Dimensionamento di un Impianto di Depurazione delle Acque Reflue

1. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze Dimensionamento di un Impianto di Depurazione delle Acque Reflue Esercitazione Prof. Claudio Lubello

2. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze Dati di Progetto ° Nota: AE  Abitanti

3. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze Riferimenti normativi D.Lgs 152/2006 Scarichi in acque superficiali Potenzialità impianto in A.E. >10.000 Parametri (media giornaliera) Concentrazione % riduzione BOD5 (senza nitrificazione) mg/L < 25 80 COD mg/L < 125 75 Solidi Sospesi mg/L < 35 90 da Tabella 1. Allegato 5alla parte terza ( Limiti di emissione per gli impianti di acque reflue urbane.) • Param.SOSTANZEu. m.Scarico in acque superficiali • 1 pH 5,5-9,5 • Temperatura °C non causare variazioni eccessive° (quantificazione • esplicitata nell’allegato 5 parte terza) nel corpo recettore • 3 colore non percettibile con diluizione 1:20 • 4 odore non deve essere causa di molestie • 5 materiali grossolani assenti 32 Fosforo totale (come P) mg/L < 10 33 Azoto ammoniacale (come NH4) mg /L < 15 34 Azoto nitroso (come N) mg/L < 0,6 35 Azoto nitrico (come N) mg /L < 20 50 Escherichia coli UFC/100mL < X < 5000 51 Saggio di tossicità acuta n°organismi immobili <=50% del totale in 24h da Tabella 3. Allegato 5 alla parte terza

4. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze Viene richiesto… 1. Disegno dello schema a blocchi della linea acque con indicazione dei flussi. 2. Dimensionamento dei pretrattamenti; 3. Dimensionamento dei trattamenti primari; 4. Dimensionamento del reattore biologico di ossidazione-nitrificazione; 5. Valutazione della richiesta di ossigeno; 6. Valutazione della produzione di fango; 7. Dimensionamento del sedimentatore secondario; 8. Dimensionamento della fase di disinfezione;

5. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze Calcolo delle portate di progetto Calcolo la Portata Media in arrivo all’impianto: Qmedia=65000*300*0.8*10-3=10400 mc/d Per calcolare i coefficienti di punta della Portata Nera utilizziamo le seguenti formule: dove PN è la Potenzialità Nominale espressa in migliaia di A.E. n.b. Nel nostro caso la fognatura non è separata ma mista! Portata di punta massima nera Portata Massima in Ingresso Portata di punta minima nera = Portata Minima in Ingresso di Progetto

6. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze Calcolo delle portate di progetto La portata in arrivo, in occasione di eventi di pioggia, può essere molto superiore a Q media Ipotizzo di scolmare quando e di ammettere ai trattamenti secondari al massimo la metà di tale portata. (Verifica del rispetto dei limiti allo scarico) Calcolo effetto di diluizione dei parametri inquinanti: Dove ad esempio: La concentrazione di BOD5 in uscita dallo scolmatore può essere comunque ritenuta accettabile in quanto il limite di legge si riferisce ad una concentrazione media giornaliera.

7. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 1. Schema a Blocchi Linea Acque Alla linea fanghi Scolmatore Sedimentatore Primario 6Q IN DissabbiatoreDisoleatore Soll GF Sedimentatore Primario 3Q Qr 3Q Reattore Biologico GG Sedimentatore Secondario Disinfezione 6Q OUT Reattore Biologico Sedimentatore Secondario Corso d’acqua superficiale Qr Alla linea fanghi

8. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 2. Dimensionamento Pretrattamenti Dimensionamento della Grigliatura

9. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 2. Dimensionamento Pretrattamenti Dimensionamento della Grigliatura Grigliatura Grossolana, a monte dello scolmatore (Ipotizzo perdite di carico trascurabili durante l’attraversamento delle barre) Grossolana = distanza tra le barre 4-6 cm. Prevedo due linee in parallelo. Ipotizzo di far transitare la portata minima su una singola linea

10. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 2. Dimensionamento Pretrattamenti °Calcolo l’altezza d’acqua in base alla sezione ed alla portata e verifico tenendo conto che Qmin può durare poche ore La calcolo utilizzando la Qam Prevedo 2 griglie da 0.3 m2 Nel caso di portata minima by-pass di una linea

11. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 2. Dimensionamento Pretrattamenti

12. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 2. Dimensionamento Pretrattamenti Grigliatura Fine(Fine = spaziatura tra le barre < 2 cm )

13. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 2. Dimensionamento Pretrattamenti Dimensionamento del Dissabbiatore/Disoleatore Realizzo un Dissabbiatore Longitudinale Aerato anche per la rimozione di oli e grassi ( con una zona di calma dedicata):

14. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 2. Dimensionamento Pretrattamenti Dimensionamento del Dissabbiatore/Disoleatore

15. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 2. Dimensionamento Pretrattamenti Dimensionamento del Dissabbiatore/Disoleatore La rimozione di oli e grassi è intorno al 70% Al variare della portata in ingresso avrò una diversa efficienza di rimozione delle sabbie. Neanche a Q min precipitano materiali fini che devono essere intercettati dal Sedimentatore I, anche grazie all’insufflazione d’aria.

16. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 3. Trattamenti Primari Utilizzo come parametro di progetto il Carico Idraulico Superficiale (Velocità di Overflow ): Dati Valori di CIS di letteratura (con fognatura separata) 2.5 5

17. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 3. Sedimentazione Primaria Scelgo di realizzare un Sedimentatore Rettangolare, per il quale si assumono i seguenti valori per i parametri : • Calcolo la superficie della vasca: N.B. Faccio il dimensionamento sia per la Q media che per la Q massima (ammessa), e poi adotto le dimensioni maggiori:

18. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 3. Sedimentazione Primaria Scelgo A con Qmax, calcolo V e verifico i tempi di ritenzione Prevedo un sedimentatore articolato su due linee identiche in parallelo. Dimensiono una vasca:

19. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 3. Sedimentazione Primaria Dimensiono lo stramazzo. Dato il Cst, calcolo Lst: Abbattimenti Ipotizzati per il Sedimentatore Primario (Effetto dovuto alla ritenzione parziale delle componenti particolate): Quindi per ogni vasca dovranno essere previsti due stramazzi da 8 metri circa Calcolo Concentrazioni in Ingresso al Reattore Biologico

20. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 4. Reattore Biologico ossidazione-nitrificazione; Realizzo due linee e riporto i dati per ciascuna vasca. Riepilogo dati di Progetto, che prevedono parametri aggiuntivi: COD = bCOD + nbCOD bCOD = bsCOD + bpCOD nbCOD = nbsCOD + nbpCOD TSS = VSS + iTSS VSS = bVSS + nbVSS p: particolato; s: solubile b: biodegradabile; nb: non biodegradabile

21. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 4. Reattore Biologico ossidazione-nitrificazione; Calcolo tutte le frazioni del COD Concentrazione iniziale di substratoSo Hp: E’ possibile ipotizzare in prima approssimazione I valori di nbVSS e iTSS servono per il calcolo della produzione di fango

22. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 4. Reattore Biologico ossidazione-nitrificazione; bCOD rappresenta la concentrazione iniziale di substrato (S0) nbsCOD corrisponde (come vedremo) in prima approssimazione al COD in uscita dall’impianto quando l’impianto lavora con elevate età del fango al fine di garantire la nitrificazione dell’ammoniaca nella vasca di ossidazione (quando ciò ovviamente avvenga nello schema di sistemi a single sludge) nbVSS e iTSS servono per il calcolo della produzione di fango

23. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 4. Reattore Biologico ossidazione-nitrificazione; H sta per heterotrophic • Valori Cinetiche Eterotrofi Reflui Civili Correggo i parametri cinetici in funzione della Temperatura di progetto (12°C) tramite :

24. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 4. Reattore Biologico ossidazione-nitrificazione; A sta per autotrophic • Valori Cinetiche Autotrofi Reflui Civili • Per la correzione dovuta alla temperatura utilizzo valori di letteratura: Assumo di progetto: N: valore finale imposto di N-NH4+ (è il primo stadio della nitrificazione ad essere limitante; si considera la cinetica di saturazione del processo di ossidazione dell’ammoniaca)

25. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 4. Reattore Biologico ossidazione-nitrificazione; Considerando solo l’ossidazione della sostanza carboniosa: Impongo il valore finale di COD pari a quello previsto dalla normativa (125mgCOD/L) a cui devo togliere il valore in uscita di COD non biodegradabile (nbsCOD=38 mg/L); si tenga conto del fatto che il substrato S è infatti espresso come bCOD Da tale formula di progetto possiamo ricavare l’età del fango che permette di ottenere il valore desiderato in uscita Sostituendo le costanti cinetiche riferite alla temperatura di 12°C e il valore di substrato in uscita (87mg bCOD/L) si ottiene:

26. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 4. Reattore Biologico ossidazione-nitrificazione; Considerando solo l’ossidazione della sostanza carboniosa: Si ricava dunque un’età del fango pari a : Tale valore va moltiplicato per un fattore che tenga conto della variabilità dei carichi. Per gli impianti civili di medio-piccola dimensione un valore di riferimento è 1.5. Tale valore va confrontato con il valore di età del fango minima: Da cui Per garantire che non ci sia dilavamento è necessario verificare che SRT/SRT min sia maggiore di 1.5.

27. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 4. Reattore Biologico ossidazione-nitrificazione; Considerando anche l’ossidazione della sostanza azotata possiamo seguire lo stesso approccio visto per la frazione carboniosa: Per calcolare il valore di progetto si moltiplica per il fattore 1.5, trattandosi di un impianto medio-piccolo. Si noti come tale valore risulta superiore all’età del fango necessaria per l’ossidazione della sostanza carboniosa. (In questo caso dobbiamo verificare comunque che il valore ottenuto sia maggiore del SRTmin relativo al processo di nitrificazione. Nel nostro caso =2,6 d) Con questa età del fango si calcola la concentrazione di sostanza carboniosa in uscita Tale valore risulta decisamente inferiore al limite imposto dalla normativa Il COD nell’effluente è quindi nbsCOD+bsCODe = 38 + 1.4 = 39.4 mg/L

28. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 4. Reattore Biologico ossidazione-nitrificazione; Calcolo della produzione di fango B A C A: contributo della biomassa eterotrofa B: contributo dei residui cellulari (fd: frazione di biomassa che si ritrova sottoforma di residui cellulari e che deriva dal processo di decadimento endogeno) C: contributo della biomassa autotrofa (si assume NOx=80%TKN; se anche si commette un errore è modesto perché solitamente, nelle acque reflue civili, la biomassa autotrofa nitrificante è una bassa percentuale dei VSS)

29. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 4. Reattore Biologico ossidazione-nitrificazione; Calcolo della produzione di fango I VSS di un reattore sono dati dalla somma della biomassa attiva, VSS non biodegradabili (nbVSS) presenti nell’influente (nbVSSin) e dai residui del decadimento cellulare (che sono anch’essi nbVSS). Per la produzione di fango giornaliera si fa generalmente riferimento ai solidi sospesi totali, comprensivi dei solidi sospesi volatili e dei solidi di natura inorganica (iTSS): quelli che provengono dall’influente iTSSin e quelli che costituiscono la biomassa. Qui il coefficiente 0.85 indica che la biomassa (che è particolato) è formata al 15% da composti inorganici. Come avevamo visto invece fd indica una frazione (sempre del 15%) di VSS che originariamente costituiscono la biomassa attiva e che nel processo di decadimento diventano nbVSS. Si avrà dunque: Sostituendo i valori

30. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze Fissata l’età del fango (12.45 d) abbiamo ricavato la produzione di biomassa attiva eterotrofa (termine A della precedente formula) XH (352 KgVSS/d) e di solidi sospesi totali (789.3 KgTSS/d) Da questo ultimo dato è possibile, calcolare la massa di TSS che devo tenere dentro i reattori biologici (massa di MLTSS= mixed liquor total suspended solids): Massa di MLTSS = 12.71 d 788.5 KgTSS/d = 10023 Kg Quindi possiamo ricavare il volume del reattore biologico definendo una concentrazione di solidi, il cui range è solitamente compreso fra 2 e 6 Kg/m3 Impongo MLTSS = 4 Kg/m3 V = 10023 Kg/ (4 Kg /m3 ) = 2456 m3 E il tempo di ritenzione idraulica: HRT = V/Q = 2505 m3 / (10400 m3/d) = 5.8 h

31. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 4. Reattore Biologico ossidazione-nitrificazione; Per ricavare a concentrazione di biomassa eterotrofa usiamo a questo punto l’altra formula di progetto Avendo ricavato HRT= 5.7 h, ed essendo noti tutti gli altri termini, abbiamo: XH = 1.762 gVSS/L La frazione di biomassa eterotrofa attiva rispetto ai solidi totali risulta pertanto pari al 44% dei MLTSS (1.76/4=0.44) Per dimensionare la vasca è necessario individuare un’altezza liquida. Scegliamo in questo caso un valore pari a 4 metri. La superficie sarà quindi: Per ogni linea si prevedono due vasche di ossidazione di superficie pari a 307 m2

32. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 5. Richiesta di Ossigeno Calcolo della richiesta di ossigeno (calcolata per una linea di trattamento) Richiesta per il bCOD Richiesta per l’Azoto Equivalente in ossigeno dei fanghi prodotti Tale valore rappresenta il valore di ossigeno da trasferire in vasca di ossidazione

33. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 7. Sedimentatore Secondario

34. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 7. Sedimentatore Secondario

35. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 7. Sedimentatore Secondario Fisso Pssmax pari a 9kgTSS/m2h e calcolo la superficie Considero 3 sedimentatori ciascuno con superficie pari a 366 m2 Il raggio sarà dato da: Si considerano dunque tre sedimentatori di superficie pari a 366 m2 e diametro pari a 22 m che tratteranno ciacsuno una portata media pari a 5200mc/d e una portata massima pari a 15600 mc/d

36. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 7. Sedimentatore Secondario 4) Verifica carico allo stramazzo Per ciascuna delle tre vasche si ha che: R=11m la lunghezza di stramazzo che per le vasche circolari è pari alla circonferenza sarà data da: Lst=70m Per cui: Cst=74.3 m3/md <125 m3/md Cstmax=22.9 m3/md <250 m3/md

37. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 8. Disinfezione Finale Scelte di progetto: • elevata capacità di inattivazione batterica ; • residui tossici pressochè assenti; Prodotto: Acido peracetico  Ipotizzo da letteratura una concentrazione ed un tempo di contatto di progetto: n.b. sono necessari test sul refluo specifico per determinare al meglio i valori ottimali Dimensionamento di una vasca di disinfezione che garantisca tale tempo di contatto: Impongo delle proporzioni geometriche idonee per un Plug-Flow Reactor (θh = V/Q), in modo da garantire un tempo di contatto costante. L = lunghezza del percorso che deve compiere l'acqua; b = larghezza di un setto; h = altezza liquida dell'acqua; (Da letteratura)

38. Acido peracetico 3Q 3Q b l Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 8. Disinfezione Finale Scelgo di realizzare due linee parallele: Siano: L = lunghezza del percorso che deve compiere l'acqua; b = larghezza di un setto; h = altezza liquida dell'acqua; l = lunghezza di una vasca; n = numero setti di una vasca; Scelgo il N° di setti per una linea: n = 8 Errore 2 Linee

39. Dipartimento Ingegneria Civile Università degli Studi di Firenze 8. Disinfezione Finale Calcolo il volume necessario e poi, date le proporzioni imposte, calcolo le altre dimensioni: (Per il calcolo di "h" e "b" sfrutto L/b e L/h) Verifica velocità orizzontale a Q media: