Dimensionamento e caratteristiche costruttive degli impianti di fitodepurazione

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1 Istituto Tecnico Industriale S. Cannizzaro Catania Anno Formativo Corso I.F.T.S. Tecnico Superiore per il monitoraggio e la gestione del territorio e dell ambiente ambiente Dimensionamento e caratteristiche costruttive degli impianti di fitodepurazione Dott. Agr. Mirco Milani

2 Premessa Nonostante la semplicità tecnologica degli impianti di fitodepurazione le variabili da considerare per la loro corretta esecuzione sono varie e non sempre direttamente valutabili. Sono necessarie non solo nozioni di ingegneria idraulica ma anche una conoscenza dei processi fisici, chimici e biologici e delle interazioni ecologiche tipiche delle zone umide. Le possibilità offerte in letteratura per il dimensionamento degli impianti di fitodepurazione sono diverse: ciò è dovuto sia alla giovane età della tecnica di depurazione, sia al fatto che per il grande numero di processi che avvengono in tali impianti, molti dei quali tuttora dibattuti a livello scientifico, è molto difficile arrivare ad una modellizzazione matematica esauriente.

3 Progettazione: definizione degli obiettivi qualitativi dell effluente trattato EFFLUENTE IMPIANTO DI FITODEPURAZIONE recapito in acque superficiali riuso Limiti di emissione: Allegato 5 del D.Lgs. 152/2006 D.M. 185/2003 Destinazioni d uso: Irriguo; Civile; Industriale

4 Progettazione: definizione dei parametri di dimensionamento ε ε 0,7 0,95 0,95 1 Q, C i W FWS A L h SSF ε 0,3 0,4 Q, C o C i, C o concentrazioni dell inquinante in ingresso ed in uscita (mg/l); Q Q i Q o portata (m 3 /giorno) per I P ET 0; A area superficiale del bacino (m 2 ); h altezza della colonna d acqua (m); ε porosità del sistema (m 3 /m 3 ). modelli matematici H-SSF: 0,2 0,8 m; FWS: 0,1 1 m (tipo di trattamento; macrofite) SSF: medium di riempimento FWS: densità vegetazione

5 Progettazione: definizione dei parametri di dimensionamento larghezza (m) volume (m 3 ) area (m) lunghezza (m) A V altezza della colonna d acqua (m) A L W Area (m 2 ) porosità (m 3 /m 3 ) Volume di reazione (m V A h ε 3 )

6 Progettazione: definizione dei parametri di dimensionamento portata (m 3 /giorno) Q volume (m 3 ) V HRT q V A h ε h ε Tempo di detenzione nominale (giorni) Q Q q Q A Carico idraulico superficiale (m/giorno)

7 Progettazione: modelli matematici Il comportamento idraulico dei sistemi di fitodepurazione viene usualmente schematizzato mediante un modello di flusso a pistone (plug flow) t0 INGRESSO t1 t2 USCITA FLUSSO Su tale schema, e ipotizzando una cinetica di rimozione del primo ordine, si basano i modelli maggiormente utilizzati, sia in Europa che negli Stati Uniti, per il dimensionamento e la modellazione degli impianti di fitodepurazione

8 Progettazione: modelli matematici C C Formulazione volumetrica o i V C C * * exp Modello k-c* (Kadlec e Knight, 1996) Cinetica del primo ordine e schematizzazione idraulica del tipo plug-flow C i concentrazione dell inquinante in ingresso (mg/l) C o concentrazione dell inquinante in uscita (mg/l) C* concentrazione di background (mg/l) volume (m 3 ) ( k HRT ) * Q Co C ln * kv Ci C V HRT V Q portata (m 3 /giorno) k V coefficiente volumetrico di rimozione (giorni -1 ) k V k A ε h k A coefficiente di rimozione (m/giorno) k A k 20 θ ( T 20) k 20 coefficiente di rimozione alla temperatura di 20 C (m/giorno) θ fattore di correzione della temperatura T temperatura delle acque reflue C

9 Progettazione: modelli matematici Modello k-c* (Kadlec e Knight, 1996) Cinetica del primo ordine e schematizzazione idraulica del tipo plug-flow C i concentrazione dell inquinante in ingresso (mg/l) C o concentrazione dell inquinante in uscita (mg/l) C* concentrazione di background (mg/l) C C o i Formulazione aerale C C * * k exp A Q A k A coefficiente di rimozione (m/anno) k area (m 2 ) A k 20 θ ( T 20) A * Q Co C ln * k A Ci C portata (m 3 /giorno)

10 Progettazione: modelli matematici Modello k-c* (Kadlec e Knight, 1996) Valori di k 20, C * e θ per il BOD 5 Tipologia di sistema k 20 (m/anno) C * (mg/l) θ FWS 34 6,2 0,98 H-SSF ,0 1,00 1,05 C * 3,5 + 0,053 C i (per 0 C i < 200 mg/l) per BOD 5 Valori di θ diversi da 1 indicano una dipendenza del processo di rimozione dell inquinante in esame

11 Progettazione: modelli matematici Modello monoparametrico (Reed, Crites & Middlebrooks 1998) Cinetica del primo ordine e schematizzazione idraulica del tipo plug-flow C i concentrazione dell inquinante in ingresso (mg/l) C o concentrazione dell inquinante in uscita (mg/l) C C o i exp ( k HRT ) T A h ε HRT Q A Q ln( C C K h ε T i o) k T coefficiente di rimozione (giorni -1 ): T Temperatura delle acque reflue ( C) Per il BOD 5 : θ 1,06 k T k 20 θ ( T 20) k 20 coefficiente di rimozione a 20 C 0,678 giorni -1 (FWS) oppure 1,104 giorni -1 (H-SSF)

12 Progettazione: modelli matematici (FWS) Equazione di Manning (1) v v velocità dell acqua (m/s) s gradiente idraulico (m/m) 1 / n n coefficiente di Manning (s/m 1/3 ) h altezza della colonna d acqua (m) a coefficiente di scabrezza (s m 1/6 ); ( 2 / 3 ) ( 1 2 h s ) 0,4 s m 1/6 per vegetazione rada e bassa, con h > 0,4 m; 1,6 s m 1/6 per vegetazione moderatamente densa, con h 0,3 m; 6,4 s m 1/6 per vegetazione molto densa, con h 0,3 m. n a 1 / h Vengono generalmente utilizzati valori di a che variano tra 1 e 4 s m 1/6 2

13 Progettazione: modelli matematici (FWS) Equazione di Manning (2) Considerando che: portata (m 3 /giorno) v larghezza (m) v Q W h 1 / a altezza acqua (m) ( 7 / 6 ) ( 1 2 h s ) W area (m 2 ) A L s lunghezza (m) fattore precauzionale m h L Combinando le equazioni si ottiene la massima lunghezza del bacino di fitodepurazione FWS: L A ( 8 / 3 ) ( 1 / 2 h m ) a Q / 3

14 Progettazione: modelli matematici (H-SSF) Legge di Darcy v k s s v velocità dell acqua (m/giorno) s gradiente idraulico (m/m) K s conducibilità idraulica del mezzo poroso (m/giorno) Considerando che: v larghezza (m) Q W h portata (m 3 /giorno) altezza della colonna d acqua (m)

15 Progettazione: modelli matematici (H-SSF) Q ks W h s Q k s A T s A T area trasversale del bacino (m 2 ) larghezza (m) Considerando che: W A L area (m 2 ) lunghezza (m) gradiente idraulico (m/m) s fattore precauzionale m h L altezza d acqua (m) lunghezza (m) W 1 h Q m A k s 1 2

16 Progettazione V-SSF Il dimensionamento dei letti V-SSF è basato su criteri empirici basati sulla richiesta aerale di ossigeno necessario per ossidare la sostanza organica e l azoto. Generalmente viene utilizzato il seguente metodo: Calcolo del fabbisogno di ossigeno sulla base di 1 Kg di O 2 per Kg di BOD 5 da rimuovere e di 4,3 Kg di O 2 per Kg di NH 3 da ossidare; Calcolo della superficie (m 2 ): fabbisogno di ossigeno A OD K + OD a K a 0,25 fattore cautelativo K a coefficiente di aerazione superficiale 30 g O 2 /m 2

17 Dimensionamento di un sistema H-SSF: esempio Dati di progetto: Q 150 m 3 /giorno BOD mg/l T 12 C K s m/giorno Trattamento di sedimentazione primaria tramite fossa imhoff rimozione del 30% della concentrazione del BOD 5 C i 210 mg/l (BOD 5 in ingresso all impianto di fitodepurazione) scarico su corpo idrico superficiale (D.Lgs. 152/2006) C o 25 mg/l (BOD 5 in uscita dall impianto di fitodepurazione) BOD mg/l BOD mg/l BOD 5 25 mg/l fossa imhoff H-SSF

18 Dimensionamento di un sistema H-SSF: esempio Applicazione del modello monoparametrico (Reed, Crites & Middlebrooks 1998) k Coefficiente di rimozione: ( T 20) ( 12 20) k20 θ 1,104 1,06 0,693 giorni Tempo di detenzione nominale: HRT 1 k T ln C C o i 1 0,693 ln ,1giorni

19 Dimensionamento di un sistema H-SSF: esempio Volume di reazione: V HRT Q 3, m Area superficiale: V A h ε h 0,55 m ε 0,38 m 3 m 3 A 465 0,55 0, m

20 Dimensionamento di un sistema H-SSF: esempio Larghezza minima del letto filtrante: W 1 h Q m A k s , , m 20% del carico idraulico a disposizione 1/3 della conducibilità idraulica Lunghezza del letto filtrante: L W A m Rapporto lunghezza/larghezza: L : W 56 : 41 1,4 :1 OK compreso tra: 1:1 e 3:1

21 Dimensionamento di un sistema FWS: esempio Dati di progetto: Q 150 m 3 /giorno BOD mg/l T 9 C Trattamento di sedimentazione primaria tramite fossa imhoff rimozione del 30% della concentrazione del BOD 5 C i 210 mg/l (BOD 5 in ingresso all impianto di fitodepurazione) scarico su corpo idrico superficiale (D.Lgs. 152/2006) C o 25 mg/l (BOD 5 in uscita dall impianto di fitodepurazione) BOD mg/l BOD mg/l BOD 5 25 mg/l fossa imhoff FWS

22 Dimensionamento di un sistema FWS: esempio k Coefficiente di rimozione: ( T 20) ( 9 20) -1 9 k20 θ 0,678 1,06 0,357 giorni Tempo di detenzione nominale: HRT 1 k T ln C C o i 1 0,357 ln ,96 giorni V HRT Q Volume di reazione: 5, m

23 Dimensionamento di un sistema FWS: esempio Area superficiale: V A h ε h 0,30 m ε 0,75 m 3 m 3 A 894 0,30 0, m

24 Dimensionamento di un sistema FWS: esempio Lunghezza massima del letto bacino di fitodepurazione: L A ( 8 / 3 ) ( 1 / 2 h m ) a Q / 3 m 0,2 a vegetazione moderatamente densa 1,6 s m 1/6 L 3973 ( 8 3 ) ( 1 2 0,30 0,2 ) m 1,6 150 Larghezza del bacino di fitodepurazione: L W A ,5 m

25 Dimensionamento di un sistema FWS: esempio L Rapporto lunghezza/larghezza: : W 876 : 4,5 194,7 :1 NO non è compreso tra: 2:1 e 10:1 W 20 m L 200 m Rapporto lunghezza/larghezza: L : W 200 : :1 OK compreso tra: 2:1 e 10:1

26 Confronto H-SSF - FWS Dati : Q 150 m 3 /giorno C i 210 mg/l (BOD 5 ) C o 25 mg/l (BOD 5 ) H SSF 2 A 2225 m FWS 2 A 3973 m FWS 2 H-SSF

27 Confronto H-SSF - FWS Dati : Q 150 m 3 /giorno C i 210 mg/l (BOD 5 ) C o 25 mg/l (BOD 5 ) H SSF 2 A 2225 m FWS 2 A 3973 m FWS 2 H-SSF

28 Aspetti costruttivi La realizzazione dei sistemi di fitodepurazione, presenta minori complicazioni rispetto al caso degli impianti di depurazione tradizionali pendenza del fondo impermeabilizzazione mezzo poroso sistemi di distribuzione in ingresso e di raccolta in uscita

29 Aspetti costruttivi: pendenza La pendenza del letto filtrante deve essere alquanto ridotta garantendo il completo drenaggio del letto stesso Pendenze eccessive potrebbero determinare, nella zona terminale del bacino, un eccessiva distanza fra la superficie del letto filtrante e quella del liquame Si adottano pendenze non superiori al 1-2 %

30 Aspetti costruttivi: impermeabilizzazione Importante al fine della salvaguardia delle falde acquifere da possibili contaminazioni - naturale, nel caso in cui il sistema venga realizzato su suoli che presentano una bassa conducibilità idraulica ( m/s) - artificialmente mediante guaine sintetiche di spessore non inferiore ad 1-2 mm e resistenti alla perforazione delle radici (ad esempio membrane in PEAD)

31 Aspetti costruttivi: impermeabilizzazione Impermeabilizzazione mediante guaine sintetiche (bentonitica ed in PEAD) di un sistema di fitodepurazione (S. Michele di Ganzaria, Catania)

32 Aspetti costruttivi: sponde Le sponde del bacino vengono realizzate con una pendenza che normalmente dipende dalle caratteristiche geotecniche del terreno Per prevenire i fenomeni di erosione idrica superficiale, le sponde possono essere protette con geotessili biodegradabili, come reti o stuoie in juta

33 Aspetti costruttivi: sponde Biorete in Juta Picchetti di ancoraggio (2 picchetti/mq) Rizomi radicati di Praghmites sp Rilevato in terra 1 3 Diffusore in PVC Ø125 Pietrame d10 cm Pietrisco d10 mm Telo in HDPE (spessore 2 mm) 1 3 Trincea d'ancoraggio Geocomposito bentonitico Terreno naturale stabilizzato e compattato Materiale proveniente dagli scavi vagliato e compattato Particolare costruttivo della sponda di un sistema di fitodepurazione H-SSF (S. Michele di Ganzaria, Catania)

34 Aspetti costruttivi: mezzo poroso - per i sistemi H-SSF la granulometria più opportuna è compresa fra 8 e 16 mm (ghiaia o pietrisco). Viene inoltre raccomandato il preventivo lavaggio del materiale inerte al fine di rimuovere la particelle fini che potrebbero intasare il letto filtrante - per i sistemi V-SSF vengono invece usualmente adottate le seguenti pezzature, procedendo dalla superficie verso il fondo del letto (Burka e Lawrence, 1990): sabbia < 6 mm, sabbia 6 mm, ghiaia 12 mm, ghiaia mm

35 Sistemi di distribuzione delle acque reflue: sistemi FWS Valvola di regolazione Rip-Rap Canale Sfioratore Strutture per la distribuzione dei liquami nei sistemi di fitodepurazione FWS (modificata da IWA, 2000)

36 Sistemi di distribuzione delle acque reflue: sistemi H-SSF - sia in ingresso che in uscita, tubazioni forate perpendicolari alla direzione del flusso idrico, generalmente in PVC o polietilene con un diametro di mm e fori da 10 mm - la tubazione in uscita risulta essere sempre interrata sul fondo del bacino, mentre quella che distribuisce i liquami in ingresso può essere sia leggermente interrata sia posizionata direttamente sulla superficie del letto filtrante - per facilitare l infiltrazione (in ingresso) ed il drenaggio (in uscita) del liquame, in prossimità di entrambe le tubazioni forate, viene utilizzato del materiale inerte più grossolano (pietrame di diametro 8-15 cm)

37 Sistemi di distribuzione delle acque reflue: sistemi H-SSF Tubazione forata per la distribuzione dei liquami in un sistema di fitodepurazione H-SSF (S. Michele di Ganzaria, Catania)

38 Sistemi di regolazione del livello idrico Tubo flessibile Tubo regolabile in altezza Scarico Scarico Valvola di regolazione Valvola di regolazione Flangia girevole Il livello idrico nei sistemi H-SSF viene regolato per mezzo di opportune tubazioni, regolabili in altezza, poste nel pozzetto di uscita del letto filtrante

39 Sistemi di distribuzione delle acque reflue: sistemi V-SSF il drenaggio viene realizzato utilizzando delle tubazioni forate disposte longitudinalmente sul fondo del letto, con un interasse di circa 2 m collegate ad una tubazione di raccolta disposta ortogonalmente e connessa, a volte, ad un sistema di scarico ad altezza variabile

40 Manutenzione - sfalcio e rimozione della vegetazione nella zona circostante i bacini e in generale all interno dell area del sistema di trattamento, compresa la viabilità interna (2 volte x anno) - sfalcio e rimozione della vegetazione igrofila all interno dei bacini con frequenza che sarà fissata in base all accrescimento delle piante e sulla base delle indicazioni fornite dal gestore dell impianto (mediamente un intervento ogni 2 anni) - pulizia e spurgo con frequenza mensile della tubazione di distribuzione e drenaggio

41 Manutenzione - pulizia e spurgo con frequenza mensile dei piezometri realizzati all interno dei bacini, allo scopo di effettuare il prelievo dei campioni ed il monitoraggio della qualità delle acque - pulizia con frequenza mensile delle canalette e delle tubazioni per la raccolta e lo smaltimento delle acque piovane - verifica e controllo con frequenza semestrale della porosità dei bacini allo scopo di prevenire la formazione di vie di scorrimento preferenziali - pulizia e spurgo con frequenza mensile di tutti manufatti idraulici: pozzetti di regolazione, di intercettazione, ecc.

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