CORSO DI INGEGNERIA SANITARIA - AMBIENTALE EQUALIZZAZIONE - OMOGENEIZZAZIONE

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1 CORSO DI INGEGNERIA SANITARIA - AMBIENTALE ESERCITAZIONE 1 (Prof. Ing. Giordano Urbini; Ing. Cristiana Morosini) EQUALIZZAZIONE - OMOGENEIZZAZIONE (BASI TEORICHE ESEMPIO DI CALCOLO) 1. OBIETTIVI E CAMPI DI IMPIEGO Il trattamento di equalizzazione omogeneizzazione intende conseguire: - il livellamento delle punte di portata (equalizzazione); - il livellamento delle punte di inquinamento (omogeneizzazione). Questi obiettivi servono per alimentare, nei processi di depurazione, dei liquami sufficientemente costanti in qualità e portata, condizione necessaria per realizzare buone efficienze di depurazione e stabilità di esercizio. Questo vale per i processi chimico-fisici e, soprattutto, per i processi biologici notoriamente molto sensibili alle variazioni di carico (quantitativo e qualitativo). Il tipico campo di impiego è quello diffusissimo degli scarichi industriali con lavorazioni discontinue nell arco dell intera giornata (concerie, tintorie, industrie galvaniche ecc.). Al fine di conseguire tali obiettivi, l acqua di scarico viene raccolta in una vasca di accumulo di capacità sufficiente a riportare la variabilità entro limiti sopportabili dai processi di depurazione. Le vasche devono essere agitate allo scopo di impedire la 1

2 sedimentazione di materiali sospesi e aerate se le acque accumulate contengono sostanze organiche putrescibili. 2. CRITERIO DI CALCOLO Per il calcolo del volume che è necessario accumulare si può procedere in due modi: - Per via analitica. Applicando alla Fig. 1 il bilancio sulle portate risulta: 0 t Qin dt Qout t V dove: t intervallo di tempo nel quale si vuole realizzare l equalizzazione (usualmente 24 h); V volume da accumulare per realizzare l equalizzazione. - Per via grafica. Sia dato, ad esempio, uno scarico industriale con l andamento di portata rappresentato in Fig. 2. Trattasi di uno scarico di un industria tessile-tintoria che insiste solo nel periodo diurno (dalle ore 8 alle ore 17) e con andamento sensibilmente variabile. Si intende realizzare l equalizzazione-omogeneizzazione nell arco della giornata (24 h/d). Sulla base di questo grafico viene ricavato il grafico di Fig. rappresentante il volume progressivamente alimentato e quello progressivamente estratto nelle 24 ore giornaliere. Dal grafico risulta che: 2

3 - volume complessivamente alimentato nella giornata: m (spezzata a tratto continuo); - volume complessivamente estratto (a portata costante) nella giornata: m (retta a tratto e punto); - V V 1 + V m (volume accumulato). Per calcolare il volume effettivo della vasca di equalizzazioneomogeneizzazione, dato che si rende necessaria l agitazione per favorire l intima miscelazione ed il mantenimento in sospensione dei solidi, occorre sempre considerare un franco di circa 1,0 1,5 m d acqua (variabile in dipendenza del sistema di agitazione utilizzato): V V + eq V f ove V f rappresenta il volume corrispondente al franco. Nel caso specifico, avendo calcolato V 750 m, prevedendosi ad esempio una vasca a pianta quadrata con altezza di escursione del liquido H 2,5 m, risulta: V 2 - superficie vasca: Svasca 00 m ; H - lato vasca: L S 17, m; - V 750 m ; vasca vasca - volume relativo al franco (supposto di 1 m): V S 1m 00 m ; f vasca - volume effettivo della vasca di equalizzazione omogeneizzazione: Veq V + Vf m. Si prevede, pertanto, di installare una vasca di equalizzazione con le seguenti caratteristiche: - Volume: V eq m ; - Altezza utile massima di liquido: H u,5 m; - Superficie: S vasca 00 m 2 ; - Lato: L vasca 17, m;

4 - Tempo medio di ritenzione (a volume massimo m ): V Q m 50 m h eq Tr 24 21h; - Tempo medio di ritenzione (a volume minimo 00 m ): V Q 00 m 50 m h eq Tr 24 6 h. NOTA Nell esempio, il calcolo del bacino è stato fatto sulle portate (equalizzazione). Calcolo analogo potrebbe essere fatto sui carichi inquinanti (omogeneizzazione). Tuttavia, ai fini pratici, viene generalmente adottato il calcolo sulle portate sapendo che, di solito, ne consegue anche un adeguata omogeneizzazione.. SISTEMI DI AGITAZIONE - AERAZIONE L agitazione può essere effettuata con: - normali agitatori sommersi ad elica o a pala; - sistemi di aerazione. Questi ultimi, oltre che agitare, provvedono alla fornitura di ossigeno, condizione necessaria per i molteplici scarichi industriali a contenuto organico biodegradabile. Si utilizzano indifferentemente: - aeratori meccanici superficiali (turbine) galleggianti; - sistemi a bolle (in particolare, onde evitare l intasamento dei diffusori, sono utilizzati sistemi a bolle medie o grosse come, ad esempio, i cannoni a bolle). 4

5 4. ESEMPIO DI CALCOLO CALCOLO DI UN IMPIANTO DI DEPURAZIONE BIOLOGICA A FANGHI ATTIVI AL SERVIZIO DI UN INDUSTRIA TESSILE - TINTORIA Si chiede di: trovare il volume della vasca di equalizzazione e dimensionare gli altri principali comparti dell impianto nell ipotesi che il volume venga scaricato 5 giorni a settimana (grafico di Fig. 4). A) DATI DI PROGETTO - Portata giornaliera: Q d 1200 m /d; - Portata oraria istantanea: vedere grafico allegato (Fig. 2); - BOD 5 : mg/l (range); 280 mg/l (valor medio giornaliero); - ph: 5,2 7,5 (range); 7,0 (valor medio giornaliero); - TN TKN: 9 52 mg/l (range); 28 mg/l (valor medio giornaliero); - Scarico in acque superficiali. Obiettivi di depurazione: - BOD 5 40 mg/l; - NO - - N 20 mg/l; - SS 5 mg/l. 5

6 B) DIMENSIONAMENTO Schema di processo G EQ-OMO OX C F 0,1 SED II DISIN. I DISID. SCHEMA DI IMPIANTO A FANGHI ATTIVI A C F 0,1 AL SERVIZIO DI UN INDUSTRIA TESSILE-TINTORIA. Si prevede lo schema di processo sopra riportato. Al fine di realizzare un processo biologico a fanghi attivi stabile, oltre all inserimento della vasca di equalizzazione-omogeneizzazione, si prevede di adottare un carico di fango di progetto C F 0,1 Kg BOD 5 / Kg SS d, che garantisce, appunto, una migliore stabilità di esercizio. Ne consegue anche una semplificazione, a livello impiantistico, della linea fanghi. 6

7 LINEA LIQUAMI Calcolo del volume della vasca di equalizzazione - omogeneizzazione Dato che il processo biologico deve funzionare costantemente anche nel fine settimana, è necessario realizzare l equalizzazione sull intera settimana (7d). Il volume da attribuire alla vasca di equalizzazione si ricava per via grafica (Figura 4) ed è dato da: V V 1 + V m. Consideriamo un franco di sicurezza di 1 metro d acqua. Pertanto, supponendo che la vasca di equalizzazione abbia pianta quadrata con altezza di escursione del liquido H 2,5 m, si avrà: V 2 - superficie vasca: Svasca 767 m ; H - lato vasca: L S 27,7 m; - V m ; vasca vasca - volume relativo al franco (supposto di 1 m): V S 1m 767 m ; f vasca - volume effettivo della vasca di equalizzazione omogeneizzazione: Veq V + Vf m A favore di sicurezza, si sceglie di adottare: V eq m.. Agitazione-Aerazione Si prevede di installare un aeratore meccanico galleggiante di potenza assorbita pari a 42 KW. Risulta, a volume pieno, un input specifico di potenza pari a: 42 KW W KW m 15 W m L input specifico di potenza, ovviamente, si incrementerà in condizioni di vasca parzialmente piena. 7

8 Queste condizioni di input garantiscono la miscelazione completa e, quindi, l assenza di depositi di solidi in vasca. L uso di questo sistema di aerazione garantisce anche un adeguata ossigenazione (circa 2,5 Kg O 2 /KWh) dei liquami. Calcolo della portata media equalizzata In seguito al processo di equalizzazione, in uscita dalla vasca ed in ingresso al reattore biologico si avrà una portata media equalizzata Q out (si veda Figura 1), ovvero costante sulle 24 h/d e su 7 d/settimana, che è rappresentata dalla pendenza della retta a tratto e punto (volume estratto progressivamente a portata costante). Tale portata risulterà pertanto: Q out V t m 7 d m 7 d 857 m 5,7 m d h Calcolo dei carichi in ingresso in OX Carico di BOD 5 in OX: Carico BOD 5 Q out S out 857 m d 280 g m g BOD 240 Kg BOD 5 5 d d Carico di TKN in OX: Carico TKN Q out S out 857 m d 28 g m g TKN 24 Kg TKN d d 8

9 Calcolo del volume V del reattore biologico Si ipotizza che, a C F 0,1 Kg BOD 5 / Kg SS d, corrisponda un rendimento di depurazione biologica η (BOD 5 ) 95%. Per tale motivo, allo scarico, è attesa una concentrazione media di BOD 5 14 mg/l (limite allo scarico rispettato). Si ipotizza, inoltre, una concentrazione di biomassa nel reattore biologico: X 4 Kg SS/m. Q S 240 Kg BOD out out 5 V X CF 4 Kg SS m 0,1Kg BOD5 Kg SS d d 600 m Calcolo della portata di ricircolo q Si ipotizza X r 8 Kg SS/m (scelta prudenziale). Rapporto di ricircolo R R q Q out X % X X 8 4 r Portata di ricircolo q q R Q out 5,7 m /h Calcolo della produzione di fango di supero biologico Produzione specifica di fango di supero: W Xr / Q S Si ipotizza l applicabilità della formula di calcolo: W X r / Q S ε [Y (b / η C F )], con: 9

10 ε 1,2-0,28 C F ; Y 1; b 0,05. W X r / Q S 0,55 Kg SS/Kg BOD 5 rimosso Produzione di fango di supero W X r 0,55 Q S 0,55 η Qout Sout 0,55 0, Kg BOD5 125,4 Kg SS d d Portata di fango di supero W W X r / X r 125,4 (Kg SS/d) / 8 (Kg SS/m ) 15,6 m /d Calcolo della fornitura di Ossigeno Verifica della nitrificazione con il criterio dell età minima del fango Al carico di fango prescelto (C F 0,1), si ha la certezza della nitrificazione dell ammoniaca in tutte le condizioni di temperatura del mixed-liquor (inverno: C; estate: 20 C). Comunque, volendo effettuare la verifica con il criterio dell età minima del fango (θ c,min ), alla T estiva di 20 C si ha: 1 θ c,min OD 0,21 K + OD O 2 ( T 20) [ 1 0,8 ( 7,2 ph) ] 1,12 1 θ c,min 2 0,21 0,19 d 1, θ c,min 5,1d 10

11 Nel calcolo si è ipotizzata una concentrazione di ossigeno disciolto nel reattore di 2 ppm e l ininfluenza del ph (ph 7,2). L età del fango di progetto θ c, corrispondente al valore C F 0,1, vale: θ V X W X 600 m 4 Kg SS m 125,4 Kg SS d c r 19,14 d θ c risulta ampiamente superiore a θ c,min e, conseguentemente, si ha nitrificazione. Pertanto, nel calcolo del consumo di ossigeno, si dovrà tener conto anche di questo contributo. Analogamente, può essere calcolata l età minima del fango alla temperatura invernale: per T 10 C, risulta θ c,min 16,4 d, a conferma del fatto che la nitrificazione ha luogo anche a questa temperatura. Carico di TKN nitrificato Il carico di N rimosso per sintesi biologica è stimabile sulla base del classico rapporto ponderale BOD 5 / N / P 100 / 5 / 1. Quindi, essendo il consumo di BOD 5 pari a 228 Kg BOD 5 /d ( 0, Kg BOD 5 /d), il consumo di N risulta pari a: BOD 5 : N 100 : / 20 11,4 Kg/d. Il carico di TKN nitrificato risulta pertanto: carico di TKN alimentato carico di N rimosso per sintesi biologica 24 11,4 12,6 Kg/d. Tale carico si ritroverà in uscita principalmente sotto forma di Azoto nitrico, con una concentrazione pari a: 12,6 (Kg NO - - N/d) / (857 m /d) 14,7 mg/l (rispettoso del limite di legge). 11

12 Fabbisogno di ossigeno, da parte della flora batterica, in condizioni di punta F O2 K α Q S + β X V + K 4,57 N Si assumono i seguenti valori per i coefficienti: α 0,5 (Kg O2/Kg BOD 5 ); β 0,1 (Kg O2/Kg SS d); K 1, (coefficiente di punta; si adotta questo valore K 1, in ragione della presenza di un efficiente sistema di equalizzazione in testa all impianto in grado di laminare le punte di portata). Si ha, pertanto: F O2 K α Q S + β X V + K 4,57 N 1, 0, , , 4,57 12,6 148, ,8 46 Kg O 2 /d 19, Kg O 2 /h. Verifica dell O.C./load O.C./load F O2 / Q out S out 46 (Kg O 2 /d) / 240 (Kg BOD 5 alimentati/d) 1,9 Fabbisogno di ossigeno in condizioni standard ( F' O2) F' c.s.(kg/d) 1,024 O2 (Kg/d) ( T-20) ( Cs - C) T ( Cs - C) C.S. φ Si ipotizza: - Massima temperatura di esercizio: 20 C (condizione più critica; a T 20 C, si ha C s 9,2 mg/l); - C 2 mg/l (concentrazione di ossigeno nella vasca di ossidazione biologica in condizioni di regolare esercizio); - ϕ 0,8 (rapporto tra le costanti di trasferimento dell ossigeno di mixedliquor e acqua pulita a 20 C). 12

13 46 ( ) 79,5 Kg O d 0,8 Kg O h F' C.S ,2 0,8 9,2 O 2 Fornitura di aria Si prevede di fornire l ossigeno mediante l impiego di diffusori a bolle. Si ipotizza un rendimento η oss. di trasferimento dell ossigeno del 20%: Q aria ' ( F ) ( Kg O d) η O2 oss. 2 C.S. 550,2 Nm 0,28 24 h d h ove 0,28 (Kg O 2 / Nm aria) rappresenta il peso di ossigeno in un Nm di aria. Verifica della miscelazione completa Con questa portata d aria (Q aria ), risulta una fornitura specifica di: 550,2 Nm h 0,92 Nm h m 600 m di reattore Considerato che, per realizzare un sufficiente livello di miscelazione, occorre avere una fornitura specifica di aria di almeno 1,2 Nm /h m di reattore, si rende necessario fornire una portata d aria pari a: Qaria 1,2 Nm h m 600 m 720 Nm h In questo caso, dunque, la verifica della miscelazione completa è risultata essere il fattore limitante nel calcolo della fornitura d aria. Si prevede, pertanto, di installare: 1

14 - n.2 soffianti (di cui una avente funzione di riserva) aventi ciascuna le seguenti caratteristiche: - Portata d aria: 720 Nm /h; - Prevalenza: 6 m (,5 m di battente idraulico + 2,5 m circa di perdite di carico, da verificare nel dettaglio in sede di progettazione esecutiva). Calcolo della Sedimentazione Secondaria Calcolo di superficie e volume complessivi Si fissa un CIS di 0,6 m/h alla Q out. Risulta: S Q out / CIS 5,7 (m /h) / 0,6 (m/h) 59,5 m 2 Si prevede di installare un decantatore circolare del diametro: D 8,7 m. Si sceglie un diametro commerciale: D 10 m, cui corrisponde una superficie: S 78,5 m 2. Si sceglie un altezza utile d acqua: H m. Risulta, conseguentemente, un volume: V 78,5 (m 2 ) (m) 25,5 m Verifica del Tempo di ritenzione T r V / Q out 25,5 (m ) / 5,7 (m /h) 6,6 h Verifica del Flusso Solido FS (Q out + q) X / S (5,7 + 5,7) 4 / 78,5,6 Kg SS/m 2 h 14

15 Calcolo della lunghezza di stramazzo Si suppone di realizzare uno stramazzo a denti di sega lungo tutta la circonferenza esterna del decantatore. Si ha, pertanto: L stramazzo 10 π 1,4 m Si verifica: Carico sullo stramazzo 5,7 (m /h) / 1,4 (m) 1,1 m /h m lineare In definitiva si prevede di installare: n. 1 decantatore circolare a flusso radiale, meccanizzato; Diametro: D 10 m; Altezza utile d acqua: m; Volume: 25,5 m ; Superficie: 78,5 m 2. Si prevedono, quindi, le seguenti condizioni operative: T r alla Q out : V / Q out 25,5 / 5,7 6,6 h; CIS alla Q out : Q out / S 5,7 / 78,5 0,45 m/h; FS alla Q out + q ricircolo : (Q out + q) X / S,6 Kg SS / m 2 h. 15

16 LINEA FANGHI Ispessimento Si sceglie (caso di solo fango attivo) il valore di FS 20 Kg SS / m 2 d. Si ha: Carico di solidi in alimentazione Carico in Q in Conc. in 15,6 m /d 8 Kg SS/m 125,4 Kg SS/d Calcolo di superficie e diametro dell ispessitore Carico FS 125,4 Kg SS d 20 Kg SS m d in S 2 6, m 2 Si suppone di installare N1 ispessitore di diametro D 2,8 m. Si decide di realizzare un ispessitore commerciale meccanizzato (rastrelliera interna) del diametro D m (S 7,1 m 2 ). Calcolo del volume Si fissa un altezza utile d acqua H m. Risulta, conseguentemente: V 21, m. Si verifica il tempo di ritenzione Tr: Volume 21, m Tr Portata 15,6 m d 1 d 24 h h 16

17 Calcolo della portata effluente Q Carico Conc. 125,4 Kg SS d 0 Kg SS m in eff. out 4,18 m d Disidratazione meccanica Si prevede di installare N1 centrifuga a tamburo, operante 5 h/d, per l ottenimento di una concentrazione di secco pari al 25%: Q Qeff. 4,18 m d 5 h d 5 h d centrifuga 0,84 m h Si sceglie di installare una macchina avente capacità di 1 m /h. Per tale scopo, è previsto il condizionamento del fango con polielettrolita dosato nella misura di 7,5 Kg/tonnellata SS. 17

18 Q in EQ-OMO Volume V eq Q out Qin Qout dv dt Q dt Q dt in out dv 0 t Qin dt Qout t V dove: - t intervallo di tempo nel quale si vuole realizzare l equalizzazione (usualmente 24 h); - V volume da accumulare per realizzare l equalizzazione. Fig. 1 Calcolo del volume della vasca di equalizzazione omogeneizzazione per via analitica. 18

19 Fig. 2 Andamento della portata relativa allo scarico di un industria tessile-tintoria. 19

20 Fig. Grafico del volume: - progressivamente alimentato (spezzata a tratto continuo) - progressivamente estratto a portata costante (retta a tratto e punto) relativo allo scarico di un industria tessile-tintoria. 20

21 Fig. 4 Grafico del volume scaricato da un industria tessiletintoria nell arco di 5 giorni ( t previsto per l equalizzazione: 7 giorni). 21