Capitolo 7
DIMENSIONAMENTO DELL’IMPIANTO ARETUSA
7.1 Vasche di equalizzazione, coagulazione e flocculazione
La vasca di equalizzazione-omogeneizzazione è molto importante per la miscelazione delle acque provenienti dai due impianti, per il recupero delle acque di lavaggio e perché funziona da riserva di acqua. L’utilizzatore finale richiede una portata di acqua costante e quindi è necessario che all’interno dell’impianto ci si faccia carico delle variazioni giornaliere. La soluzione individuata prevede una vasca di accumulo, che possa assorbire queste variazioni, fornendo portate costanti.
Questa vasca ha la capacità di 2000 m3:
Prima della flocculazione si trova il processo di coagulazione dove si ha agitazione veloce con immissione di coagulanti. Questa avviene in una vasca così dimensionata:
La larghezza della vasca è di 1.2m La lunghezza della vasca è di 1.6m
Livello utile di coagulazione è 5.5m e si ottiene Hcoag= ) Larg · (Lung V coag coag coag
Dove il Vcoag = 10 m3 ottenuto da
Vcoag=F1n t coag coag dove F1 = 720 m3/h portata da trattare. 100
Il tempo di coagulazione (tcoag) è di 53 sec.
ncoag = 1 numero di vasche di coagulazione
Questo tempo è stato stimato sulla base dei dati presenti in letteratura e tramite esperimenti sul “pilota”. Infatti si riscontra che con l’utilizzo di reattivi chimici, che utilizzano l’alluminio (come avviene nell’impianto in oggetto), si deve operare con tempi di detenzione compresi fra i 15 e i 60 secondi con gradienti di velocità fra 1000 e 700 sec-1; tempi superiori 2 minuti sono comunque eccessivi
in quanto i fiocchi già formatisi tendono a disgregarsi, venendo conseguente diminuita l’efficacia della successiva fase di flocculazione (Masotti,1987). Tramite le equazioni fornite dallo stesso autore è possibile verificare come il tempo di contatto sia giusto correlato hai nostri dati.
Infatti:
P = µ G2 V
Dove:
P = Potenza immessa in W
µ = Viscosità dinamica del fluido in 2
sec
m N⋅
9,982·10-4
V = Volume della vasca in m3 10
G = Gradiente di velocità in sec-1 600
Per cui la potenza dissipata è pari a 4 kW
La prima vasca di flocculazione ha un volume di 125 m3 poiché, la larghezza è di
5m, come la lunghezza, inoltre il livello utile della vasca di flocculazione primaria è di 5m.
Il gradiente di velocità è 100 sec-1 e il tempo di flocculazione è di 12 minuti.
La vasca di flocculazione secondaria, ha una larghezza di 5 m, una lunghezza di uguale dimensione e un volume pari a 135 m3; poiché il livello utile della vasca è
di 5.4 m, il tempo di flocculazione è identico alla vasca precedente. Il flocculatore secondario in questo caso ha una velocità di 60 sec-1.
di flocculazione, conviene operare con valori del gradiente G, via via decrescenti negli stadi successivi, in modo che il fiocco non venga rotto e abbia la possibilità di ingrandirsi maggiormente. Infatti i fiocchi derivanti dal trattamento con sali d’alluminio sono “fragili” ed una potenza di miscelazione alta può creare rotture (Masotti, 1987).
Le impostazioni (gradiente di velocità) potranno essere modificate direttamente dall’operatore attraverso il computer presente nella sala controllo, questo è molto importante poiché a seconda dei cambiamenti climatici si dovranno operare delle modifiche per ottenere una flocculazione sempre ottimale. La Figura 31, mostra come vengono visualizzate, sul monitor di comando, le vasche appena descritte, le pompe e le relative valvole.
7.2 Sedimentatori a pacchi lamellari
Per quanto riguarda i sedimentatori a pacchi lamellari, è stato considerato di costruire due linee di sedimentazione separate per consentire il funzionamento di almeno una linea anche nel caso in cui una sia in manutenzione per il lavaggio degli stessi.
La scelta del sistema di sedimentazione è ricaduta su dei sedimentatori a pacchi lamellari a causa dei limitati spazi disponibili. Utilizzando i pacchi lamellari si passa da un tempo di ritenzione di oltre due ore per quelli tradizionali ad un massimo di sessanta minuti per i sedimentatori a pacchi lamellari (Canziani et al; 1999).
La teoria prevede un legame tra la superficie della lamina e la relativa proiezione, rappresentabile da una curva che esprime l’andamento del rapporto dimensionale delle suddette superfici in funzione dell’angolo d’inclinazione.
Come si nota dal grafico l’andamento della superficie proiettata è di tipo cosinusoidale. La funzione presenta un massimo in corrispondenza dell’inclinazione nulla, lastra orizzontale (Ap = A), ed un valore nullo (Ap = 0) in
corrispondenza di lastra perfettamente verticale.
Tenuto conto che un sistema a pacchi lamellari oltre a fornire una elevata superficie proiettata deve garantire una efficace autopulizia dei canali, il range ottimale risulta essere compreso fra 45 e 60°. In tale intervallo la superficie proiettata assume un valore pari al 50-70% della superficie effettiva (Canziani et al; 1999)
Tenuto conto di questo e delle portate da trattare, il nostro sistema è stato dimensionato in questo modo:
Qmax = 800 m3/h
n v = 2 Numero vasche contenenti i pacchi
lamellari
Larg = 5 m Larghezza vasca pacchi lamellari Lung = 16 m Lunghezza vasca pacchi lamellari S = Larg · Lung = 80 m2 Superficie vasca pacchi lamellari
Va =S nv
Q
⋅max
= 5 m/h Velocità apparente
Sp = 10 m2/m3 Superficie proiettata
Hp = 1,5 m Altezza pacchi lamellari
V = Ssin(a)Q n
v max
⋅ = 6 m/h Velocità di risalita diretta attraverso i
condotti La quota acqua nei sedimentatori è di 7 m.
Dalla Figura 32, si può notare la presenza di due pompe presenti nel pozzetto di raccolta fanghi. I fanghi di supero generati dai sedimentatori vengono rilanciati, attraverso due linee differenziate, all’ispessimento dell’impianto di Rosignano, o rimandati in testa all’impianto alla flocculazione. Anche in questo caso, l’operatore, può far variare le quantità per migliorare la flocculazione. Infatti un recupero dei fanghi, è anche un recupero dei reagenti chimici usati, ma non completamente utilizzati dai processi
Figura 32 – Filtri a pacchi lamellari: vista pannello di controllo.
7.3 Filtri a sabbia
La sezione di filtrazione a sabbia è stata dimensionata per la portata totale in quanto lo scarico dei sedimentatori è discontinuo e quindi non influisce sulla portata delle apparecchiature a valle.
La portata è di 720 m3 / h.
A seguito di esperienze precedenti su impianto pilota operiamo con una velocità di filtrazione di 6 m / h.
La superficie totale di filtrazione richiesta sarà quindi 120 m2 questa è stata divisa
su quattro filtri in modo da poter ottenere un funzionamento ottimale anche durante i periodi di lavaggio e fuori funzionamento di un filtro.
La superficie per ogni singolo filtro è pari a 30 m2.
Lunghezza della camera di filtrazione di 10 m e larghezza di 3 m.
Con un filtro non in uso la velocità di filtrazione nel corso dei lavaggi è di 8 m/h. I lavaggi si effettuano, in automatico, in base ad un valore di Δp, ovvero la differenza di pressione che si viene a creare fra la base del filtro e la superficie. In altre parole, esso misura quanto i filtri riescono a svolgere il proprio lavoro; nel momento in cui la differenza aumenta il tasso di filtrazione diminuisce, quindi i filtri non lavorano. Quando si ha il raggiungimento del valore Δp, stabilito come critico, si ha la partenza del lavaggio. Questo avviene un solo filtro alla volta con inibizione degli altri.
7.4 Filtri biologici
La sezione di filtrazione biologica con carboni attivi è stata dimensionata per portata inferiore a quella dei filtri a sabbia perché l’acqua utilizzata per il controlavaggio dei filtri a sabbia non viene trattata dagli stadi successivi ed inoltre viene prelevata in continuo dalla produzione senza quindi perturbare la portata delle sezioni successive.
Quindi avremo la portata da trattare pari a 670 m3 / h.
A seguito di esperienze su impianto pilota si opera con una velocità di filtrazione = 3,5 m / h
La superficie totale di filtrazione richiesta è di 192 m2 .
La superficie di filtrazione è stata suddivisa su di un numero di filtri adeguato a consentire un funzionamento ottimale anche durante la fase di lavaggio, anche se non molto frequenti, e fuori funzionamento di un filtro, quindi un numero tale da consentire un aumento contenuto della portata da trattare da parte degli altri filtri quando uno non è in funzione.
Numero totale dei filtri = 8.
Portata per ogni filtro = 84 m3/h
Portata max, (un filtro non in funzione) = 96 m3/h
Superficie di filtrazione per singolo filtro = 24 m2
Lunghezza camera di filtrazione = 10,5 m Larghezza camera di filtrazione = 2,4 m Superficie di ciascun filtro = 25 m2
Velocità di filtrazione nel corso dei lavaggi con un filtro fuori servizio = 4 m/h. Nei filtri biologici avviene l’eliminazione del BOD eventualmente ancora presente nel refluo dopo i trattamenti di coagulazione, flocculazione, sedimentazione e filtrazione.
Il filtro svolge inoltre un’altra importante funzione che consiste nel portare avanti il processo di nitrificazione spesso solo iniziato nell’impianto di depurazione a 112
fanghi attivi esistente.
Dai dati storici degli impianti di depurazione e da dati relativi mediante sperimentazione pilota, si ritiene che ai filtri biologici arrivi acqua con le caratteristiche seguenti:
Punte inquinanti previste nei periodi estivi saranno comunque trattate COD in-min = 20 l mg NH3 in-min = 15 l mg
Qualità dell’acqua trattata COD in-max = 100 l mg NH3 in-max = 40 l mg COD out = 10 l mg NH3 out = 15 l mg
COD rim = COD in-max – COD out = 90
l mg
NH3 rim = NH3 in-max – NH3 out =25
l mg
Importante è la quantità di ossigeno che il sistema deve fornire all’acqua da trattare in modo che i batteri operino in modo adeguato senza incorrere in situazioni anossiche.
omogenea su tutta la vasca dal momento che possiamo ritenerla adeguatamente agitata è di 1 mg/l.
OCh = F2 (Conc O2 – Conc O2 in + COD rim + 4.3 NH3 rim · PM N / PM NH3)
OCh = 120 Kg/hr Capacità di ossigenazione oraria che è necessario
garantire nel periodo estivo di peggiore qualità dell’acqua e di più difficile trasferimento dell’ossigeno. Tramite altri calcoli emerge che la portata d’aria necessaria all’ossigenazione è di 3·103 m3/h
Figura 34 – Filtri biologici: vista pannello di controllo.
7.5 GAC: Filtri a carbone attivo in adsorbimento
La funzione dei filtri a carbone attivo in adsorbimento è quella di un affinamento finale per quanto riguarda abbattimento dei solidi sospesi e in particolare dei tensioattivi.
La presenza di questi presuppone una serie di trattamenti precedenti di alta qualità. Infatti un refluo non troppo depurato crea dei problemi di usura veloce del carbone con oneri non indifferenti per una riattivazione frequente.
Per questo motivo in un impianto di questo genere è stata possibile l’istallazione di questi sistemi.
Il numero dei filtri e il dimensionamento è stato operato sulla base di prove effettuate sul pilota.
Numero di filtri 8
Diametro filtro 3,8 m
Superficie filtro 11 m2
Altezza del letto di carbone 3 m Volume totale del carbone per i GAC 272 m3
I filtri vengono lavati periodicamente ogni venti giorni (con condizioni di refluo come da pilota).
Il carbone ha un suo tempo di esaurimento, che può essere calcolato tramite una formula: t= ads u out sat gac carb COD F P ⋅ ⋅ . . % Dove:
Pcarb.gac= 1,3·105 kg Peso totale del carbone
%sat = 200 g/kg Percentuale di saturazione del carbone
Fout.u =650 m3/h
Per cui avremo un tempo di esaurimento pari a circa 1 anno, considerando, poi, che parte del carbone subisce un processo di rigenerazione biologica anche nei carboni attivi in adsorbimento e che solo i composti più scarsamente degradabili comportano una adsorbimento difficilmente reversibile del carbone, è possibile stimare un tempo di rigenerazione pari tre volte quello calcolato, quindi 3 anni.
7.6 Sterilizzatori UV
Il processo di disinfezione ha lo scopo di ridurre il numero di microrganismi vitali presenti nei liquami, in quanto maggiore è tale numero più elevata è la probabilità che si verifichino rischi igienici per coloro che vi entrano in contatto.
L’acqua prodotta dal trattamento prima di passare attraverso i raggi UV presenta una qualità già molto elevata:
Colitotali = 100000 UFC0,1⋅l Streptococchifecali = 10000 UFC0,1⋅l Eschericacoli = 10000 UFC0,1⋅l Sulla base del valore limite fissato: Colitotali = 10 UFC0,1⋅l
e del corrispondente valore medio rilevato in ingresso, si deduce che la completa filiera dei trattamenti a cui i liquami sono sottoposti deve garantire un rendimento globale pari a: colitotaliin – colitotaliout
η batt tot = in out in colitotali colitotali -colitotali 118
η batt tot = 0,9
Possiamo considerare che negli stadi di chariflocculazione e filtrazione normalmente si ottenga un rendimento di abbattimento dei coliformi nell’ordine del 90% e cautelativamente prenderemo come valido questo valore, anche se nel nostro caso siamo sicuramente su valori più alti in quanto si hanno tre stadi di filtrazione in serie.
Colitotali in UV = colitotali in (1-η batt filt)
Concentrazione di coli.tot. in ingresso Colitotali in UV = 1·104 l
UFC
⋅
1 ,
0 cautelativo; da pilota < di 2 ordini di
grandezza
d = 23 mm Diametro del tubo di quarzo contenente la lampada
S = 10 cm interasse tra le lampade Lunglamp = 85 cm lunghezza lampada
Wn = 34 potenza germicida per metro di lampada
Wlamp = 64 watt potenza nominale della lampada
Il volume di liquido interessato dalla irradiazione è definito dalla seguente relazione: Vv = Lunglamp
( )
⋅ − 4 2 2 d S π Vv = 8000 cm3La densità D dell’irraggiamento con raggi UV: D = v lamp n V Lung W ⋅ = 3,5 l watt
E’ da considerare l’esistenza di una intensità effettiva di radiazione che differisce da quella teorica o nominale; infatti si ha una riduzione dovuta dall’assorbanza e altri fattori che diminuiscono il valore reale dell’irraggiamento.
Attraverso vari calcoli che tengono conto anche di queste variazioni, si è arrivati a calcolare la dose effettiva di irradiazione, attraverso l’intensità effettiva (Im.eff),
necessaria al raggiungimento dei parametri stailiti. Deff = Im.eff·t UV Deff = 41 2
sec
cm mwatt⋅
Deff = 0,04 cm2
joule
Il volume complessivo dei reattori sulla base del tempo di esposizione calcolato (tUV = 3,7 sec) risulta essere di:
VUV = F3·tUV VUV = 0,7 m3
Dove F3 = 650 m3/h
NUV = 3 Numero reattori di disinfezione UV
Vreattori UV =
reattoriUV UV
n V
= 0,2 m3 Volume minimo reattori
Figura 35 – GAC, sterilizzatori UV e pompa rilancio Solvay: vista pannello di controllo.
