LA PROGETTAZIONE DELLE VASCHE DI PRIMA PIOGGIA

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1 Tecnologie ed innovazione in tema di movimentazione e trattamento dei fluidi Catania, 21 maggio 2009 LA PROGETTAZIONE DELLE VASCHE DI PRIMA PIOGGIA Prof. Sergio Papiri Università degli Studi di Pavia Via Ferrata, PAVIA papiri@unipv.it

2 Lo Stato Italiano, con il Decreto Legislativo 3 Aprile 2006, n. 152 Norme in materia ambientale ha delegato alle Regioni la disciplina delle acque meteoriche di dilavamento e delle acque di prima pioggia ai fini della prevenzione di rischi idraulici e ambientali. La Regione Lombardia, con i Regolamento Regionale 24 marzo 2006 N. 3 Disciplina e regime autorizzatorio degli scarichi di acque reflue domestiche e di reti fognarie, in attuazione dell art. 52, comma 1, lettera a) della Legge regionale 12 dicembre 2003, n. 26 Regolamento Regionale 24 marzo 2006 N. 4 Disciplina dello smaltimento delle acque di prima pioggia e di lavaggio delle aree esterne, in attuazione dell art. 52, comma 1, lettera a) della Legge regionale 12 dicembre 2003, n. 26 ha ritenuto di perseguire l obiettivo di qualità imponendo il trattamento di un aliquota delle acque meteoriche di dilavamento

3 Il Regolamento 24/03/06 n. 3 della Regione Lombardia impone il trattamento di una parte del deflusso meteorico : fissando i criteri di dimensionamento degli sfioratori di piena delle reti fognarie di tipo unitario; imponendo l obbligo, per le fognature separate, di inviare alla depurazione un aliquota delle acque di pioggia; imponendo che le acque eccedenti le portate di dimensionamento degli scaricatori di piena vengano avviate a vasche di accumulo di data capacità.

4 Il Regolamento Regionale 24 marzo 2006 N. 3 prescrive: Gli sfioratori di piena di sistemi fognari misti devono lasciar defluire all impianto di trattamento una portata pari al più elevato dei valori derivanti dai seguenti criteri: 750 l/a.e./g (o 1000 l/a.e./g quando le acque sfiorate sono recapitate in laghi, suolo o strati superficiali del sottosuolo). rapporto di diluizione pari a 2 rispetto alla portata nera media giornaliera per apporti civili e su 12 ore per scarichi industriali (salvo più turni giornalieri). Se gli apporti industriali in termini di A.E. superano il 50% del totale, rapporto di diluizione di 2,5. Le condotte per acque meteoriche di dilavamento delle reti fognarie separate devono essere realizzate in modo da avviare all impianto di trattamento delle acque reflue urbane l aliquota delle acque di pioggia corrispondente ad un apporto di 1 l/s per ettaro di superficie scolante impermeabile Vasche di p.p. di: 50 m 3 /ha imp per corpi idrici significativi individuati dal PTUA, suolo/strati superficiali del sottosuolo 25 m 3 /ha imp per corpi idrici non significativi

5 Le strategie di controllo qualitativo degli scarichi fognari in tempo di pioggia Sistemi non strutturali Sistemi strutturali Trattamenti in situ Gli scaricatori di piena Le vasche di prima pioggia

6 Effetti di scaricatori di piena Applicazione alla fognatura di Cascina Scala (Pavia) del modello SWMM dell US-EPA per una serie continua di eventi (1997) (Barco e Papiri, 2003). Numero di scarichi annui Eventi che generano scarico Massa scaricata Volume scaricato Vscar/Vmax Mscar/Mmax Portata di soglia specifica [l/(s*haimp)] Numero di scarichi annui, volumi idrici e masse di SS scaricati, normalizzati, in assenza di depositi in rete

7 Adozione di soli scaricatori di piena Emissario di piena di un impianto di depurazione di medie dimensioni

8 Il controllo degli scarichi fognari mediante vasche di pioggia: aspetti idraulici e ambientali Schemi impiantistici e sistema fognario Portate di inizio sforo degli scaricatori e volumi utili delle vasche di prima pioggia Influenza delle caratteristiche idrologiche del bacino Modalità di svuotamento

9 Unitaria Nera Bianca In linea di transito Ricettore Vasca di prima pioggia Sistema di valle Sistema di valle a) b) Ricettore Vasca di prima pioggia Unitaria Nera Bianca Fuori linea di transito Scaricatore di piena Ricettore Scaricatore di piena Ricettore Vasca di Vasca di Sistema di valle prima pioggia Sistema di valle prima pioggia c) d) Unitaria By-pass Nera Bianca By-pass Ricettore Ricettore Fuori linea di cattura Scaricatore di piena Scaricatore di piena Vasca di Sistema di valle prima pioggia Sistema di valle e) f) Vasca di prima pioggia

10 Schemi impiantistici Nello schema delle VASCHE DI CATTURA, una volta che la vasca si è riempita, le portate in eccesso rispetto a quelle ammesse a valle sono intercettate a monte della vasca e scaricate nel ricettore senza che possano miscelarsi con il volume già accumulato. Nello schema delle VASCHE DI TRANSITO, una volta che la vasca si è riempita, le portate in eccesso rispetto a quelle ammesse a valle entrano comunque nella vasca, miscelandosi con l acqua già accumulata e provocandone lo sfioro verso lo scarico. Quale dei due schemi sia più efficace ai fini della protezione del corpo ricettore non è definibile a priori. Le vasche di cattura sono più efficaci nei casi in cui i pollutogrammi sono caratterizzati da un significativo effetto di first flush. Le vasche di transito sono più efficaci nel caso, molto meno frequente, in cui ci sia un effetto di last flush.

11 Schemi impiantistici Vasca di transito in linea Vasca di transito fuori linea Vasca di cattura fuori linea R=3

12 Tipologia di sistema fognario Vasca di cattura Sistema unitario senza deposito Sistema unitario con deposito Sistema separato con deposito R=3

13 Portate di inizio sfioro degli scaricatori e volumi utili delle vasche di prima pioggia Vasca di cattura R=2 6

14 Volumi utili di vasche di prima pioggia a valle di scaricatori Simulazione dell inserimento di vasche di prima pioggia a valle degli scaricatori esistenti nella rete unitaria di un area urbana nella periferia di Bologna (Artina( e Maglionico,, 2001) Volumi cumulati (m 3 /ha) Senza vasche Vasche di 25 mc/ha Vasche di 50 mc/ha Vasche di 70 mc/ha Massa BOD 5 cumulata (kg/ha) Senza vasche Vasche di 25 mc/ha Vasche di 50 mc/ha Vasche di 70 mc/ha gen feb mar apr mag giu lug ago Tempo (mesi) set ott nov dic gen feb mar apr mag giu lug ago Tempo (mesi) set ott nov dic Massa SST cumulata (kg/ha) Senza vasche Vasche di 25 mc/ha Vasche di 50 mc/ha Vasche di 70 mc/ha Massa COD cumulata (kg/ha) Senza vasche Vasche di 25 mc/ha Vasche di 50 mc/ha Vasche di 70 mc/ha gen feb mar apr mag giu lug ago Tempo (mesi) set ott nov dic gen feb mar apr mag giu lug ago Tempo (mesi) set ott nov dic

15 Modalità di svuotamento Lo svuotamento di una vasca di prima pioggia, ferma restando la necessità di limitare la portata a valori compatibili con la capacità massima di ricezione del sistema posto a valle (rete o depuratore), può essere realizzato secondo differenti soluzioni, essenzialmente riconducibili a due principali modalità: Svuotamento in continuo,, anche durante l evento l meteorico Svuotamento intermittente,, in genere con inizio successivo all esaurimento del deflusso generato dall evento meteorico

16 Modalità di svuotamento SVUOTAMENTO IN CONTINUO Lo svuotamento in continuo, tipicamente applicato alle vasche in linea costituisce il sistema più semplice dal punto di vista costruttivo e gestionale.. Richiede solo l installazione l di una bocca di efflusso in grado di limitare la portata in uscita al valore massimo ammissibile per il sistema posto a valle. Comporta a parità di volume della vasca, l accumulo l e l invio l alla depurazione di volumi di pioggia maggiori rispetto allo svuotamento intermittente. SVUOTAMENTO INTERMITTENTE Lo svuotamento intermittente, applicabile a tutti gli schemi impiantistici iantistici con vasca fuori linea e agli schemi di vasche in linea in sistemi i pluviali, è il sistema complesso dato che contempla la definizione dell istante di inizio del processo di svuotamento (ed eventualmente la sua interruzione temporanea se il deflusso meteorico torna ad essere diverso da zero), z nonché il controllo della portata in uscita dalla vasca in funzione della portata defluente nel canale derivatore dello scaricatore di piena (negli schemi fuori linea) e nel sistema di valle. Comporta a parità di volume della vasca, l accumulo l e l invio l alla depurazione di volumi di pioggia minori rispetto allo svuotamento in continuo.

17 Svuotamento in continuo -Rete unitaria volume accumulato in vasca (pari alla capacità della vasca) W V portata inviata all impianto di trattamento (circa costante) volume di svuotamento della vasca volume accumulato nella vasca (svuotatasi parzialmente in Δt) q UU Δt Vantaggi: Svantaggi: - assenza di organi meccanici in movimento - assenza di dispositivi di controllo dello svuotamento della vasca - elevati volumi inviati all impianto di trattamento

18 Svuotamento intermittente -Rete unitaria Inizio svuotamento dopo un intervallo (pari a ΔT T meno la durata dello svuotamento) dall azzeramento azzeramento della portata meteorica di deflusso ed esclusione della vasca fino al suo totale svuotamento Evento 1 volume accumulato in vasca (pari alla capacità della vasca) volume by-passato verso il ricettore volume svuotato = W V Evento 2 rq nm rq nm q n max W V durata svuotamento W V ΔT inizio svuotamento fine svuotamento Controllo degli scarichi fognari nei corpi ricettori

19 Modalità di svuotamento Simulazione quasi continua di tre modalità di svuotamento Vasca di prima pioggia inserita in una fognatura pluviale. Dati pluviometrici registrati nel 2000 a Cascina Scala (Pavia). Eventi selezionati sulla base di un IET = 1h. Adozione di un modello concettuale globale basato sullo schema delld ell invaso lineare per la ricostruzione degli idrogrammi e dei relativi pollutogrammi. 1. Vasca in linea, con funzionamento idraulico prossimo a quello di vasca di cattura, con svuotamento in continuo. 2. Vasca di cattura,, senza scaricatore di piena, con svuotamento intermittente senza interruzione in tempo di pioggia. 3. Vasca di cattura, senza scaricatore di piena, con svuotamento intermittente con interruzione in tempo di pioggia.

20 Modalità di svuotamento Volume annuo intercettato % Svuot. in continuo Svuot. intermittente senza interr. 24 h Svuot. intermittente senza interr. 48 h Svuot. intermittente senza interr. 96 h Svuot. intermittente con interr. 24 h Svuot. intermittente con interr. 48 h Svuot. intermittente con interr. 96 h Volume specifico della vasca [m3/haimp] Massa annua intercettata % Svuot. in continuo Svuot. intermittente senza interr. 24 h Svuot. intermittente senza interr. 48 h Svuot. intermittente senza interr. 96 h Svuot. intermittente con interr. 24 h Svuot. intermittente con interr. 48 h Svuot. intermittente con interr. 96 h Volume specifico della vasca [m3/haimp]

21 Modalità di svuotamento Le simulazioni mostrano che il 70% della massa inquinate annua può essere intercettato mediante: una vasca di 25 m 3 /ha imp se lo svuotamento è in continuo una vasca di 50 m 3 /ha imp se lo svuotamento è intermittente con ΔT=24 ore; una vasca di 75 m 3 /ha imp se lo svuotamento è intermittente con ΔT=48 ore; Se lo svuotamento è intermittente con ΔT=96 ore,, non si consegue questo obiettivo nemmeno con vasche di 100 m 3 /ha ha imp. Alla stessa percentuale di rimozione della massa inquinante (nell esempio esempio 70%) conseguibile con le diverse modalità di svuotamento, corrispondono percentuali di riduzione dei volumi scaricati sensibilmente diverse: lo svuotamento in continuo comporta un aumento più che doppio dei volumi conferiti alla depurazione rispetto al caso intermittente con ΔT=24 ore; le percentuali di volume e di massa specifici annui intercettati sono quasi indipendenti dalla portata di svuotamento per volumi specifici della d vasca di m 3 /ha imp, mentre crescono leggermente all aumentare aumentare della portata di svuotamento per volumi superiori

22 Aspetti progettuali e gestionali delle vasche di prima pioggia Schemi impiantistici Forme delle vasche Sistemi di alimentazione Sistemi di svuotamento Sistemi di lavaggio

23 Sezione A_A C B camere di accumulo sistema di monte Alimentazione Sfioro di troppo pieno sfioro di by-pass Sistema di pulizia del fondo A A A A ricettore canale derivatore Sistema di svuotamento 1,5 0,15 0,3 1 0,15 Sezione B_B Tc 1:5 C canaletta di raccolta B sistema di pompaggio B sistema di valle B

24 Aspetti gestionali La gestione delle vasche di prima pioggia e degli altri eventuali manufatti associati (scaricatori di piena, by-pass, apparecchiature di lavaggio e scarico, stazioni di pompaggio) è attuata attraverso interventi di controllo, manutenzione ordinaria e manutenzione straordinaria,, al fine di: garantire,, attraverso il funzionamento continuo e regolare dell impianto, il perseguimento degli obiettivi di tutela ambientale posti a base della sua progettazione; impedire la degradazione delle strutture e dei macchinari installati; evitare problemi di impatto negativo nei confronti della cittadinanza e dell ambiente (cattivi odori, eccessivi rumori, scarichi inquinanti incontrollati); garantire la salute degli operatori

25 Aspetti gestionali La progettazione dovrà quindi tenere conto delle esigenze gestionali, dedicando particolare cura alle problematiche relative all accesso accesso e all ispezione della vasca, nonché all estrazione delle apparecchiature e dei dispositivi meccanici installati. L ispezione della vasca dovrebbe essere garantita, anche in condizioni di vasca piena, per tutto il suo sviluppo,, attraverso passerelle laterali o centrali poste al di sopra del massimo livello idrico previsto. L accesso L alle passerelle dovrebbe essere consentito attraverso normali scale, evitando per quanto possibile l uso l di botole e gradini alla marinara che, pur molto più economici, comportano difficoltà di utilizzo tali da disincentivare gli interventi ispettivi. Nelle vasche coperte, vanno inoltre previsti opportuni sistemi di d aerazione e ventilazione che garantiscano l eliminazione l di eventuali esalazioni che possono determinare esplosioni, asfissia o effetti tossici. La ventilazione degli spazi interni alle vasche è anche finalizzata a determinare condizioni ambientali favorevoli ad una maggiore durata dei materiali.

26 Aspetti gestionali Sulla base delle simulazioni sopra citate, si può ritenere che lo svuotamento intermittente con ΔT pari a 24 ore rappresenti la modalità di svuotamento più conveniente,, dato che consente sia di ridurre in maniera rilevante le masse inquinanti scaricate nel corpo c idrico ricettore, sia di limitare a percentuali modeste i volumi di origine meteorica inviati all impianto di trattamento. I tempi di permanenza dell acqua nelle vasche non devono essere troppo lunghi per evitare lo sviluppo di fenomeni putrefattivi e, quindi, di gas nauseabondi e tossici. In ogni caso, se le vasche sono coperte, vanno previsti sistemi di ventilazione e di estrazione forzata dell aria. Questi sistemi rappresentano anche necessarie misure di sicurezza per gli operatori addetti alla gestione e alla manutenzione

27 Pulizia del fondo I solidi sedimentabili presenti nelle acque meteoriche di dilavamento si depositano sul fondo delle vasche di prima pioggia. Questi sedimenti hanno un contenuto significativo di materiale organico e, quindi, soprattutto quando le temperature sono elevate, favoriscono lo sviluppo di batteri e microrganismi che causano problemi di tipo igienico e cattivi odori.

28 La vasca di prima pioggia del Bivio Vela Inizio [ora:minuto] Altezza [mm] Evento del 22/01/2007 Durata [minuti] TSA [giorni] I max [mm/min min] 21:24 26, ,0 2,85 0,45 0,4 Intensità [mm/min] 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, Tempo [min.]

29 Quantificazione Sez. A_A [mm] Sez. B_B [mm] Sez. C_C [mm] Sez. A_A Camp. 1 Sez. B_B Camp. 2 Sez. C_C Camp Volume sedimenti = 4,99 m 3

30 Caratterizzazione Campione 2 Sezione B_B Umidità: ~ 86% Densità del campione umido: ~ 1100 [kg/m 3 ] Contenuto di sostanza organica: ~30% Composizione mineralogica: quarzi, feldspati e una piccola percentuale di miche VAGLIATURA AREOMETRIA Normativa A.S.T.M. D < 0,038 mm 94% % < 0,038 mm 88,2% < 0,038 mm 84,6% Campione 1 Campione 2 Campione 3 0,001 0,01 0, Dimensione grani [mm] % Campione 1 Campione 2 Campione 3 0,001 0,01 0,1 Dimensione grani [mm]

31 Modalità di pulizia La rimozione dei sedimenti costituisce un intervento essenziale di manutenzione delle vasche di raccolta delle acque di prima pioggia. ia. I requisiti più importanti di un sistema di pulizia per vasche di prima pioggia sono : affidabilità meccanica e necessità di poca manutenzione; facilità di installazione e di rimozione in caso di manutenzione straordinaria; costo non eccessivo; nessuna esigenza di acqua oltre a quella conferita dal sistema fognario; bassa richiesta di energia elettrica.

32 Modalità di pulizia Esistono diversi sistemi di pulizia delle vasche: PARATOIE SISTEMI A DEPRESSIONE VASCHE RIBALTANTI MIXER ED EIETTORI I primi tre sistemi agiscono subito dopo che la vasca si è svuotata rimuovendo i sedimenti depositati durante le fasi di riempimento, quiete e svuotamento. Il quarto sistema funziona quando c èc ancora un certo quantitativo di acqua in vasca per mantenere e riprendere in sospensione i solidi presenti nell acqua invasata.

33 Modalità di pulizia Ogni sistema di lavaggio è applicabile a tutte le possibili tipologie di vasche (in linea o fuori linea, di transito o di cattura) I diversi sistemi di pulizia sono equivalenti dal punto di vista dei costi di investimento, ma richiedono impegni di potenza e consumi di energia e molto diversi: i sistemi di lavaggio mediante paratoie presentano i minori impegni di potenza e consumi di energia, mentre quelli con mixer ed eiettori comportano i maggiori impegni di potenza e consumano i maggiori quantitativi di energia. L impiego di eiettori aria-acqua acqua elimina (o comunque riduce considerevolmente) i fenomeni putrefattivi di tipo anaerobico che creano problemi in loco e nel sistema di valle (rete fognaria o impianto di depurazione). Le concentrazioni molto elevate di solidi sedimentabili nelle acque di lavaggio, tipiche dei sistemi che agiscono quando la vasca è vuota, possono creare problemi significativi di deposito nella rete fognaria di valle,, soprattutto se le pendenze dei collettori sono contenute.

34 Alcuni esempi

35 Schema funzionale Bivio Vela di Pavia S3 S2

36 Cunicolo di ispezione lungo il perimetro della vasca Bivio Vela di Pavia

37 Sistema di pulizia con vasche ribaltanti Biandrate

38 Vasche ribaltanti

39 Sistema di pulizia con paratoie Installazione della Società STEINHARDT a Sesto San Giovanni (Milano)

40 cabina di protezione con pannello di controllo e pompa da vuoto livello d'acqua massimo camera di accumulo sifone vasca di prima pioggia livello più alto livello minimo pozzetto Sistema di pulizia a depressione (BIOGEST, 2004)

41 Vasca di prima pioggia in testa all impianto di depurazione di Arena Po (Pavia)

42 Sistema di pulizia con eiettori Vasca di prima pioggia di Arena Po (Pavia)

43 Eiettori in funzione

44 Stato di pulizia a fine lavaggio