Lezione 25. IMPIANTI DI POTABILIZZAZIONE DELLE ACQUE

Corso di

INGEGNERIA SANITARIA Prof. Paola Foladori

Lezione 25.

IMPIANTI DI

POTABILIZZAZIONE

DELLE ACQUE

Schemi di trattamento per le acque di superficie

Tipicamente, le acque superficiali contengono un’ampia gamma di contaminanti: elevati livelli di torbidità, colorazione, sostanza organica e microinquinanti

1. Schema di impianto convenzionale

• Sedimentazione primaria e/o stacciatura: rimozione dei SS, a protezione dei trattamenti successivi

• Coagulazione e flocculazione: rimozione sostanze colloidali (ed eventuale rimozione di sostanze organiche responsabili della colorazione dell’acqua)

• Sedimentazione secondaria: rimozione dei fiocchi formatisi nel trattamento di coagulazione/flocculazione ed estrazione del fango

• Filtrazione su sabbia: separazione fisica delle particelle solide sospese

• Disinfezione: per rimuovere i patogeni e garantire un residuo di disinfettante stabile e

persistente lungo la rete di distribuzione

Esempi di schemi di flusso della configurazione di un impianto convenzionale

 Rimuove il materiale sospeso più grossolano

 protezione per i trattamenti successivi riducendo il rischio di intasamento e di usura TIPOLOGIA DIMENSIONI

INTERASSE NOTE

GRIGLIE

GROSSOLANE 5-10 cm Rimozione di rami, foglie, bottiglie

GRIGLIE

MEDIE 2,5-5 cm

GRIGLIE FINI 1,0-2,5 cm Rimozione di materiali di

piccole dimensioni (ramoscelli o animali acquatici).

GRIGLIATURA

TIPOLOGIA DI MACROSTACCIATURA MAGLIA

GROSSOLANA 1-3 mm

FINE 0.25-1 mm

I macrostacci vengono in genere installati a

valle della grigliatura fine.

SEDIMENTAZIONE

3 tipi di sedimentatori

• Rettangolare,

• circolare

• radiale

2 posizioni della sedimentazione

 SEDIMENTAZIONE PRIMARIA

Nei pre-trattamenti per rimuovere i solidi sedimentabili presenti nell’acqua grezza;

 SEDIMENTAZIONE SECONDARIA

A valle della coagulazione/flocculazione per la rimozione dei fiocchi prodotti dal processo di flocculazione

Trattamento fisico-meccanico che sfrutta la forza di gravità per separare dall’acqua le

particelle solide sedimentabili

CHIARIFLOCCULAZIONE

Rimozione dei solidi sospesi colloidali responsabili della

torbidità dell’acqua

Si compone di TRE PROCESSI in sequenza:

1. Coagulazione:

- Aggiungere reattivo chimico + miscelazione energica.

Reattivi più utilizzati: calce, sali di alluminio o sali di ferro. Bassi tempi di contatto (pochi minuti).

- Provocare la destabilizzazione dei colloidi (che spontaneamente si respingerebbero) e creare le condizioni affinché si riduca la carica elettrostatica superficiale e inizi l’attrazione e la formazione di fiocchi.

2. Flocculazione: formazione dei fiocchi grazie all’aggiunta di flocculanti (più usati sono polielettroliti). Tempi di decina di minuti e miscelazione lenta

3. Sedimentazione: separazione dei fiocchi in zona di calma. Tempi di permanenza di 1-2 ore. In alternativa alla sedimentazione può essere prevista una fase di filtrazione su sabbia.

https://www.youtube.com/watch?v=qV_1jfmhpnA

https://www.youtube.com/watch?v=5uuQ77vAV_U

ESERCIZIO

Dimensionare i bacini di coagulazione-flocculazione e determinare il dosaggio di coagulante

Dimensionare la vasca di coagulazione e flocculazione di un impianto di potabilizzazione la cui portata media Q = 50.000 m³/d. Dosaggi consigliati: cloruro ferrico (FeCl₃ ∙ 6H₂O) = D_ott,Fe = 4 mg/L e polielettrolita = D_ott,poli =1 mg/L. Determinare la richiesta giornaliera di reagenti.

Soluzione

Per il dimensionamento della vasca di coagulazione si assumono i seguenti valori (si utilizza G = gradiente di velocità della miscelazione):

G ∙ t = 3 ∙ 10⁴ G = 750 L/s.

Si calcola il tempo di permanenza come: t = G ∙ t / G = 3 ∙ 10⁴ / 750 = 40 s

Il volume della vasca viene calcolato come: V = Q ∙ t = 50.000 m³/d ∙ 40 s = 23 m³ Per il dimensionamento della vasca di flocculazione si assumono i seguenti valori:

G ∙ t = 4 ∙ 10⁴ G = 30 L/s.

Si calcola il tempo di contatto come: t = G ∙ t / G = 4 ∙ 10⁴ / 30 = 22 min

Il volume della vasca viene calcolato come: V = Q ∙ t = 50.000 m³/d ∙ 22 min = 764 m³

Ipotizzando di usare una soluzione di cloruro ferrico esaidrato (FeCl₃ ∙ 6H₂O) al 40%, la quantità di coagulante necessaria è:

X(FeCl3 ∙ 6H2O) = D_ott,Fe ∙ Q / 0,4 = 4 mg/L ∙ 50.000 m³/d / 0,4 = 500 kg_soluzione/d

Ipotizzando di impiegare il polielettrolita puro in granuli, la quantità necessaria è:

X_poli = D_ott,poli ∙ Q = 1 mg/L ∙ 50.000 m³/d = 50 kg_poli/d

FILTRAZIONE

Trattamento fisico volto alla separazione di inquinanti. Si parla di:

Schema di filtro rapido a sabbia

 Filtrazione convenzionale quando la barriera filtrante è un mezzo granulare come la sabbia, separa i solidi sospesi;

 Filtrazione su membrana quando si

impiegano sistemi a membrana e separa solidi sospesi e disciolti.

m icr ofi ltr az io ne ult ra filt ra zio ne na no filt ra zio ne O sm os i in ve rsa

FILTRI RAPIDI A SABBIA

PARAMETRI PROGETTUALI:

carico idraulico (Ci) = 5÷7 m/h

altezza mezzo di riempimento 0,6÷0,75 m di sabbia silicea

1) Con la filtrazione il filtro tende ad intasarsi

2) Quindi va pulito, cioè vanno tolti i solidi accumulati

3) Si attiva il controlavaggio (vedi slide successiva)

PARAMETRI CARATTERISTICI DEL FILTRO A SABBIA:



Dimensione efficace (D₁₀): diametro nominale dei grani di sabbia: preferibili valori di 0,8-1,2 mm.



Coefficiente di uniformità (U): è consigliabile sabbia con dimensioni uniformi per evitare impaccamento. Valori più comuni U = 1,3÷1,8



Porosità (f): rapporto tra il volume di vuoto della sabbia e il volume totale della sabbia (pieni +vuoti). Valori tipici variabili tra 0,35 e 0,45

Linee rosse indicano il

percorso dell’acqua

durante la filtrazione

Serve per ripristinare la capacità filtrante, dopo il parziale intasamento del filtro.

PROCEDURE DI CONTROLAVAGGIO:

1) Espansione del letto con aria insufflata in controcorrente (air compressor) 2) lavaggio con acqua in controcorrente (wash water)

controlavaggio

Linee rosse indicano il percorso dell’acqua durante il

controlavaggio

ESERCIZIO

Dimensionamento di un filtro rapido

Effettuare il dimensionamento di massima di un filtro rapida in un impianto di potabilizzazione a servizio di un centro abitato di 15000 abitanti (P). Valore della dotazione idrica D = 180 L/ab∙d.

Soluzione

Portata di progetto è la portata media oraria incrementata del 30% (l’incremento tiene conto dei consumi di acqua interni all’impianto ad es. le operazioni di lavaggio e le perdite di rete)

Si adotta un valore di carico idraulico, Ci = 7 m/h. Si calcola la superficie del filtro:

Si utilizzano filtri commerciali cilindrici in pressione con le seguenti dimensioni:

diametro = 3 m; altezza complessiva = 2 m; superficie = 7 m

²

.

Si ottengono 3 filtri + 1 di riserva per garantire il funzionamento in continuo dell’impianto anche durante le operazioni di controlavaggio.

Si sceglie un’altezza della sabbia di 0,6 m e si calcola il volume della sabbia di 1 filtro:

DISINFEZIONE

OBIETTIVI:

1. Garantire l’inattivazione dei microorganismi patogeni presenti nell’acqua;

2. Mantenere la qualità microbiologica dell’acqua dall’impianto di potabilizzazione, lungo la rete e fino all’utenza.

Il processo di disinfezione e la sua efficacia dipendono da 6 fattori:

1. Tipo di disinfettante es. cloro

2. Dosaggio di disinfettante es. 5 mg/L

3. Tempo di contatto es. 10 min

4. Temperatura es. 15°C

5. Tipo di microorganismo es. salmonella

6. Tipo di acqua es. acqua di fiume

Tipi di agenti disinfettanti o battericidi

Disinfettanti maggiormente utilizzati nei trattamenti di potabilizzazione:

- cloro gas (Cl

₂

) e ipoclorito di sodio (NaClO), - biossido di cloro (ClO

₂

),

- ozono (O

₃

),

- permanganato di potassio (

KMnO₄)

, - acido peracetico (PAA)

- perossido di idrogeno (H

₂

O

₂

)

- altra tipologia sono le radiazioni UV.

Si distinguono:

 Disinfettanti primari (cloro, biossido di cloro, ozono e radiazioni UV):

elevata capacità di inattivazione nei confronti di batteri, virus e protozoi;

 Disinfettanti secondari (cloro, biossido di cloro, clorammine): sono in grado di garantire un residuo stabile e persistente e sono adatti all’impiego nella disinfezione di copertura della rete di distribuzione.

N.B. se si utilizzano radiazioni UV o ozono nell’impianto di potabilizzazione, è necessario aggiungere un disinfettante secondario per la protezione della rete di acquedotto.

Disinfettanti primari o secondari

CINETICA DI DISINFEZIONE

In cui:



C = concentrazione di disinfettante



t = tempo di contatto tra acqua e

disinfettante per ottenere una certa % di inattivazione



n = costante che dipende dal microrganismo, dal tipo di acqua, dalla diluizione del

disinfettante



K = costante = funzione (pH, Temperatura, tipo di disinfettante, % di inattivazione

voluta).

CINETICA DI DISINFEZIONE

Disinfettante Cloro Biossido di cloro Ozono Raggi UV* Clorammine

Condizioni di pH 6-7 6-7 6-9 - 8-9

E. Coli

Poliovirus 1 Rotavirus

Giardia Lamblia Cryptosporidium

0,03-0,05 1,1-2,5 0,01-0,05

47->150 7200

0,40-0,75 0,2-6,7 0,20-2,10

78*-

0,02 0,1-0,2 0,006-0,06

0,5-0,6 3,2-18,4

6 48 40-50

< 10

< 10

95-180 770-3470 3810-6480

7200- Dose reagenti («C ∙ t» = mg ∙ min/L) per l’inattivazione del 99% dei microrganismi a 5-25 °C

* D = I ∙ t = mW ∙ s/cm

²

; * (90% di inattivazione)

LEGGE DI ALLEN

ESERCIZIO

Calcolare la concentrazione di cloro per la rimozione di Giardia lamblia.

Si deve progettare un reattore di disinfezione per raggiungere 2-log di inattivazione di Giardia lamblia.

Calcolare:

- La % di inattivazione corrispondente a 2-log;

- La concentrazione necessaria per tempo di contatto (t) di 10 min a 20°C.

Soluzione

Calcolo della % di inattivazione a partire dai log di inattivazione (y = % di inattivazione;

x = log di inattivazione):

Il valore di «C∙t» per inattivare il 99% di Giardia lamblia mediante cloro a T = 20°C, è di

150 mg ∙ min/L (vedi tabella precedente). Sapendo che t = 10 min, la concentrazione

di cloro necessaria è pari a:

Aggiunta dei seguenti comparti:

• Ozonizzazione:

- ossidazione microinquinanti org., - azione battericida,

- rimoz. odori e sapori sgradevoli

• Adsorbimento su carbone attivo:

- rimozione delle sostanze organiche disciolte sfuggite ai trattamenti precedenti;ì (es. PFAS)

2. Schema di impianto avanzato

OZONIZZAZIONE

CARATTERISTICHE:

• Formula O3

• L’ozono puro è un gas di colore blu

• E’ il più forte ossidante impiegato per la potabilizzazione dell'acqua VANTAGGI:

 Ossidazione di particolari

molecole responsabili di odore e sapore;

 Rapida azione ossidante

 Inattivazione delle alghe nella potabilizzazione delle acque di lago;

 Non crea sottoprodotti indesiderati SVANTAGGI:

• È altamente reattivo, instabile e quindi va prodotto in loco a partire da ossigeno

• Consuma molta energia

ADSORBIMENTO

DEFINIZIONE: processo chimico/fisico secondo il quale molecole o gruppi ionici vengono trattenuti sulla superficie di un solido poroso passando da una fase gassosa o liquida ad una fase solida. Le molecole che vengono trattenute (adsorbite) prendono il nome di adsorbato, mentre il solido poroso che le trattiene prende il nome di adsorbente.

Carbone attivo: è il materiale adsorbente più utilizzato, prodotto da materie prime quali bitume e carbone mediante una pirolisi controllata delle materie prime; il prodotto finale è un materiale poroso con una elevata superficie specifica (450-1800 m²/g).



Carbone attivo in forma granulare (GAC, Granular Activated Carbon) – il più diffuso negli impianti di potabilizzazione, utilizzato come mezzo di riempimento granulare in colonne filtranti (come nei filtri a sabbia);



Carbone attivo in polvere (PAC, Powder Activated Carbon) – particelle hanno un diametro generalmente <

0,15 mm. Questa tipologia è meno utilizzata per le difficoltà operative e gestionali.

RIGENERAZIONE: quando il carbone è esaurito (disponibilità di pori attivi limitata o assente), va applicata la Rigenerazione termica (800°C) per «restituire» al carbone la sua capacità di adsorbimento.

OSSIDAZIONE DEL FERRO E MANGANESE

L'eliminazione del ferro ferroso avviene in modo fisico-chimico:

1) Si alza il potenziale ossidoriduttivo dell'acqua nei serbatoi di reazione

2) Il ferro ferroso è ossidato in ferro ferrico

3) Si forma il precipitato idrossido del ferro, Fe(OH)

₃

. Il precipitato è quindi separato dall'acqua

con filtrazione a sabbia o sedimentazione

ferro

ferroso ferro

ferrico idrossido

ferrico che precipita

deferrizzatore

Rimozione del ferro

L'eliminazione del manganese avviene in modo fisico-chimico, come per il ferro:

1) Si alza il potenziale ossidoriduttivo dell'acqua nei serbatoi di reazione

2) Si ha l’ossidazione di Mn

²⁺

in Mn

⁴⁺

che precipita in diossido di manganese MnO

₂

3) Il precipitato è quindi separato dall'acqua con filtrazione a sabbia o sedimentazione

ferro

ferroso ferro

ferrico idrossido

ferrico che precipita

Rimozione del manganese