Capitolo 10

Capitolo 10

RISULTATI DEGLI ANALISI E SPERIMENTAZIONE

Introduzione

I risultati degli analisi si sono ottenuti tenendo in osservazione l’impianto per un periodo di tempo che va dal 12 settembre 2005 al 7 novembre 2005.

In questo lasso di tempo si sono alternate varie sperimentazioni per vedere come reagiva il sistema. Si è cercato di mettere a regime tutte le fasi per arrivare alla qualità di acqua richiesta, come da progetto.

Devo segnalare che per motivi già elencati in questa tesi di laurea, ad oggi l’acqua proveniente dal depuratore di Cecina non raggiunge l’impianto ARETUSA.

Comunque si è simulato l’andamento dell’impianto facendo, funzionare solo una linea e quindi metà trattamenti, in modo da poter verificare il funzionamento del sistema come se fosse a portate reali.

Nel dettaglio vedremo come sulla base delle analisi rilevate, si è cercato, oltre al perfetto funzionamento, di ridurre il più possibile l’utilizzo dei reagenti e l’aria insufflata.

10.1 Ammoniaca

Il processo di abbattimento dell’ammoniaca si svolge quasi esclusivamente all’interno dei filtri biologici.

Il carbone attivo presente serve da supporto per lo sviluppo di microrganismi responsabili del processo di demolizione dell’ammoniaca. Per avere un adeguato abbattimento riveste una grande importanza l’insufflazione di aria nel letto.

Infatti una bassa quantità di aria innesca fenomeni anossici che compromettono il funzionamento del filtro; d’altro canto una eccessiva immissione comporta una durata del carbone ridotta e un conseguente aumento dei costi per il mantenimento dello stesso.

Analizzando il Grafico 2 e relazionandolo al tempo e alle modifiche operate è possibile dire quanto segue:

Nel periodo che va dall’inizio al giorno 29 settembre 2005 l’impianto ha funzionato con una quantità di acqua ricircolata pari al 30% con massimi del 40%, inoltre durante i fine settimana, si aveva lo spegnimento e la successiva riaccenzione al lunedì. Il funzionamento con ricircolo implica dei livelli di ammoniaca più bassi nella vasca di equalizzazione in quanto una parte di acqua affluente alla vasca risulta già trattata.

Successivamente il ricircolo di acqua è stato interrotto e l’impianto non ha più subito fermate. Da questo momento, si è notato che nella vasca di equalizzazione il livello di ammoniaca è prossimo a quello in entrata e talvolta è anche più alto (mediamente 1 mg/l). Nella vasca infatti non è presente una sufficiente quantità di aria insufflata ed una sufficiente quantità di massa biologica per garantire un inizio del processo di nitrificazione e quindi non si hanno sostanziali modifiche del contenuto di ammoniaca. La funzione della vasca è quella di equalizzare la portata in arrivo e può accadere che l’acqua in arrivo al momento del prelievo presenti una qualità migliore di quella stoccata nella vasca durante le ore precedenti. La vasca comunque svolge la sua funzione di equalizzazione e di

omogeneizzazione andando a smorzare le punte di inquinanti.

Per quanto riguarda l’insufflazione di aria, fino al giorno 20 ottobre 2005 la

portata introdotta è stata di 300m3_{/h e l’abbattimento è stato molto efficace, fino a}

12mg/l di concentrazione nel refluo in ingresso.

abbattimento % ammoniaca -20 40 60 80 100 120

05-set 10-set 15-set 20-set 25-set 30-set 05-ott 10-ott 15-ott 20-ott 25-ott 30-ott

Grafico 1 - % di abbattimento dell'Ammoniaca.

Nel Grafico 1 sono riportati gli abbattimenti percentuali del contenuto di ammoniaca registrati nel periodo settembre-ottobre. In questo periodo il processo è risultato efficace per gran parte del tempo con abbattimenti quasi sempre

superiori all’80% ed in alcuni periodi superiori al 99% anche in modo continuativo (13-25 ottobre).

Ammoniaca

05-set 15-set 25-set 05-ott 15-ott 25-ott 04-nov 14-nov

Tempo

mg

/l

Grafico 2 - Andamento dell'Ammonica nell'impianto ARETUSA.

Sono state quindi effettuate alcune prove per verificare le risposte del sistema. Il 21 ottobre, riferendosi sempre al Grafico 2, è stato portato il flusso di aria a 100

m3_{/h e l’abbattimento è risultato comunque ottimo anche con carichi in entrata}

alti. In questo modo, oltre a ridurre l’usura del carbone, anche l’utilizzo dei compressori è stato ridotto e quindi è stato possibile operare risparmi di energia elettrica.

Il 25 ottobre 2005 si è operata un’ulteriore riduzione fino ad una portata d’aria a

60 m3_{/h. L’abbattimento è calato fino a 2 mg/l che comunque è un livello ancora}

accettabile considerando l’uscita richiesta (<10mg/l). Per non rimanere troppo nei limiti e per prevenire punte di carico, la portata d’aria è stata riportata a valori di

110 m3_{/h. In questo modo l’abbattimento è comunque molto alto (fino a 18 mg/l)}

con un buon compromesso per quanto riguarda i consumi.

Risulta quindi di fondamentale importanza per il corretto funzionamento dell’impianto la portata di aria fornita al processo biologico che andrà quindi monitorato con attenzione al fine di procedere alla regolazione della portata di aria richiesta in funzione della qualità del refluo in arrivo e della quantità di acqua richiesta.

10.2 Torbidità

La riduzione della torbidità e dei solidi sospesi è operata da vari trattamenti.

Per primo la flocculazione che crea i presupposti per l’aggregazione delle sostanze sospese anche in forma colloidale favorendone la precipitazione. Successivamente alla formazione del fiocco si arriva nella zona di chiarificazione dove avviene la sedimentazione ed il conseguente abbattimento della maggior parte della torbidità con percentuali per gran parte del tempo superiori al 50% e con punte di abbattimento superiori all’80%.

Nei filtri a sabbia avviene un’ulteriore rimozione dei solidi sospesi al fine di evitare che questi possano andare ad intasare i filtri biologici o comunque per ridurre al minimo l’apporto di solidi sospesi e sostanze organiche ai filtri biologici. Successivamente nei filtri biologici avviene l’abbattimento delle sostanze biodegradabili ancora presenti mediante una concomitanza di fenomeni di adsorbimento e di fenomeni di biodegradazione.

Dal grafico nella pagina successiva è possibile notare le varie fasi sopra citate e seguire il processo.

Il ricircolo effettuato fino al 30 settembre 2005, in questo caso, non ha apportato significativi vantaggi per quanto riguarda la chiarificazione.

La sperimentazione ha riguardato il dosaggio del Policloruro di alluminio (PAC), del Polielettrolita e della quantità di fanghi da ricircolare. Inoltre è stata effettuata una simulazione per quanto riguarda le portate, infatti dal 25 settembre al 10 ottobre 2005, quando era in funzione solamente metà impianto, questo (sia nel periodo con ricircolo che senza) non ha manifestato alcun cambiamento per quanto riguarda la torbidità in uscita dall’impianto.

Fino al 17 ottobre la quantità di fanghi ricircolata è stata di 9 m3_{/h, il PAC è stato}

dosato nella misura di 20 mg/l e il Polielettrolita 1mg/l. In questo caso l’abbattimento dalla vasca di equalizzazione all’uscita pacchi lamellari arrivava fino a 10 NTU.

I fanghi sono stati aumentati fino a 11 m3_{/h e il polielettrolita, solo nella giornata}

del 20 ottobre, fino a 1,2 mg/l. L’aumento del reagente si è dimostrato controproducente (5% di abbattimento), mentre l’uso dei fanghi è stato positivo. Così, mentre i fanghi di ricircolo sono rimasti con queste portate, il polielettrolita è stato ridotto fino a 0,5 mg/l con un abbattimento minimo, misurato dall’entrata all’uscita dei pacchi lamellari, di oltre 1NTU e massimo di oltre 4 NTU.

In generale si è comunque riscontrata la grossa importanza del controllo del processo di coagulazione-flocculazione ai fini del rendimento di abbattimento della torbidità in quanto un non ottimale funzionamento di questa parte del processo impedisce l’ottenimento di buone rese di abbattimento, in primo luogo nella sedimentazione a pacchi lamellari, ma anche, sebbene in misura minore, nelle fasi di filtrazione.

Torbidità 0 2 4 6 8 10 12

05-set 15-set 25-set 05-ott 15-ott 25-ott 04-nov 14-nov

Tempo

NT

U

Uscita Rosignano Vasca Equalizzazione

Grafico 3 - Andamento della torbidità.

Osservando il trend della vasca di equalizzazione, riportato nel Grafico 3,si potrebbe pensare a qualche perdita dei fanghi o altre anomalie, contrariamente i picchi di massimo, anche quando l’entrata è abbastanza buona, sono dovuti all’analisi effettuata subito dopo la fine di lavaggio di un filtro.

I filtri a sabbia operano un buon abbattimento anche con carichi elevati, infine il GAC si comporta più o meno come i precedenti arrivando all’abbattimento di

oltre 5NTU in casi di carico alto anche dal 10 di ottobre da cui il funzionamento è passato da otto a quattro filtri.

L’acqua in uscita dall’impianto complessivamente ha valori della torbidità molto bassi, almeno la metà di quelli richiesti dalla Società Solvay.

I valori forniti dal laboratorio di analisi indicano infatti, un’uscita, per quanto riguarda i solidi sospesi totali, inferiore a 5mg/l anche quando l’arrivo da Rosignano è di 35mg/l. Torbidità 0 2 4 6 8 10 12

05-set 15-set 25-set 05-ott 15-ott 25-ott 04-nov 14-nov

Tempo

N

TU

Vasca Equalizzazione Uscita Pacchi Lamellari Sabbia

10.3 Conducibilità

Nel seguito è riportato anche il grafico dell’andamento della conducibilità in ingresso ed in uscita dell’impianto. L’impianto in oggetto non ha alcuna influenza sulla conducibilità dell’acqua in quanto i sali aggiunti per la coagulazione precipitano nella sedimentazione mentre i sali già disciolti nell’acqua non possono essere rimossi dal processo.

Il processo può influenzare unicamente sostanze organiche e composti azotati che presentano uno scarso impatto sulla conducibilità sia per le loro caratteristiche chimiche che per le limitate concentrazioni.

Questo parametro viene misurato e registrato solo perché di fondamentale importanza per il successivo utilizzo dell’acqua nei circuiti di raffreddamento e per la determinazione del trattamento chimico da effettuare nell’acqua per garantire la protezione dei circuiti termici da possibili attacchi corrosivi

Conducibilità 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

05-set 15-set 25-set 05-ott 15-ott 25-ott 04-nov 14-nov

Tempo m ic ro s im en s Uscita Rosignano Uscita Impianto

Grafico 5 - Andamento della Conducibilità.

10.4 COD

La misurazione del COD è stata effettuata dal laboratorio di analisi, mentre quella del SAK (Grafico 7) che costituisce il sistema di misura automatico presente nell’impianto viene operata direttamente sull’impianto.

Non è stato possibile arrivare ad una affidabile correlazione tra i due parametri in quanto per ragioni organizzative le analisi operate sull’impianto e le analisi operate in sito non sono avvenute contemporaneamente. Per arrivare ad una

determinazione della correlazione esistente sarà quindi necessario in fase di gestione dell’impianto operare un significativo numero di determinazioni con le due modalità sullo stesso campione.

Confronto SAK-COD 0 10 20 30 40 50 60 70

05-ott 10-ott 15-ott 20-ott 25-ott

Tempo

CODin CODout SACin SACout

La rimozione del COD all’interno dell’impianto avviene attraverso processi differenti.

Una prima rimozione avviene mediante il processo di coagulazione-flocculazione e successiva sedimentazione. In questo modo viene eliminato il COD legato a sostanze sospese od anche colloidali che costituiscono sostanzialmente le particelle di fango biologico sfuggite alla sedimentazione presente nel depuratore. Una parte di COD che è costituito da quello ancora presente in fase disciolta viene trattenuto dalle successive fasi di processo costituite dai filtri biologici a carbone attivo e dai filtri a carbone attivo in adsorbimento.

In entrambi le due fasi di processo sono concomitanti due principi di rimozione: - rimozione per degradazione biologica, soprattutto mediante meccanismi di

ossidazione;

- rimozione per adsorbimento

Tuttavia le analisi di laboratorio, riportate nel Grafico 6, danno un valore medio in uscita di 8 mg/l con un massimo di 15 mg/l e un minimo inferiore a 5 mg/l. Questo rispetta ampiamente i valori richiesti che devono essere inferiori a 30 mg/l.

COD 0 10 20 30 40 50 60 70

05-ott 10-ott 15-ott 20-ott 25-ott 30-ott

Tempo m g /l it e r Entrata uscita

SAK

05-set 15-set 25-set 05-ott 15-ott 25-ott 04-nov 14-nov

Tempo

mg

/lite

10.5 Redox

Tramite l’analisi del potenziale di ossido-riduzione si può valutare la necessità di aumentare o diminuire la quantità di aria da fornire nelle vasche in funzione dell’attività biologica che si ha.

Il valore del potenziale redox tra l’ingresso e l’uscita nella vasca di equalizzazione generalmente tende a diminuire. Questo fatto è indice di una qualche attività biologica in atto probabilmente dovuta al fango presente in vasca o semplicemente al fango di trascinamento dal depuratore.

Questo era un fenomeno che era stato previsto in fase di progettazione ed a tal fine era stato predisposto un sistema di aerazione della vasca per evitare che si potessero innescare processi anaerobici con conseguente formazione di odori. Nei filtri a carbone biologici il valore del potenziale redox aumenta tra ingresso ed uscita e questo sta ad indicare il fatto che l’aria insufflata è sufficiente a mantenere l’acqua ossidata nonostante l’attività biologica.

La diminuzione dell’aria insufflata dal 20 ottobre 2005, nei filtri a carbone, è evidenziata anche nella variazione dei valori del potenziale redox e fino a quando l’aria è stata fornita in eccesso il potenziale redox in uscita è stato maggiore che in ingresso mentre quando l’aria non è stata fornita in misura sufficiente al processo si registra una riduzione del potenziale redox in uscita ed una contemporanea riduzione dell’efficienza di abbattimento dell’ammoniaca.

Si è quindi evidenziata la diretta correlazione tra i parametri misurati in fase di conduzione dell’impianto ed i risultati ottenuti quali efficienze di abbattimento e quindi risulta possibile attraverso semplici parametri misurati in modo automatico procedere al controllo del processo dell’impianto.

Andamento misure potenziale di ossido-riduzione

15-set 25-set 05-ott 15-ott 25-ott 04-nov

Tempo

Mill

ivol

t

Uscita Rosignano Vasca Equalizzazione Uscita Pacchi Lamellari Filtri a sabbia Entrata GAC

10.6 Ossigeno disciolto

La misurazione dell’ossigeno disciolto risulta essere molto importante al fine di valutare l’attività dei batteri che operano nitrificazione e degradazione biologica. Infatti l’ammoniaca e i composti organici ammoniacali, sono convertiti in nitrati tramite l’azione congiunta di due gruppi di batteri specializzati nitrificanti, di tipo autotrofo e strettamente aerobi. I batteri del gruppo Nitrosomas ossidano l’ammoniaca a nitriti, e Nitrobacter da nitriti a nitrati. I primi si riproducono più lentamente e quindi risultano essere il fattore limitante per l’abbattimento dell’ammoniaca. Studi condotti da Eckenfelder, hanno evidenziato che lo sviluppo dei batteri è condizionato dalla presenza di ossigeno disciolto, dalla temperatura e dal pH.

Per una buona nitrificazione sono necessarie concentrazioni di ossigeno disciolto di almeno 2 mg/l (Eckenfelder, 1970).

La temperatura, nel periodo di analisi considerato, è sempre rimasta intorno a 20° Centigradi, per cui non si possono al momento fare considerazioni a riguardo. Il pH verrà esaminato nei paragrafi successivi.

Per quanto riguarda il BOD, quantità ridotte di ossigeno disciolto non influenzano l’assimilazione e la degradazione delle sostanze organiche da parte dei microrganismi; allo stesso modo la richiesta di ossigeno con basse temperature non varia lo sviluppo degli stessi (Fair and Geyer, 1975).

Attraverso queste considerazioni e lo studio dei dati emersi dalle analisi, è possibile affermare che:

• l’ossigeno in uscita dai trattamenti si mantiene sempre in un range di 2-3

mg/l e inferiore a quello in entrata, quindi consumato dai batteri per la trasformazione dei composti.

• la vasca di equalizzazione ha un livello maggiore perché areata al fine di

sostanza organica e dell’ammoniaca.

Ossigeno disciolto

15-set 25-set 05-ott 15-ott 25-ott 04-nov

Tempo

mg

/l

Nel Grafico 8, è possibile notare come l’abbattimento del BOD sia molto efficiente anche quando in entrata risulta essere elevato.

Questo sottolinea il fatto che i batteri operano una buona degradazione della sostanza organica mettendo in relazione la quantità di BOD con l’ossigeno disciolto è possibile dire che, in questa situazione di portate e di carico, il rapporto sia ottimale.

BOD 0 5 10 15 20 25

11-ott 13-ott 15-ott 17-ott 19-ott 21-ott 23-ott 25-ott

Tempo

mg

/l BODin

BODout

10.7 pH

Anche attraverso l’andamento del pH è possibile avere importanti indicazioni sul funzionamento del processo.

Durante la fase di ossidazione, i composti azotati nel liquame subiscono una nitrificazione, più o meno spinta.

Al processo di ossidazione dei composti organici, corrisponde un’aumento della concentrazione idrogenionica, e conseguentemente una riduzione del pH. Se non si presta attenzione alla concentrazione in entrata, si possono raggiungere valori fino 4,5, che comprometterebbero l’attività dei batteri. La velocità ottimale di denitrificazione si attua in un campo di pH compreso fra 6 e 8 (Masotti, 1987). I reagenti introdotti nel processo di coagulazione e flocculazione non alterano la concentrazione degli ioni [H+], in questo modo si cerca di non influenzare, l’attività batterica a valle di questi trattamenti.

Nel grafico riguardante il pH si nota come si attui un abbassamento dello stesso dalla vasca di equalizzazione all’entrata GAC, cioè all’uscita dei filtri biologici, in accordo con quanto sopra enunciato.

Talvolta si verificano risultati differenti come accade anche per altri parametri, ma in tal caso sono riscontrabili anche abbattimenti anomali di ammoniaca a significare quindi problemi nel funzionamento del processo dovuti ad aereazione insufficiente o carichi in ingresso troppo elevati.

Come richiesto dalla Società Solvay, l’acqua in uscita dall’impianto rimane in un range compreso fra 7 e 8.

pH

05-set 15-set 25-set 05-ott 15-ott 25-ott 04-nov 14-nov

Tempo

-log

[H+

]

Uscita Filtri a sabbia Uscita filtri iologici