impianto di fitodepurazione

Etnafiere – Centro Fieristico Etnapolis

13-14-15 maggio 2016

Seminario: “LA FITODEPURAZIONE: una soluzione sostenibile per il trattamento ed il recupero delle acque reflue”

Etnafiere - Valcorrente, Belpasso (CT), 13 maggio 2016

Sezione di CATANIA

alessia.marzo@unict.it

Dott. Ing. Alessia Marzo, Ph.D Università di Catania - CUTGANA

Esempio di dimensionamento di un piccolo

impianto di fitodepurazione

C_i , C_o= concentrazioni dell’inquinante in ingresso ed in uscita (mg/L);

Q = Q_i = Q_o = portata (m³/giorno) per I = P = ET = 0; (moto stazionario) A = area superficiale del bacino (m²);

h = altezza della colonna d’acqua (m);

ε = porosità del sistema (m³/m³).

definizione dei parametri di dimensionamento

modelli matematici SSF: 0,2 – 0,8 m;

FWS: 0,1 – 1 m (tipo di trattamento; macrofite) SSF: medium di riempimento, 0.3<ε< 0.4 FWS: densità vegetazione

Progettazione:

definizione dei parametri di dimensionamento

W L

A = ⋅

A

area (m)

ε

⋅

⋅

= A h

V

V

volume (m³)

altezza della colonna d’acqua (m) lunghezza (m)

larghezza (m)

porosità (m³/m³)

q h Q

h A Q

HRT = V = ⋅ ⋅ ε = ⋅ ε

Progettazione:

definizione dei parametri di dimensionamento

V

volume (m³)

portata (m³/giorno) Q

A

q = Q

Progettazione: modelli matematici

Il comportamento idraulico dei sistemi di fitodepurazione viene usualmente schematizzato mediante un modello di flusso “a pistone” (plug flow)

Su tale schema, e ipotizzando una cinetica di rimozione del primo ordine, si basano i modelli maggiormente utilizzati, sia in Europa che negli Stati Uniti, per il dimensionamento e la modellazione degli impianti di fitodepurazione

INGRESSO USCITA

t=0

FLUSSO t=1

t=2

Modello k-C* (Kadlec e Knight, 1996)

( ^{k HRT} )

C C

C C

V i

o

= − ⋅

−

−

exp

*

 



 



−

⋅ −

−

= ln

C C

C C

k V Q

out in V

Formulazione volumetrica

Progettazione: modelli matematici

Q HRT = V

k_V = coefficiente volumetrico di rimozione (giorni^-1)

h k

k

= ⋅ ε

k_A = coefficiente di rimozione (m/giorno) ( ²⁰)

20

⋅

=

A

k

k θ

k₂₀ = coefficiente di rimozione alla temperatura di 20°C (m/giorno) θ = fattore di correzione della temperatura T = temperatura delle acque reflue °C

volume (m³) portata (m³/giorno)

Cinetica del primo ordine e schematizzazione idraulica del tipo plug-flow C_i = concentrazione dell’inquinante in ingresso (mg/L)

C_o = concentrazione dell’inquinante in uscita (mg/L) C* = concentrazione di background (mg/L)

Modello k-C* (Kadlec e Knight, 1996)

Cinetica del primo ordine e schematizzazione idraulica del tipo plug-flow C_i = concentrazione dell’inquinante in ingresso (mg/L)

C_o = concentrazione dell’inquinante in uscita (mg/L) C* = concentrazione di background (mg/L)

 



 



−

⋅ −

−

=

,

ln C C

C C

k A Q

out in T

A

Formulazione aerale

Progettazione: modelli matematici

k_A,T = costante areale del primo ordine (m/giorno)

( ²⁰ )

20 , ,

⋅

=

T

A

k

k θ

area (m²)

portata (m³/giorno)

Modello k-C* (Kadlec e Knight, 1996)

Valori sperimentali di k_A,20, C^* e θ

Progettazione: modelli matematicic

Modello monoparametrico (Reed, Crites & Middlebrooks 1998)

( ^{k HRT} )

C C

T i

o

= exp − ⋅

Progettazione: modelli matematici

Cinetica del primo ordine e schematizzazione idraulica del tipo plug-flow C_i = concentrazione dell’inquinante in ingresso (mg/L)

C_o = concentrazione dell’inquinante in uscita (mg/L)

k_T = costante di rimozione del primo ordine (giorni^-1)

T = Temperatura delle acque reflue (°C) θ_R= fattore di correzione della temperatura.

( ⁻²⁰)

⋅

=

T

k

k θ

Q h HRT = A ⋅ ⋅ ε

ε

⋅

⋅

= ⋅

h K

C C

A Q

T

o

i

)

ln(

altezza idrica (m), funzione della tipologia del sistema e della vegetazione utilizzata;

porosità del letto

I valori sperimentali di k_R e θ

R proposti da Reed, Crites & Middlebrooks (1998)

Modello monoparametrico (Reed, Crites & Middlebrooks 1998)

Progettazione: modelli matematici

Verifiche

Calcolata l’ara A e stabilita l’altezza h in funzione della tipologia del sistema (generalmente compresa tra 0,5÷1,0 m per i sistemi FWS e tra 0,4÷0,5 m per quelli SSF), occorre verificare che:

nei FWS

il rapporto L/W sia pari a 10/1

e che la lunghezza L non ecceda la massima consentita in modo da mantenere un adeguato gradiente idraulico

nei sistemi H-SSF

il rapporto L/W sia pari a 1/1 o 3/1

e la larghezza W sia maggiore di quella minima necessaria per il transito

della portata prevista senza fenomeni di flusso superficiale (overflow)

Equazione di Manning (1)

( ) ( )

1

s n h

v = ⋅ ⋅

v = velocità dell’acqua (m/s) s = gradiente idraulico (m/m)

n = coefficiente di Manning (s/m^1/3) h = altezza della colonna d’acqua (m)

a = coefficiente di scabrezza (s m^1/6);

= 0,4 s⋅m^1/6 per vegetazione rada e bassa, con h > 0,4 m;

= 1,6 s⋅m^1/6 per vegetazione moderatamente densa, con h ≅ 0,3 m;

= 6,4 s⋅m^1/6 per vegetazione molto densa, con h ≤ 0,3 m.

2

h

n = a

Vengono generalmente utilizzati valori di a che variano tra 1 e 4 sm ^1/6

Progettazione: modelli matematici (FWS)

Equazione di Manning (2)

( ) ( ) ^{7 6 1 2}

1 _{/ /}

s a h

v = ⋅ ⋅

Considerando che:

Combinando le equazioni si ottiene L, la massima lunghezza del bacino di fitodepurazione FWS:

( ) ( )

⁸⁶⁴⁰⁰

Q a

m h

L A 



 





⋅

⋅

⋅

= ⋅

Progettazione: modelli matematici (FWS)

h W v Q

= ⋅

larghezza (m) portata (m³/giorno)

altezza acqua (m)

L W = A

area (m²)

lunghezza (m)

fattore precauzionale

L h s = m ⋅

gradiente idraulico (m/m)

coefficiente di scabrezza (sm^1/6)

Legge di Darcy

v = velocità dell’acqua (m/giorno) s = gradiente idraulico (m/m)

K_s = conducibilità idraulica del mezzo poroso (m/giorno)

s k

v =

⋅

Considerando che:

h W v Q

= ⋅

Progettazione: modelli matematici (H-SSF)

portata (m³/giorno)

larghezza (m) altezza della colonna d’acqua (m)

s h W k

Q =

⋅ ⋅ ⋅

Considerando che:

2

1

 

 





⋅

⋅ ⋅

=

k

m

A Q

W h

Progettazione: modelli matematici (H-SSF)

s A

k

Q =

⋅

⋅

A_T = area trasversale del bacino (m²)

L W = A

area (m²)

lunghezza (m) larghezza (m)

L h s = m ⋅

fattore precauzionale≤0.2

lunghezza (m) gradiente

idraulico (m/m)

altezza d’acqua (m)

Combinando le equazioni si ottiene W, la minima larghezza del bacino di fitodepurazione H-SSF:

Valori di conducibilità idraulica e porosità del materiale di riempimento utilizzato nei letti di fitodepurazione a flusso sommerso (ISPRA, 2012)

Progettazione: modelli matematici (H-SSF)

Progettazione: V-SSF

Il dimensionamento dei letti V-SSF è basato su criteri empirici basati sulla richiesta aerale di ossigeno necessario per ossidare la sostanza organica e l’azoto.

Generalmente viene utilizzato il seguente metodo:

fattore cautelativo

Calcolo del fabbisogno di ossigeno sulla base di 1 Kg di O

per 1 Kg di BOD

da rimuovere al giorno o di 4,3 Kg di O

per Kg di NH

da ossidare (al giorno);

K_a= coefficiente di aerazione superficiale per BOD5 30 g O₂/m² fabbisogno di ossigeno

25 ,

⋅ 0 +

=

a

a

K

OD K

A OD

Calcolo della superficie (m

):

Q = 150 m³/giorno BOD₅= 300 mg/L T = 12 °C

Pietrisco, K_s = 10.000 m/giorno

Dati di progetto:

Dimensionamento di un sistema H-SSF: esempio

C_i = 210 mg/L (BOD₅ in ingresso all’impianto di fitodepurazione)

Trattamento di sedimentazione primaria tramite fossa imhoff

rimozione del 30%

della concentrazione del BOD₅

C_o = 25 mg/L (BOD₅ in uscita dall’impianto di fitodepurazione)

scarico su corpo idrico superficiale (D.Lgs. 152/2006)

BOD₅ = 300 mg/L BOD₅ = 210 mg/L BOD₅ = 25 mg/L

fossa imhoff H-SSF

Dimensionamento di un sistema H-SSF: esempio

( ²⁰) (^{12 20}) ^-1

12

= k

⋅

= 1 ,104 ⋅ 1 , 06

= 0 , 693 giorni

k θ

Coefficiente di rimozione:

Applicazione del modello monoparametrico (Reed, Crites & Middlebrooks 1998)

Area superficiale:

Fissando:

3

3

m

m 38 , 0

55 , 0

=

= ε

m

h

Larghezza minima del letto filtrante:

m 3500 40

2 , 0

2225 150

55 , 0

1

1

 =



 





⋅

⋅ ⋅

 =



 





⋅

⋅ ⋅

=

k

m

A Q

W h

Lunghezza del letto filtrante:

m 40 56

2225 =

=

= W L A

Dimensionamento di un sistema H-SSF: esempio

20% del carico idraulico a disposizione

1/3 della conducibilità

idraulica

1 : 4 , 1 41

: 56

: W = =

L

Rapporto lunghezza/larghezza:

OK

compreso tra:

1:1 e 3:1

Dimensionamento di un sistema FWS: esempio

Q = 150 m³/giorno BOD₅= 300 mg/L T = 9 °C

Dati di progetto:

C_i = 210 mg/L (BOD₅ in ingresso all’impianto di fitodepurazione)

Trattamento di sedimentazione primaria tramite fossa imhoff

rimozione del 30%

della concentrazione del BOD₅

C_o = 25 mg/L (BOD₅ in uscita dall’impianto di fitodepurazione)

scarico su corpo idrico superficiale (D.Lgs. 152/2006)

BOD₅ = 300 mg/L BOD₅ = 210 mg/L BOD₅ = 25 mg/L

fossa imhoff FWS

Dimensionamento di un sistema FWS: esempio

( ²⁰) (^{9 20}) ^-1

9

= k

⋅

= 0 ,678 ⋅ 1 , 06

= 0 , 357 giorni

k θ

Coefficiente di rimozione:

3

3

m

m 75 , 0

30 , 0

=

= ε

m h

Fissando:

Area superficiale:

Lunghezza massima del letto bacino di fitodepurazione:

( ) ( )

⁸⁶⁴⁰⁰

Q a

m h

L A 



 





⋅

⋅

⋅

= ⋅

m = 0,3

a = vegetazione moderatamente densa = 1,6 s⋅m^1/6

( ) ( ) _{876 m}

150 6

, 1

86400 2

, 0 30

, 0

3973

 =



 





⋅

⋅

⋅

= ⋅ L

Dimensionamento di un sistema FWS: esempio

Larghezza del bacino di fitodepurazione:

m 5 , 876 4

3973 =

=

= L

W A

Dimensionamento di un sistema FWS: esempio

1 : 7 , 194 5

, 4 : 876

: W = =

L

Rapporto lunghezza/larghezza:

m

= 20

W L = 200 m

1 : 10 20

: 200

: W = =

L

Rapporto lunghezza/larghezza:

NO

non è compreso tra:

2:1 e 10:1

OK

compreso tra:

2:1 e 10:1