella vasca di ossidazione è fornito da dei diffusori d’aria costituiti da candele ceramiche porose nelle quali entra un tubo che fa fuoriuscire aria e alimentato da una soffiante esterna.
Per determinare quante candele servono e per il dimensionamento della soffiante occorre tener conto di quanto O2 viene effettivamente scambiato dall’aria che viene
insufflata.
Ogni diffusore è legato ad un diagramma che stabilisce quale è il rendimento di somministrazione dell’ossigeno; tali diagrammi vengono determinati con prove sperimentali realizzati in condizioni standard a T=20°C e in acqua pulita a pressione atmosferica.
Poiché nella realtà non si hanno condizioni standard si ottiene l’equivalente del fabbisogno di O2 calcolato in CS.
Di seguito si riporta il dimensionamento nel dettaglio.
6.1.1) Diffusori
Come detto precedentemente è necessario determinare il fabbisogno d’ossigeno: 𝐹𝐷𝑂 = 𝐶𝑃· 𝑄 · (𝛼′· 𝐵𝑂𝐷
𝑛𝑖𝑡 + 4,57 · 𝑁𝑛𝑖𝑡) + 𝛽′· 𝑋 · 𝑊𝑛𝑖𝑡
Dove:
𝐵𝑂𝐷𝑛𝑖𝑡= consumo di ossigeno necessario per ossidare il BOD
𝐵𝑂𝐷𝑜𝑢𝑡 uscente dalla fase biologica
𝐵𝑂𝐷𝑜𝑢𝑡 = 𝐵𝑂𝐷𝑖𝑛 − 𝐵𝑂𝐷𝑖𝑛 · 𝜂
𝐵𝑂𝐷𝑑𝑒𝑛= BOD consumato in fase di denitrificazione a spese dei nitrati
K= coefficiente di punta, pari a 1,7, determinato in funzione del carico del fango
𝛼′= 0,5 𝑘𝑔 𝑂2 𝑘𝑔 𝐵𝑂𝐷5 ⁄ 𝛽′=0,108 𝑘𝑔 𝑂2 𝑘𝑔 𝑆𝑆𝑉 · 𝑑 ⁄
A questo punto si determina il fabbisogno d’ossigeno in condizioni standard: 𝐹𝐷𝑂,𝐶−𝑆 = 𝐹𝐷𝑂
1,024(𝑇−20) · (𝐶𝑠 − 𝐶)𝑇
(𝐶𝑠 − 𝐶)𝐶𝑆 · 𝜙 Dove:
T= temperatura massima presente in impianto, è il caso peggiore (Cs-C)cs= 9,17 mg/L
C= concentrazione di esercizo dell’ossigeno= 2 mg/L
𝐶𝑆 = 𝛽 ∙ (14.6 ∙ 0.36𝑡 + 0.0045 ∙ 𝑡2), con 𝛽=1 perché salinità
Se il conto è stato fatto correttamente deve risultare che 𝐹𝐷𝑂,𝐶−𝑆 = 1,6 𝐹𝐷𝑂
Il passo successivo è quello di calcolare la portata d’aria necessaria 𝑄𝑎𝑟𝑖𝑎,𝐶−𝑆 = 𝐹𝐷𝑂−𝐶𝑆
𝑠𝑜𝑡𝑒 · 0,28𝑘𝑔𝑂2
𝑁𝑚3 · 24
Con sote si intende il rendimento, dipende dal tipo di diffusore scelto ed è fornito da catalogo in funzione dei metri di immersione. Per il progetto sono stati scelti dei diffusori Sanitaire Serie Gold, qui sotto, in figura 6.1, se ne riportano le caratteristiche.
Fissata la portata d’aria che ciascun diffusore può immettere (z) si ricava il numero di diffusori che servono:
𝑁°𝑑𝑖𝑓𝑓𝑢𝑠𝑜𝑟𝑖 = 𝑄𝑎𝑟𝑖𝑎,𝐶𝑆 𝑧
Tali calcoli sono stati effettuati solo nel caso B) Estate, perché in questo caso si ha il carico organico massimo. Nella tabella 6.1 vengono riportati i valori ottenuti.
PARAMETRI SIMBOLO ESTATE UNITÀ DI MISURA
Consumo di O2 per ossidare il BOD BODnit 335,54 g/m3
Coeff cinetico 1 α' 0,50 KgO2/KgBOD Coeff cinetico 2 β' 0,16 KgO2/KgSSV·d
Coeff. θ 1,08 numero
Coeff. di punta Cp 1,7 numero
Fabbisogno di ossigeno della biomassa FDO 2911,76 Kg/d
Conc di saturazione O2- conc effettiva
O2 in cond. Standard (Cs-C)C-S 9,17 mg/l Fattore in funzione della salinità β 1,00 numero Concentrazione di saturazione O2 Cs 8,28 mg/l Concentrazione O2 effettiva C 2,00 mg/l Fabbisogno di ossigeno in cond
standard FDO,C-S 4608,26 Kg/d
Coeff. di conversione φ 0,80 numero Rendimento di ossidaz. Diffusori in
cond. Standard η (SOTE) 28,7 %
Profondità di riferimento dei diffusori zRIF 4,10 m
Portata d'aria in condizioni standard C-S QARIA C-S 2389,39 Nm3/h
Portata d'aria garantita da un singolo
diffusore QARIA,DIFF 7,00 Nm3/h Numero diffusori da installare in vasca
Come è possibile notare sono necessari 342 diffusori.
Nella tavola 3 allegata è possibile vedere i tipologici dei piattelli, in dettaglio.
6.1.2) Soffiante
Per dimensionare la soffiante è opportuno andare a calcolare la sua potenza: 𝑃 =29,97·𝑛·𝑒𝑊·𝑅·𝑇 · [(𝑃2
𝑃1)
0,283
− 1] [KW] Dove:
R= 8,314 KJ/Kmole/°K, è la costante dei gas;
W, il flusso d’aria in massa [kg/sec], fissata la densità dell’aria pari a 1,205 Kg/m3, W= 𝑄𝑎𝑟𝑖𝑎,𝐶𝑆·𝜌
3600 ;
T, la temperatura in ingresso espressa in °K;
P1, pressione assoluta in ingresso pari alla pressione atmosferico;
P2, pressione assoluta in uscita dalla soffiante, ottenuta considerando la
pressione alla profondità della vasca più 1 metro per tener conto delle perdite nelle condotte;
Di seguito si riportano i risultati, anche effettuati solo nel caso B) per lo stesso motivo.
PARAMETRI SIMBOLO ESTATE UNITÀ DI MISURA
Costante dei gas R
Temperatura in ingresso (K) T 299 °K Densità aria ρaria 1,205 Kg/m3
Coeff. n 0,283 numero
Efficienza soffiante e 0,80 numero Pressione assoluta in ingresso
(patm) della soffiante p1 101300 N/m2 Pressione assoluta in uscita dalla
soffiante p2 152300 N/m
2
Flusso d'aria in massa W 0,8 Kg/s Potenza della soffiante P 37,09 KW
Tabella 6.2: Parametri dimensionamento soffiante
Per il progetto si è stato optato per 3 Turbosoffianti TurboLIGHT della Sanitaire (2+1 di riserva), come quella in figura 6.2.
Di seguito se ne riportano le caratteristiche e la mappa delle prestazioni
6.2) Edificio soffianti
L’edificio ha forma rettangolare di dimensioni in pianta di 9,60x5,60 m ed altezza interna di 3,00 m. E’ costituito da un unico ambiente all’interno del quale verranno posizionati i compressori. Dotato di un solo accesso costituito da un portone di dimensioni 2,00x2,50 m, inoltre sono presenti due finestre di dimensioni 1,50x1,50 m. Per dettagli vedi tavola 4 allegata.
6.3) Pompe
Per garantire il sollevamento del liquame proveniente dalla rete fognaria si è ritenuto opportuno l’impiego di pompe centrifughe sommergibili. Siccome anche con la sezione a biorulli erano presenti pompe è stato deciso di riutilizzare quest’ultime, quindi è necessaria una verifica che dimostri l’idoneità delle pompe in impianto. Sono già presenti due pompe che lavorano una indipendentemente dall’altra, quindi occorrerà individuare la portata massima in arrivo alle vasche e dividerla per due in modo da distribuirla alle due linee.
A questo punto si va a trovare la curva caratteristica dell’impianto considerando tutte le perdite presenti, che nella fattispecie sono:
Perdita dovuta all’imbocco ΔH = 0,5 ∗𝑣2
2𝑔
Perdita dovuta allo sbocco ΔH = 𝑣2
2𝑔
Perdite dovute alle curve ΔH = 0,2 𝑣2
2𝑔
Perdite dovute ad allargamenti della tubazione ΔH =(𝑣1−𝑣2)2
2𝑔
Perdite distribuite nella condotta ΔH =10,29 ∗ 𝑄2∗ 𝐿
𝐾2∗ 𝐷𝑁16/3 , dove K=90 per materiali
plastici
Mettendo in relazione la prevalenza trovata con le perdite e la portata è semplice ricavare la curva caratteristica dell’impianto, mostrata in figura 6.5.
Figura 6.5: Curva caratteristica impianto
Sapendo che in impianto sono utilizzate le pompe Flygt NP 3171HT3 451, aventi le seguenti caratteristiche geometriche:
Da manuale viene fornita la curva della pompa e ottenuta questa è possibile verificare che la pompa è sufficiente per la portata da sollevare, visto che le due curve si intersecano (figura 6.7)
Figura 6.7: Intersezione fra curva caratteristica pompa e impianto
Per regolare la portata saranno poi necessarie delle valvole, analizzate nel paragrafo successivo
6.4) Valvole
Nell’impianto sono state utilizzate 2 tipologie di valvole, le valvole a clapet di fine