Analisi comparata dei criteri di dimensionamento e verifica delle principali fasi di un impianto di depurazione per acque reflue urbane
UNIVERSITÁ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II
UNIVERSIDAD POLITECNICA DE MADRID
Scuola Politecnica e delle Scienze di Base
Dipartimento di ingegneria Civile, Edile ed Ambientale
ETSI Caminos, Canales y Puertos
A.A. 2016/2017 Tesi di Laurea
Relatore
Ch.mo Prof Francesco Pirozzi Ch.ma Prof Isabel del Castillo
Candidato
Raffaele Veneri
Matricola M67/353
1970 1980 1990 2000 2010 2020
Numero e tipologia delle specie
inquinanti
presenza di sostanze xenobiotiche
1970 1980 1990 2000 2010 2020
Numero e tipologia delle specie
inquinanti
Superfici per l’allocazione degli impianti
difficoltà individuare zone dove ubicare gli impianti
1970 1980 1990 2000 2010 2020
Numero e tipologia delle specie
inquinanti Standard di
qualità degli effluenti depurati
Superfici per l’allocazione degli impianti
RENDIMENTI
DI RIMOZIONE VOLUMI E SUPERFICI
OCCUPATI
In affiancamento ai sistemi tradizionali sono state introdotte nuove
configurazioni impiantistiche
SISTEMA A FANGHI ATTIVI
(Activated sludge)
0
influente 1
e
SEDIMENTAZIONE effluente 0 DENITRIFICAZIONE
NITRIFICAZIONE
1 ricircolo miscela aerata
fango di ricircolo fango di supero
e
Fase biologica Sedimentazione secondaria
PERMEATO
La miscela aerata subisce un’azione di filtrazione, che consente di migliorare le caratteristiche dell’effluente e di assicurare una più elevata
concentrazione della biomassa
Unità di filtrazione
IMPIANTO TRADIZIONALE A FANGHI ATTIVI
La biomassa è separata dalla corrente idrica nella fase di sedimentazione, sfruttando l’azione della gravità, ed è in
parte ricircolata nella fase biologica
SISTEMA MBR
(Membrane biological reactor)
SISITEMA MBR
(Membrane biological reactor)
Impianto con FA e MBR
Funzionamento MBR
Impianto di Verziano (Brescia) 250,000 AE
SISTEMA SBR
(sequential batch reactor)
SISTEMA SBR
(sequential batch reactors)
VASCA SBR
Che non consentono di mettere in correlazione l’efficienza depurativa con i valori di concentrazione dei substrati all’interno sia dell’influente che dell’effluente depurato
Il dimensionamento di tali sistemi è ancora oggi basato su approcci
empirici
Tale approccio empirico è addirittura consigliato in diversi Paesi dell’unione europea, nei quali si è soliti fare riferimento a specifiche norme
standardizzate
L’obiettivo fondamentale di questo lavoro è quindi definire criteri di dimensionamento più precisi
Illustrando i criteri che sono stati individuati per 3 diversi sistemi biologici:
1) Fanghi attivi convenzionale 2) MBR
3) SBR
Volumi di controllo
1 2
𝑄𝑄 � 𝑆𝑆 0 + 𝑅𝑅 1 + 𝑅𝑅 2 � 𝑄𝑄 � 𝑆𝑆 𝑒𝑒 − 𝜔𝜔 � 𝜈𝜈 𝐷𝐷 � 𝑉𝑉 𝐷𝐷 � (𝑋𝑋 𝐻𝐻 ) 𝐷𝐷 = (𝑅𝑅 1 + 𝑅𝑅 2 + 1) � 𝑄𝑄 � 𝑆𝑆 1
𝑅𝑅 1 + 𝑅𝑅 2 � 𝑄𝑄 � 𝑁𝑁 − 𝑁𝑁𝑁𝑁 3 𝑒𝑒 − 𝜈𝜈 𝐷𝐷 � 𝑉𝑉 𝐷𝐷 � (𝑋𝑋 𝐻𝐻 ) 𝐷𝐷 = 𝑅𝑅 1 + 𝑅𝑅 2 + 1 � 𝑄𝑄 � (𝑁𝑁 − 𝑁𝑁𝑁𝑁 3 ) 1
𝑄𝑄 � (𝑁𝑁 − 𝑁𝑁𝑁𝑁 4 ) 0 + 𝑅𝑅 1 + 𝑅𝑅 2 � 𝑄𝑄 � (𝑁𝑁 − 𝑁𝑁𝑁𝑁 4 ) 𝑒𝑒 −𝜖𝜖 � 𝜔𝜔 � 𝜈𝜈 𝐷𝐷 � 𝑉𝑉 𝐷𝐷 � (𝑋𝑋 𝐻𝐻 ) 𝐷𝐷 = 𝑅𝑅 1 + 𝑅𝑅 2 + 1 � 𝑄𝑄 � (𝑁𝑁 − 𝑁𝑁𝑁𝑁 4 ) 1 𝑅𝑅 1 + 𝑅𝑅 2 + 1 � 𝑄𝑄 � 𝑆𝑆 1 − 𝜈𝜈 𝑆𝑆 � 𝑉𝑉 𝑁𝑁 � (𝑋𝑋 𝐻𝐻 ) 𝑁𝑁 = (𝑅𝑅 1 + 𝑅𝑅 2 + 1) � 𝑄𝑄 � 𝑆𝑆 𝑒𝑒
𝑅𝑅 1 + 𝑅𝑅 2 + 1 � 𝑄𝑄 � 𝑁𝑁 − 𝑁𝑁𝑁𝑁 3 1 +𝜈𝜈 𝑁𝑁 � 𝑉𝑉 𝑁𝑁 � (𝑋𝑋 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 ) 𝑁𝑁 = 𝑅𝑅 1 + 𝑅𝑅 2 + 1 � 𝑄𝑄 � (𝑁𝑁 − 𝑁𝑁𝑁𝑁 3 ) 𝑒𝑒
𝑅𝑅 1 + 𝑅𝑅 2 + 1 � 𝑄𝑄 � (𝑁𝑁 − 𝑁𝑁𝑁𝑁 4 ) 1 −𝜈𝜈 𝑁𝑁 � 𝑉𝑉 𝑁𝑁 � (𝑋𝑋 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 ) 𝑁𝑁 − 𝜖𝜖 � 𝜈𝜈 𝑆𝑆 � 𝑉𝑉 𝑁𝑁 � (𝑋𝑋 𝐻𝐻 ) 𝑁𝑁 = (𝑅𝑅 1 + 𝑅𝑅 2 + 1) � 𝑄𝑄 � (𝑁𝑁 − 𝑁𝑁𝑁𝑁 4 ) 𝑒𝑒
𝑅𝑅 1 � 𝑄𝑄 � 𝑋𝑋 𝐻𝐻 𝑟𝑟 +𝑅𝑅 2 � 𝑄𝑄 � 𝑋𝑋 𝐻𝐻 𝑁𝑁 + 𝜈𝜈 𝐷𝐷 � 𝑌𝑌 𝐷𝐷 � 𝑉𝑉 𝐷𝐷 � 𝑋𝑋 𝐻𝐻 𝐷𝐷 = 𝑅𝑅 1 + 𝑅𝑅 2 + 1 � 𝑄𝑄 � 𝑋𝑋 𝐻𝐻 𝐷𝐷 𝑅𝑅 1 � 𝑄𝑄 � (𝑋𝑋 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 ) 𝑟𝑟 +𝑅𝑅 2 � 𝑄𝑄 � (𝑋𝑋 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 ) 𝑁𝑁 = 𝑅𝑅 1 + 𝑅𝑅 2 + 1 � 𝑄𝑄 � (𝑋𝑋 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 ) 𝐷𝐷
𝑅𝑅 1 + 𝑅𝑅 2 + 1 � 𝑄𝑄 � (𝑋𝑋 𝐻𝐻 ) 𝐷𝐷 +𝑌𝑌 𝐻𝐻 � 𝜈𝜈 𝑆𝑆 � 𝑉𝑉 𝑁𝑁 � (𝑋𝑋 𝐻𝐻 ) 𝑁𝑁 = 𝑅𝑅 1 + 𝑅𝑅 2 + 1 � 𝑄𝑄 � (𝑋𝑋 𝐻𝐻 ) 𝑁𝑁
𝑅𝑅 1 + 𝑅𝑅 2 + 1 � 𝑄𝑄 � (𝑋𝑋 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 ) 𝐷𝐷 +𝑌𝑌 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 � 𝜈𝜈 𝑁𝑁 � 𝑉𝑉 𝑁𝑁 � (𝑋𝑋 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 ) 𝑁𝑁 = 𝑅𝑅 1 + 𝑅𝑅 2 + 1 � 𝑄𝑄 � (𝑋𝑋 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 ) 𝑁𝑁
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Q R R
X S V
S e S N H N ) 1
(
) (
2 1
1 = +
ν
+ +[ ]
N
e e
N AUT N
S S Q NH
N NH
N X Q
V ν
ε ( )
) (
) ) (
( = −
4 0− −
4−
0−
Q R R
X NO V
N NO
N
e N N AUT N) 1
(
) ) (
( ) (
2 1 3
1
3
= − − + +
− ν
[ ]
S
e N
AUT N N e N
H N
NO N Q X
V S
S X Q
V
ν
ν
ω
( ) ( )) ) (
( 0 − − − − 3
=
[ ]
D
e N
AUT N N D H D
) NO N ( Q ) X ( ) V
X (
V
ν
ν
− − 3=
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ) [
H r AUT r H N AUT N]
H D D D N D AUT N N N AUT H N S H N AUT N
H
X X
X X
Q
X V Y X
V Y X V Y X
X R Q
−
− +
−
−
−
= [( ) + ( ) ] ν ν ν
1
+
− +
= ( ) 1 ( 1 )
) (
2
1
R
R Q
V X Y
X
AUT D AUT N Nν
N N
+
− +
= ( ) 1 ( 1 )
) (
2
1
R
R Q
V X Y
X
H D H N Hν
S NQ R R
X V X
NH V N NH
N
e N N AUT N S N H N) 1
(
) ( )
) ( (
) (
2 1 4
1
4
+ +
+ +
−
=
− ν εν
10. 𝐴𝐴𝑆𝑆
𝑒𝑒2+ 𝐵𝐵𝑆𝑆
𝑒𝑒+ 𝐶𝐶 = 0
D S AUT
N H
s
Y Y Y
A
∧
∧
− + −
= ( ν ν )( 1 εω ) ε ν
];
) (
) )[(
( )
( S
0K K Y S
0Y Y Y N NO
3TKN
0TKN S
0Y
B = ν
N AUT−
S− εω
S− ν
∧s AUT+ ων
N AUT− ω ν
∧S H+ ν
∧S D−
e− −
e+ ε
( ) ( ) ( )
[ N NO
3TKN
0TKNe 1 S
0]
K Y
C = ν
N AUT Sω −
e− ω − + + εω
𝑉𝑉 𝑁𝑁 = 𝑄𝑄�(𝑁𝑁 − 𝑁𝑁𝑁𝑁 4 ) 0 − (𝑁𝑁 − 𝑁𝑁𝑁𝑁 4 ) 𝑒𝑒 ] − 𝜀𝜀𝑄𝑄(𝑆𝑆 0 − 𝑆𝑆 𝑒𝑒 )
𝜈𝜈 𝑁𝑁 (𝑋𝑋 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 ) 𝑁𝑁 + 𝑄𝑄 (𝑆𝑆 0 − 𝑆𝑆 𝑒𝑒 ) − 𝜔𝜔 [𝜐𝜐 𝑁𝑁 𝑉𝑉 𝑁𝑁 (𝑋𝑋 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 ) 𝑁𝑁 − 𝑄𝑄 (𝑁𝑁 − 𝑁𝑁𝑁𝑁 3 ) 𝑒𝑒 ] 𝜈𝜈 𝑆𝑆 (𝑋𝑋 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 ) 𝑁𝑁
𝑉𝑉 𝐷𝐷 = [𝜐𝜐 𝑁𝑁 𝑉𝑉 𝑁𝑁 (𝑋𝑋 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 ) 𝑁𝑁 − 𝑄𝑄 (𝑁𝑁 − 𝑁𝑁𝑁𝑁 3 ) 𝑒𝑒 ] 𝜈𝜈 𝐷𝐷 (𝑋𝑋 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 ) 𝐷𝐷 (𝑋𝑋 𝐻𝐻 ) 𝐷𝐷
EQUAZIONI DI PROGETTO:
1899,634662 1695,09161
1522,232384 1442,537553
1394,112789 1393,463784
5474,143044 6657,52221
8195,557968 9701,654231
10120,07454 11628,80181
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000
5 10 15 20 25
VO LU M E
CONCENTRAZIONE AZOTO TOTALE
fase denitrificazione fase nitrificazione
mg
m 3
EQUAZIONI DI PROGETTO:
𝑉𝑉 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = (𝑆𝑆 𝑡𝑡 0,75 0,10 𝜎𝜎 𝑐𝑐 𝐹𝐹 𝑡𝑡
1 + 0,10 𝜎𝜎 𝑐𝑐 𝐹𝐹 𝑡𝑡 + 0,6 𝑄𝑄 𝑑𝑑 𝑋𝑋 𝑒𝑒 + 𝑄𝑄 𝑑𝑑 3 𝑋𝑋 𝑝𝑝 + 6,8𝑋𝑋 𝑓𝑓𝑒𝑒 10 −3 ) 𝜃𝜃 𝑐𝑐 (𝑋𝑋 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑡𝑡 ) 𝑁𝑁 +(𝑋𝑋 𝐻𝐻 ) 𝑁𝑁
𝑉𝑉 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑝𝑝𝑓𝑓𝑝𝑝 ∗ 𝜃𝜃 𝑐𝑐 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑆𝑆𝑆𝑆
𝜎𝜎 𝑐𝑐 = 25 1,072 12−𝐴𝐴
È stato progettato un impianto di trattamento delle acque per una comunità dell’ovest della Spagna appartenente ai comuni di Montijo e Puebla de la Calzada (Badajoz) nella comunità di Extremadura.
Numero di
abitanti N 28193 Abeq
Portate
Portata media nera giornaliera Qm,n 6990 m
3/d Portata media nera oraria Qm,n 291,25 m
3/h Portata massima (5Qm,n) Qmax 1456,25 m
3/h Portata massima per i processi
biologici (2,5Qm,n)
Qmax,
bio 728,125 m
3/h
Portata di punta (1,6 Qm,n) Qp 466 m
3/h Portata di pretrattamento Qpr 728,125 m
3/h
Qpr 0,20226 m
3/s
Caratteristiche H2O Residui
Concentrazione media
Concentrazione media giornaliera
BO5 242 mg/l 1691,58 kg/d
SST 182 mg/l 1255,8 kg/d
NTK 28,3 mg/l 195,27 kg/d
PT 8,1 mg/l 55,89 kg/d
Temperatura invernale Tmin 14 °C Temperatura estiva Tmax 25 °C
APPLICAZIONE
APPROCCIO ANALITICO
Dimensioni impianto
• 2 Vasche aventi dimensioni di:
Vasca nitrificazione V = 2250 m 3 h= 5 m; L = 15 m; a = 15 m
Vasca denitrificazione V = 11560 m 3 h = 5 m; L = 34 m; a = 34 m
Area tot = 2761 m 2
• 2 Vasche di sedimentazione secondaria di:
V = 1056 m 3
h = 3 m; D = 15 m Area tot = 352 m 2
Portata di aria da aggiungere
• 4799,90 m 3 /h
Quantitativo di Fe da aggiungere
• 45,34 kgFe/d
APPROCCIO EMPIRICO
Dimensioni impianto
• 2 Vasche uniche separate da un setto con rapporto volumi
denitrificazione/nitrificazione pari a 0,2 V = 12800 m 3
h = 5 m; L = 80 m; a = 16 m Area tot = 2560 m 2
• 2 Vasche di sedimentazione secondaria di:
V = 1526,04 m 3 h = 3 m; D = 18 m Area tot = 508,68 m 2 Portata di aria da aggiungere
• 3317,18 m 3 /h
Quantitativo di Fe da aggiungere
• 69,45264 kg Fe/d
SISTEMA A FANGHI ATTIVI
SISTEMA MBR
è stato previsto un ciclo di pre-denitrificazione
biologica
fase di
denitrificazione
fase di nitrificazione combinata
Fase con MBR
(Membrane biological
reactor)
EQUAZIONI DI PROGETTO
Metodo analitico
𝑉𝑉 𝑁𝑁 = 𝑄𝑄 𝑌𝑌 𝑆𝑆 − 𝑆𝑆 𝑒𝑒 + 𝑓𝑓 𝑑𝑑 𝑘𝑘 𝑒𝑒 𝑄𝑄𝑌𝑌 𝑆𝑆 − 𝑆𝑆 𝑒𝑒 𝐹𝐹𝑆𝑆 + 𝑄𝑄𝑌𝑌 𝑛𝑛 𝑁𝑁𝑁𝑁 3 + (𝑄𝑄𝑝𝑝𝑄𝑄𝑆𝑆𝑆𝑆𝑉𝑉 + 𝑝𝑝𝑆𝑆𝑆𝑆𝑖𝑖) (𝜇𝜇 𝑛𝑛 1 + 𝑘𝑘 𝑒𝑒 𝜇𝜇 𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑁𝑁 𝑒𝑒 𝐾𝐾 0 + 𝑁𝑁 2 − 𝐾𝐾 𝑒𝑒𝑛𝑛 ) 𝜇𝜇 𝑛𝑛 𝑋𝑋 𝑛𝑛
Metodo empirico
𝑉𝑉 𝑡𝑡 = (𝑆𝑆 0 0,75 0,10 𝜎𝜎 𝑐𝑐 𝐹𝐹 𝑡𝑡
1 + 0,10 𝜎𝜎 𝑐𝑐 𝐹𝐹 𝑡𝑡 + 0,6 𝑄𝑄 𝑑𝑑 𝑋𝑋 𝑒𝑒 + 𝑄𝑄 𝑑𝑑 3 𝑋𝑋 ,𝑃𝑃 + 6,8𝑋𝑋 𝑓𝑓𝑒𝑒 10 −3 ) 𝜃𝜃 𝑐𝑐 (𝑋𝑋 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑡𝑡 ) 𝑁𝑁 +(𝑋𝑋 𝐻𝐻 ) 𝑁𝑁
𝑉𝑉 𝐷𝐷 = 𝐹𝐹𝑆𝑆 𝑉𝑉 𝑁𝑁 𝑄𝑄𝜇𝜇 𝑛𝑛
1 + 𝑘𝑘 𝑒𝑒 𝐹𝐹𝑆𝑆
𝑌𝑌 𝑆𝑆 − 𝑆𝑆 𝑒𝑒 𝜇𝜇 𝑛𝑛 𝜇𝜇 𝑑𝑑 𝑁𝑁𝑁𝑁 3
953,138365 966,2766258
984,7268574 999,3064753
1059,214143 1110
117 125 103 111
91 97
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
5 10 15 20 25
