CORSO DI INGEGNERIA SANITARIA - AMBIENTALE CALCOLO DI UN IMPIANTO BIOLOGICO COMPLETO A FANGHI ATTIVI A CARICO DEL FANGO C F = 0,1

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1 CORSO DI INGEGNERIA SANITARIA - AMBIENTALE ESERCITAZIONI CALCOLO DI UN IMPIANTO BIOLOGICO COMPLETO A FANGHI ATTIVI A CARICO DEL FANGO C F 0,1 Si chiede di calcolare: Linea Liquami: - i principali comparti di trattamento (reattore biologico e sedimentazione secondaria); - consumo di ossigeno in ossidazione e produzione di fango di supero; - bilanci di materia su BOD 5 e nutrienti (N e P). Linea Fanghi: - ispessimento; - disidratazione meccanica. 1. DATI DI PROGETTO Linea Liquami: Abitanti serviti: ; Dotazione idrica procapite: 250 litri/ab d; Tipo di fognatura: separata; 1

2 Limiti allo scarico: BOD 5 25 mg/l; SS 5 mg/l; Azoto ammoniacale (come NH + 4 ) 15 mg/l; Azoto nitroso 0,6 mg/l; Azoto nitrico 20 mg/l. Linea Fanghi: Contenuto di SS nel fango di supero biologico: ~1%; Obiettivo finale: ottenere un fango disidratato (palabile). 2. DIMENSIONAMENTO Schema di processo Per il conseguimento dei limiti allo scarico, si prevede uno schema di processo della linea liquami con i seguenti trattamenti: - grigliatura grossolana; - dissabbiatura-disoleatura; - ossidazione biologica a C F 0,1 Kg BOD 5 / Kg SS d; - sedimentazione secondaria; - disinfezione finale (di emergenza) con ipoclorito di sodio (NaClO). Al fine di ottenere un fango disidratato (palabile), il trattamento dei fanghi sarà effettuato con: - ispessimento; - disidratazione meccanica. Si veda schema allegato. 2

3 LINEA LIQUAMI Calcolo delle portate Portata giornaliera, nell ipotesi di un coefficiente di afflusso in fognatura ϕ 0,8: Q d 0,25 (m /ab d) (ab) 0, m /d Portate orarie (media e di punta): Q media Q (m /d) / 24 (h/d) 8, m /h Q punta K Q 24 1,7 8, m /h 141,61 m /h Calcolo delle concentrazioni medie e dei carichi Concentrazioni medie di BOD 5, nutrienti e SS: Si assumono le seguenti produzioni procapite: BOD 5 : 60 g BOD 5 / ab d; Azoto: 12 g TN / ab d; Fosforo: 1,5 g P tot / ab d; Solidi Sospesi: 90 g SS / ab d. Risultano i seguenti carichi giornalieri e le seguenti concentrazioni medie: Carico giornaliero di BOD 5 : (ab) 0,060 Kg BOD 5 / ab d 600 Kg BOD 5 / d Carico giornaliero di TN: (ab) 0,012 Kg TN / ab d 120 Kg TN / d Carico giornaliero di P tot : (ab) 0,0015 Kg P tot / ab d 15 Kg P tot / d Carico giornaliero di SS: (ab) 0,090 Kg SS / ab d 900 Kg SS / d

4 Concentrazione media di BOD 5 : BOD (g BOD 5 / d) / (m /d) 00 mg/l Concentrazione media di TN: TN (g TN / d) / (m /d) 60 mg/l Concentrazione media di P tot : P tot (g P tot / d) / (m /d) 7,5 mg/l Concentrazione media di SS: SS (g SS / d) / (m /d) 450 mg/l 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 15 mg/l (limite allo scarico rispettato). Si ipotizza, inoltre, una concentrazione di biomassa nel reattore biologico: X 4 Kg SS/m. Q S 600 Kg BOD o 5 V X CF 4 Kg SS m 0,1Kg BOD5 Kg SS d d m Suddivisione in linee parallele: Si prevede di realizzare due linee parallele. Ciascun reattore biologico avrà, pertanto, le seguenti caratteristiche: Volume di ciascun reattore: 750 m ; Altezza utile d acqua (mixed-liquor):,5 m; Lunghezza Larghezza di ciascun reattore: 22 m 10 m circa. 4

5 Calcolo della portata di ricircolo q Si ipotizza X r 8 Kg SS/m (scelta prudenziale). Rapporto di ricircolo R: R q Q 24 X % X X 8 4 r Portata di ricircolo q: q R Q 24 8, m /h. Calcolo della produzione di fango di supero biologico Produzione specifica di fango di supero: W X r / Q S Si ipotizza l applicabilità della formula di calcolo: W X r / Q S ε [Y (b / η C F )], con: 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 5 Xr 0,55 Q S 0,55 η Q So 0,55 0, Kg BOD d 1,5 Kg SS d Portata di fango di supero: W W X r / X r 1,5 (Kg SS/d) / 8 (Kg SS/m ) 9,2 m /d. 5

6 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 O2 ( 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 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 m 4 Kg SS m 1,5 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. 6

7 Calcolo della fornitura di Ossigeno Carico di TKN nitrificato: Il carico di TKN 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 570 kg/d, il consumo di N (TKN) risulta pari a: BOD 5 : N 100 : / 20 28,5 kg/d. Il carico di TKN nitrificato risulta pertanto: carico di TKN alimentato carico di TKN (NH N) rimosso per sintesi biologica ,5 91,5 kg/d. Questo carico, pari a 91,5 kg/d, si ritroverà in uscita dal processo, tutto sotto forma di azoto nitrico (salvo modesti residui di azoto ammoniacale e di azoto organico). La concentrazione media sarà: NO - - N (91,5 kg/d g/kg) / m /d 45,75 mg/l di azoto nitrico (limite allo scarico non rispettato per l azoto nitrico occorrerà un trattamento spinto di rimozione dei nitrati in fase terziaria). 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 O 2 /Kg BOD 5 ); β 0,1 (Kg O 2 /Kg SS d); K 1,7 (coefficiente di punta). Si ha, pertanto: F O2 K α Q S + β X V + K 4,57 N 1,7 0, , ,7 4,57 91,5 484, , ,4 Kg O 2 /d 74,8 Kg O 2 /h. 7

8 Verifica dell O.C./load: O.C./load F O2 / Q S o 1.795,4 (Kg O 2 /d) / 600 (Kg BOD 5 alimentati/d) 2,99 Fabbisogno di ossigeno in condizioni standard: (kg/d) O2 ( F' O2) c.s.(kg/d) ( T-20) ( Cs - C) T 1,024 ( Cs - C) F' 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) ,4 ( ) 2.867,6 Kg O d 119,5 Kg O h F' O 2 2 C.S. 2 7,2 0,8 9,2 Fornitura di aria: Si prevede di fornire l ossigeno mediante l impiego di aeratori meccanici superficiali (turbine). Si ipotizza un rendimento di trasferimento dell ossigeno pari a 2,5 Kg O 2 / KWh. È previsto, pertanto, l impiego di aeratori con una potenza assorbita complessiva di: potenza assorbita complessiva (minima) 119,5 (Kg O 2 /h) / 2,5 (Kg O 2 / KWh) 47,8 KW. Si prevede di installare n 4 aeratori meccanici superficiali (2 per ciascuna linea) aventi ognuno potenza assorbita pari ad almeno 11,95 KW (12 KW). 8

9 Verifica della miscelazione completa Si ha una fornitura specifica di potenza pari a 47,8 KW (W / KW) / m 1,8 W/m di reattore (verifica positiva). Calcolo della Sedimentazione Secondaria Calcolo di superficie e volume complessivi: Sulla base dei riscontri sperimentali (impianti alla scala reale), per il conseguimento nell effluente finale di BOD 5 25 mg/l e di SS 5 mg/l, occorre fissare un CIS di progetto 0,7 m/h alla Q punta. Nel caso specifico, si fissa un CIS di 0,7 m/h alla Q punta. Risulta: S Q punta / CIS 141,61 (m /h) / 0,7 (m/h) 202, m 2 Si fissa un altezza utile d acqua di 4 m (almeno m). Risulta, conseguentemente, un volume: V 202, (m 2 ) 4 (m) 809,2 m Si verifica: Tr V / Q punta 809,2 (m ) / 141,61 (m /h) 5,71 h (rispettoso del Tr limite) Verifica del Flusso Solido: Si ha: FS (Q punta + q) X / S (141,61 + 8,) 4 / 202, 4,45 Kg SS/m 2 h (verifica positiva) 9

10 Scelta del numero e della tipologia di decantatori: Si suppone di adottare decantatori circolari meccanizzati. Si prevede un numero di N2 decantatori. Risulta: S (singolo decantatore) 202, m 2 / 2 101,15 m 2 ; Diametro D 11,5 m. Si sceglie un decantatore commerciale del diametro D 12 m. Calcolo della lunghezza di stramazzo: Si suppone di realizzare uno stramazzo a denti di sega lungo tutta la circonferenza esterna dei decantatori. Si ha, pertanto, per ogni singolo decantatore: L stramazzo 12 π 7,7 m Si verifica: Carico sullo stramazzo 141,61 (m /h) / 7,7 (m) 2 1,88 m /h m lineare Il carico limite è rispettato. In definitiva si prevede di installare: n. 2 decantatori circolari a flusso radiale, meccanizzati; Diametro di ciascun decantatore: D 12 m; Altezza utile d acqua: 4 m; Volume del singolo decantatore: 452,4 m ; Volume totale: 904,8 m ; Superficie del singolo decantatore: 11,1 m 2 ; Superficie totale: 226,2 m 2. Si prevedono, quindi, le seguenti condizioni operative: Tr alla Q punta : V / Q punta 904,8 / 141,61 6,9 h; 10

11 CIS alla Q punta : Q punta / S 141,61 / 226,2 0,6 m/h; FS alla Q punta + q ricircolo : (Q punta + q) X / S,98 Kg SS / m 2 h. Rimozione dei nutrienti Azoto L azoto totale in alimentazione al processo biologico è tutto sotto forma di TKN (azoto organico + azoto ammoniacale) essendo i liquami tipicamente domestici. Una quota del TKN entrante nel processo biologico viene rimossa per sintesi biologica, secondo il classico rapporto ponderale BOD 5 /N/P 100/5/1. La restante parte, essendo C F 0,1, viene nitrificata. Questo carico, pari a 91,5 kg/d, si ritroverà in uscita dal processo, tutto sotto forma di azoto nitrico (salvo modesti residui di azoto ammoniacale e di azoto organico). La concentrazione media sarà: NO - - N (91,5 kg/d g/kg) / m /d 45,75 mg/l di azoto nitrico (limite allo scarico non rispettato per l azoto nitrico occorrerà un trattamento spinto di rimozione dei nitrati in fase terziaria). Nota: in uscita è presente anche una piccola concentrazione di N-organico dovuto alla presenza di N nei Solidi Sospesi dell effluente finale. Trattandosi, essenzialmente, di solidi biologici, il calcolo può essere fatto sulla base del rapporto C 5 H 7 NO 2, ovvero considerando una presenza di N nei Solidi Sospesi volatili (65% circa dei Solidi Sospesi totali, nel caso specifico) del 12,8 % (PM Azoto/PM C 5 H 7 NO 2 ). Nel caso specifico, considerando una presenza nell effluente di 25-0 mg/l SS, a questo corrisponderà una presenza di N-organico di circa 2,01 2,41 mg/l. 11

12 Fosforo Con lo stesso criterio, il carico di P rimosso per sintesi biologica vale: Carico di P rimosso per sintesi biologica 570 (Kg BOD 5 rimosso / d) / 100 5,7 Kg P/d. La concentrazione media di fosforo in uscita dal trattamento biologico (tutto sotto forma di ortofosfato PO 4 - ) sarà quindi: Concentrazione media di P in uscita (15 5,7) / ,65 mg/l. Nota: in uscita, è presente anche una piccola concentrazione di P-organico dovuto alla presenza di N nei Solidi Sospesi dell effluente finale. Trattandosi, essenzialmente, di solidi biologici, il calcolo può essere fatto sulla base del rapporto N/P 5/1. Nel caso specifico, si avrà una presenza di P-organico di circa 0,402 0,482 mg/l. 12

13 LINEA FANGHI Ispessimento Scopo dell ispessimento è l addensamento del fango, la cui concentrazione di solidi viene incrementata dall 1% circa in alimentazione ( 10 Kg SS/m ) al 2,5-,0% circa in uscita ( 25-0 Kg SS/m ). Gli ispessitori vengono dimensionati in analogia ai sedimentatori. Tuttavia, il parametro che ha maggior incidenza è il Flusso Solido FS, mentre ha scarso significato il Carico Idraulico Superficiale CIS ed importanza relativa ha lo stesso Tempo di Ritenzione Idraulica Tr. Nella Tabella 1 sono indicati i valori tipici di Flusso Solido per il dimensionamento degli ispessitori. Nel caso specifico (solo fango attivo), si sceglie il valore di FS 40 Kg SS / m 2 d. Si ha: Carico di solidi in alimentazione: Carico in Q in Conc. in 9,2 m /d 8 Kg SS/m 1,5 Kg SS/d Calcolo di Superficie e Diametro dell ispessitore: Carico FS 1,5 Kg SS d 40 Kg SS m d in S 2 7,8 m 2 Si suppone di installare N1 ispessitore per il quale risulta un Diametro D,1 m. Si decide di realizzare un ispessitore commerciale meccanizzato (rastrelliera interna) del Diametro D 4 m (S 12,6 m 2 ). Calcolo del Volume: Si fissa un altezza utile d acqua H m. Risulta, conseguentemente: 1

14 - V 7,8 m. Si verifica il tempo di ritenzione Tr. Volume 7,8 m Tr Portata 9,2 m d 1 d 24 h 2 h Il valore di Tr che si ottiene è di poco inferiore alle 24 h, ma lo si può ritenere accettabile in quanto, trattandosi di un fango già stabilizzato, il rischio di insorgenza di odori molesti è ridotto rispetto a quello che si avrebbe in caso di fango misto in un impianto a C F 0,. Calcolo della Portata effluente: Q Carico Conc. 1,5 Kg SS d 0 Kg SS m in eff. out 10,45 m d 14

15 Disidratazione meccanica dei fanghi Si prevede di utilizzare un sistema di nastropressatura che consente l ottenimento di una concentrazione di secco pari al 25% 0% (Ipotesi di progetto: 25%). Per la disidratazione, si prevede il condizionamento del fango con polielettrolita dosato nella misura di 2,5,5 g/kg SS. Il dimensionamento della nastropressa viene effettuato sulla base del carico lineare ( carico per metro di larghezza del nastro filtrante) di SS. Valori tipici utilizzati in progettazione per questa tipologia di fango appartengono al range Kg SS/h m lineare di nastro. Adottando il valore di 100 Kg SS/h m e prevedendo un funzionamento giornaliero di 6 h/d, risulta: - Larghezza del nastro: Carico in 1,5 Kg SS d Larghezza nastro 0,52 Ore utili Carico lineare 6 h d 100 Kg SS h m m Si adotta una larghezza commerciale di nastro di 0,8 m. Si prevede (in via prudenziale) di installare N2 nastropresse (di cui 1 di riserva), aventi ciascuna le seguenti caratteristiche: - Larghezza del singolo nastro: 0,8 m; - Portata in alimentazione alla singola nastropressa: 10,45 m /d; - Concentrazione di SS in alimentazione: %; - Concentrazione di SS in uscita: 25%. 15

16 * Wastewaters Engineering; ** Sludge Treatment and Disposal (EPA). Tabella 1 Flusso solido per il dimensionamento degli ispessitori. 16

17 Liquame G G D D C F 0,1 SED. II DISIN. Effluente I DIS. MEC. SCHEMA COMPLETO DI IMPIANTO A FANGHI ATTIVI A C F 0,1 Errata corrige Esercitazione Sedimentazione: ( ρ ρ ) g V v 2 2 s l o C ρ A l 17