21º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

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1 II DIL RECUPERO E RIUTILIZZO DI ALLUMINIO DA FANGHI PROVENIENTI DAL COMPARTO DI TRATTAMENTO CHIMICO FISICO DI ACQUE DA POTABILIZZARE: VANTAGGI ECONOMICVI ED AMBIENTALI Renato Gavasci (1) Professore Ordinario in Ingegneria Sanitaria Ambientale, Dipartimento di Ingegneria Civile, Università degli Studi di Roma Tor Vergata Giordano Urbini Professore Ordinario in Ingegneria Sanitaria Ambientale, Dipartimento di Ingegneria Civile, Università degli Studi di Pavia Francesco Lombardi Ricercatore in Ingegneria Sanitaria Ambientale, Dipartimento di Ingegneria Civile, Università degli Studi di Roma Tor Vergata FOTO NÃO DISPONÍVEL Endereço (1) : via di Tor Vergata n. 110, Roma Italia. Tel Fax gavasci@ing.uniroma2.it SOMMARIO Il presente articolo valuta la convenienza ambientale ed economica del recupero di alluminio mediante un apposita sezione di impianto dedicata da realizzare su un impianto di trattamento di acque superficiali (a scala reale) per uso potabile. Le suddette valutazioni sono state effettuate servendosi dei dati sperimentali ottenuti attraverso l applicazione sperimentale alla scala pilota del processo di recupero e riutilizzo. Tale applicazione ha consentito di valutare l efficienza e l efficacia del recupero e riutilizzo dell alluminio utilizzato quale coagulante nel comparto di coagulazione-flocculazione dell impianto di trattamento, attraverso indagini analitiche delle caratteristiche finali delle acque, dei fanghi prodotti, e ha permesso di evidenziare i vantaggi ambientali ed economici ottenibili, attraverso la stima dei costi di impianto e gestione di una sezione di recupero e riutilizzo da realizzare su scala reale. I vantaggi ambientali effettivamente conseguibili attraverso il recupero ed il riutilizzo del coagulante nel medesimo processo riguardano: il riutilizzo di una sostanza coagulante le cui capacità di chiarificazione sono paragonabili a quelle di un coagulante commerciale; il miglioramento delle caratteristiche del fango di risulta in termini di riduzione dei volumi da avviare a smaltimento, di aumento della capacità di disidratazione, di diminuzione del contenuto di sostanze organiche ed inorganiche che vengono solubilizzate durante l estrazione acida. I vantaggi economici sono legati sia alle minori quantità di coagulante commerciale fresco necessario durante il processo di chiarificazione, a pari caratteristiche delle acque potabilizzate, che ai minori costi di trattamento e smaltimento del fango residuo dopo il processo di recupero. PAROLE CHIAVE: Recupero, Riutilizzo, Coagulante, Potabile, Estrazione Acida, Alluminio, Acqua, Fanghi, Costi. INTRODUZIONE La crescente domanda di acqua per uso potabile e, nel contempo, la difficoltà di reperire acque del sottosuolo qualitativamente e quantitativamente idonee a detto uso, ha consentito di valutare sempre più fattibile e perseguibile il prelievo di acque dolci superficiali da adibire all uso richiesto. Tali acque non sempre rispondono ai requisiti di potabilità e, quindi, non possono essere immesse nelle reti idriche senza un idoneo trattamento di potabilizzazione. Quando si captano acque di lago o di fiume, al fine di ottenere acqua qualitativamente idonea ed igienicamente sicura per uso umano sono solitamente necessari trattamenti per l abbattimento di torbidità (dovuta a materiale colloidale in sospensione di natura organica ed inorganica) e carica batterica, quasi del tutto assenti nelle acque sotterranee, le quali, per contro, contengono sostanze chimiche disciolte in concentrazioni talvolta elevate. 1

2 La rimozione di solidi sospesi ed alcuni contaminanti inorganici dalle risorse idriche superficiali ad uso potabile viene effettuata negli impianti di potabilizzazione utilizzando sostanze coagulanti. Tra le più usate sono le soluzioni contenenti sali di ferro (FeCl 3 ) o di alluminio (Al 2 SO 4 ) che precipitano sotto forma di idrossidi e si comportano come agenti destabilizzanti delle sospensioni colloidali. L azione destabilizzante è dovuta: all inglobamento delle particelle colloidali nel precipitato che sedimenta per gravità (sweep-floc coagulation), al fatto che i colloidi stessi rappresentano dei nuclei di condensazione per i precipitati e all effetto di adsorbimento, da parte di questi idropolimeri sia di sostanze colloidali che sostanze allo stato disciolto (es. le sostanze organiche). Il precipitato, accumulatosi sul fondo del bacino di chiariflocculazione, costituisce un fango ricco di idrossidi di ferro o alluminio, dal quale è possibile estrarre questi elementi, riportandoli in soluzione, mediante un estrazione con soluzioni di acidi o basi. Tale fenomeno è dovuto al fatto che non appena il ph del fango aumenta (estrazione basica) o diminuisce (estrazione acida) rispetto al ph di minima solubilità di Fe e Al, la concentrazione di questi elementi in soluzione aumenta reagendo con le sostanze acide o basiche aggiunte. La soluzione ottenuta può essere utilizzata a sua volta come coagulante e la sua capacità di chiarificazione è paragonabile a quella dei coagulanti commerciali [1]. Lo studio sperimentale condotto, e preso a riferimento per le successive valutazioni, è stato articolato in due fasi principali: nella prima è stata testata l efficienza e l efficacia di un coagulante composto da percentuali via via crescenti di alluminio recuperato per mezzo di un apparato in scala pilota, nella seconda, dopo un attenta caratterizzazione delle acque dopo trattamento secondo le differenti modalità testate nella prima fase, è stata scelta la soluzione di coagulante di recupero sulla quale eseguire prove di chiarificazione in cascata (recuperi successivi dell alluminio e riutilizzo delle soluzioni di recupero, previo reintegro di una idonea quantità coagulante commerciale, per quattro cicli di lavoro consecutivi). Il presente articolo riporta in sintesi i risultati delle determinazioni analitiche eseguite su campioni di acque e fango durante l intera attività sperimentale in base ai quali è stato dimensionato di un sistema in scala reale per recuperare alluminio da fanghi di chiariflocculazione. Per questo sistema è stata valutata fattibilità tecnica ed economica che è presentata di seguito nel dettaglio. STATO DELL ARTE Studi condotti a partire dagli anni 50 [1] hanno valutato la fattibilità del recupero e riuso dell alluminio recuperato per eseguire la chiarificazione di acque superficiali a scopo potabile attraverso l indagine di alcuni aspetti potenzialmente critici per un riuso delle sostanze di recupero: concentrazione dell alluminio nella soluzione recuperata; efficienza di chiarificazione del coagulante contenente alluminio recuperato; presenza di contaminanti nelle acque trattate con tale coagulante. Per quanto riguarda la concentrazione di Al questa risultava compresa tra 360 e mg/l, mentre per un coagulante commerciale è, solitamente, tra e mg/l, ciò determina la necessità di aumentare il dosaggio di coagulante negl impianti di chiariflocculazione. La concentrazione di Al nella soluzione ottenuta dal recupero dipendeva da due parametri: SST nel fango da avviare a estrazione acida e dal ph a cui veniva compiuta l estrazione. La capacità di chiarificazione del coagulante recuperato risultava inferiore rispetto a quello commerciale, ma poiché la torbidità può essere ulteriormente abbattuta nel processo di filtrazione, questa diminuzione della rimozione di torbidità dall acqua non destava preoccupazione. Per quanto riguarda la concentrazione di contaminanti, sono state confrontate concentrazioni di carbonio organico totale (T.O.C.) e trialometani totali (T.T.H.M) contenute in acque trattate con coagulanti commerciali e recuperati, le differenze erano al più del decimo di mg/l. Inoltre, anche il manganese era in concentrazioni più alte rispetto a quelle delle acque trattate con prodotti commerciali, ma come per la torbidità questo elemento può essere rimosso efficacemente mediante filtrazione su carbone attivo. 2 Técnicos

3 Per quanto concerne le caratteristiche del fango residuo dopo l estrazione acida esse hanno evidenziato notevoli vantaggi di natura ambientale ed economica del trattamento di recupero e di riutilizzo dell alluminio. Tali vantaggi evidenziati sono principalmente dovuti al miglioramento delle caratteristiche qualitative e quantitative. Le prime sono dovute ad una netta riduzione della resistenza a filtrazione, infatti l estrazione acida dissolvendo i solidi libera l acqua legata alle particelle di fango facilitando la disidratazione dello stesso. Le seconde sono connesse ad una riduzione di volume del fango approssimativamente dell 80% dovuta alla dissoluzione durante l estrazione acida dei solidi in esso contenuti, i quali sono costituiti principalmente da idrossidi di alluminio. E importante però sottolineare che il tasso (percentuale) di miglioramento delle caratteristiche quali-quantitative è dipendente dalla natura del fango e dal ph al quale si effettua l estrazione acida. PROVE DI RIFERIMENTO Tutte le deduzioni individuate in letteratura, sono state oggetto di verifica, discussione e valutazione attraverso prove su scala pilota condotte su un impianto alla scala reale [3]. Lo schema di impianto pilota utilizzato è riportato in Figura 1. Figura 1: Schema di funzionamento del sistema pilota Acqua in ingresso al trattamento Acqua chiarificata Vasca Flocculazione Vasca sedimentazione Alimentazione in linea del coagulante Fango Reintegro di coagulante Vasca ispessimento di Allumino recuperato Trattamento di recupero dell alluminio in batch In Tabella 1 sono riportati i risultati delle analisi relative alle prove effettuate durante la seconda fase dell attività sperimentale. Dai risultati delle analisi sulle acque dopo trattamento, si evince che la qualità dell acqua trattata con coagulante commerciale su scala reale è paragonabile a quella trattata con coagulante contenente 60% di Al 3

4 recuperato e 40% di Al fresco su scala pilota, eccetto per due aspetti: torbidità e metalli come Fe e Mn, entrambi però possono essere abbattuti in un successivo trattamento di filtrazione su carbone attivo. Ciò è stato oggetto di adeguate considerazioni nella valutazione economica successiva in quanto implica un aumento di costi di gestione della sezione di filtrazione già presente ed in esercizio presso l impianto a scala reale. Tabella 1: Risultati delle analisi sulle acque nella seconda campagna sperimentale 1 CICLO 2 CICLO 3 CICLO 4 CICLO In Out Out reale In Out Out reale In Out Out reale In Out Out reale Al (mg/l) < < < TOC (g/l) Torbidità (NTU) PH Tossicità * * * ** * * * * * * * * I valori In ed Out si riferiscono all impianto pilota * Campione non tossico ** Campione probabilmente tossico Per quanto concerne i fanghi, come mostrato in Tabella 2, si osserva un miglioramento in termini quantitativi, perché il volume del fango si riduce di due ordini di grandezza, ed in termini qualitativi perché migliorano la capacità di sedimentazione e la resistenza a filtrazione. Questi risultati in termini economici si traducono in una riduzione dei costi di trattamento e smaltimento finale del fango residuo. Di contro, si deve tenere conto dei costi dovuti all impiego di una base (calce), come reagente di processo, per la neutralizzazione del ph del fango che, per effetto dell estrazione acida, si stabilizza a valori di circa 2 unità di ph. Tabella 2: Risultati delle analisi sui fanghi nella seconda campagna sperimentale 1 CICLO 2 CICLO 3 CICLO 4 CICLO Al : 50%rec 50%fr Al : 60%rec 40%fr Al : 70%rec 30%fr Al : 80%rec 20%fr Prima Dopo Prima Dopo Prima Dopo Prima Dopo ph Resistenza a filtrazio-ne (m/kg) 2.40x x x x x x x x10 6 Velocità sedimenta-zione * * 0.11 * 0.35 * (m/h) SST in 100 ml (gr/l) Volume fango (L) I valori prima e dopo si riferiscono alla determinazione in riferimento all estrazione acida * Non misurabile; rec=coagulante recuperato; fr=coagulante commerciale fresco SEZIONE DI RECUPERO E RIUTILIZZO DI ALLUMINIO ALLA SCALA REALE In base ai risultati relativi all attività sperimentale condotta attraverso il processo di recupero su un impianto a scala di laboratorio, per la realizzazione di una sezione di processo a scala reale sono state individuate le seguenti unità: pre-ispessitore per ispessire il fango in uscita dai chiariflocculatori (Cycloflocs); vasca di miscelazione rapida per l aggiunta parziale di acido al fango; vasca di miscelazione lenta per l aggiunta della quantità di acido al fango a completamento fino a raggiungere il ph ottimale (di circa 2 unità) di estrazione acida; 4 Técnicos

5 post-ispessitore per separare il surnatante (fase liquida) che costituisce il coagulante recuperato dal fango residuo; vasca di neutralizzazione del fango con calce; vasca di stoccaggio per il surnatante di recupero; sistema di dosaggio in linea di coagulante commerciale di reintegro Nella Figura 2 è riportato schematicamente l intero processo di recupero. Figura 2: Rappresentazione schematica di un processo di recupero di alluminio da fanghi Pre-ispessitore Fango Surnatante Dosatore di acido Coagulante commerciale Post-ispessitore Miscelatore rapido Miscelatore lento Bacino di stoccaggio di coagulante recuperato Coagulante di recupero Fango da smaltire Il dimensionamento delle singole unità costituenti la sezione di recupero/riutilizzo è stato eseguito sulla base dei risultati qualitativi e quantitativi dei fanghi provenienti dall attività sperimentale condotta [3]. Le condizioni di riferimento sono risultate significative ed in grado di simulare la produzione media giornaliera dell anno 1999, presa come riferimento. L intero sistema di recupero/riutilizzo è stato quindi dimensionato sulla portata media di alluminio da dosare come coagulante per il trattamento di 1600 L/s di acqua. Di seguito sono descritti singolarmente gli apparati che costituiranno l intero sistema di trattamento. BACINO DI PRE-ISPESSIMENTO I fanghi accumulatisi sul fondo delle vasche di chiariflocculazione vengono alimentati al bacino di preispessimento. Tale operazione è indispensabile i seguenti motivi: 1. Implementa l efficienza del processo di estrazione. Si è osservato che tanto più il fango ha una alta concentrazione di solidi sospesi tanto più elevata è la concentrazione di Al nel surnatante recuperato dall estrazione acida e l efficienza di estrazione; 5

6 2. Riduzione dei volumi da predisporre per la linea di trattamento e recupero. L ispessimento opera in via fisica una diminuzione di volume. Il parametro critico dell ispessimento è il carico dei solidi (kg SST/m 2 d) nel fango da trattare. Per un fango proveniente da un impianto di potabilizzazione si possono assumere valori massimi compresi tra 50 e 70 kg SST/m 2 d. Si è stimata una produzione giornaliera di fango di 4, m 3 /s nell impianto a scala reale (Tabella 4) e si è considerata come concentrazione di SST (C SST ) nel fango prima dell estrazione il valore medio valutato durante la campagna sperimentale presa a riferimento pari a 0.26 g SST/L. Tabella 4 Fango prodotto nel trattamento di chiariflocculazione Portata acqua Fango prodotto trattata durante il trattamento (m 3 /s) (%) Portata fango Prodotto (m 3 /s ) , La portata in peso dei fanghi (Q F ) valutabile secondo l equazione: Q F = Q V x C SST dove: Qv: Volume di fango da trattare giornalmente (m 3 /d); C SST : Concentrazione dei solidi contenuti nel fango da trattare (g/l). è di 1189 kg SST/d. Dal dimensionamento si ottengono le seguenti caratteristiche geometriche ed operative della vasca, riportate in Tabella 5. Tabella 5 Caratteristiche geometriche ed operative del bacino di pre-ispessimento Portata mas-sica fanghi (Q F ) (kg SST/d) Diametro vasca Inclinazione fondo (m) Profondità zona ispessimento (m) Volume zona di accumulo (m 3 ) ( ) Carico superficiale dei solidi (kg SST/m 2 d) Tempo di ritenzione i- draulica (q H ) (h) Dal calcolo della percentuale in peso dei solidi nel fango al termine del processo di ispessimento (C 2 ): C 2 = 17 (17 C 1 ) e 0,038 x q H dove: C 1 : percentuale in peso di SST nei fanghi in ingresso (g SST/100 g) C 2 : percentuale in peso di SST nei fanghi in uscita (g SST/100 g) θ H : tempo di residenza idraulico è stata valutata la concentrazione di SST (C SST ) ipotizzando una densità del fango di 1kg/L, a causa della bassa concentrazione di solidi in esso contenuta. 6 Técnicos

7 La Tabella 6 riassume le caratteristiche del fango in uscita dal bacino di pre-ispessimento. Tabella 6: Caratteristiche del fango ispessito SST nel fango ingresso ispessitore (%) SST nel fango uscita ispessitore (%) Portata SST in uscita (kg SST/d) Portata volumetrica fango in uscita (m 3 /d) Con una pendenza del fondo di 40, per assicurare l accumulo dei solidi sul fondo del bacino, ed un diametro del bacino di 20 m, nella parte conica sottostante è possibile accumulare al più un volume di fango pari a quello prodotto giornalmente (Tabella 5). Nonostante sia fango chimico, quindi non putrescibile, è preferibile eseguire l estrazione acida dell alluminio giornalmente per avere sempre grandi volumi disponibili di coagulante. Il surnatante separato dai fanghi viene rinviato in testa ai chiariflocculatori, sfiorando attraverso stramazzi triangolari tipo Thompson per garantire il minimo disturbo al processo di ispesssimento. Le caratteristiche geometriche risultano individuate secondo quanto segue: interasse = 0,35 m; altezza = 0,07 m; base = 0,15 m; numero stramazzi sul bordo della vasca = 179; battente di acqua = 26 cm. VASCHE DI MISCELAZIONE La miscelazione (mixing) è un processo importante nel trattamento delle acque potabili, usato spesso per effettuare un rapido ed energico mescolamento di una sostanza chimica aggiunta all acqua per destabilizzare le sostanze colloidale e permettere successivamente la flocculazione delle stesse. Nel processo di estrazione acida dell alluminio dal fango, la miscelazione rapida (di durata qualche secondo) serve per disperdere uniformemente nel fango l acido aggiunto, mentre la miscelazione lenta (di durata qualche minuto) per garantire che l intera massa di fango entri a contatto con l acido e avvenga la seguente reazione. 2Al(OH) 3-3H2O + 3H2SO 4 Al 2 (SO 4 ) 3 + 9H2O Una buona miscelazione rapida è importante perché un mescolamento non uniforme determina la formazione di zone in cui la concentrazione di acido è minore, quindi in queste zone ci sarà un valore di ph superiore a 1,5-2 unità (optimum per la solubilizzazione degli idrossidi di alluminio) ed il processo di estrazione non raggiungerà l efficienza massima. Per la realizzazione della miscelazione si è ipotizzato un sistema realizzabile mediante agitatori meccanici a turbina (Tabella 7) disposti in due comparti separati mediante un setto in cui si realizza la miscelazione rapida a 200 giri/minuto (rpm) e nella seconda quella lenta a 50 rpm. Per eseguire la miscelazione rapida (mixing) e poi lenta, si è scelto di utilizzare agitatori meccanici a turbina perché forniscono un maggior grado di miscelazione, essi sono costituti generalmente da: motore elettrico, riduttore di giri, albero motore con turbine calettate su di esso. Il dimensionamento del sistema di agitazione si realizza tenendo conto della equazione di Camp e Stein che mette in relazione il gradiente di velocità nella vasca ed il volume della stessa [2]: G 2 = P / V µ 7

8 dove: G: gradiente medio di velocità (s -1 ); P : potenza alimentata (W); V : volume del reattore (m 3 ); µ= 1,139 x 10 3 N x s/m 2 (a 15 C). La potenza utile è calcolata moltiplicando per un fattore correttivo pari a 0.8, che tiene conto del trasferimento di potenza dalla macchina al fluido. Per valutare il diametro dell agitatore meccanico si è fissato il valore del numero di giri al minuto, e la costante dell agitatore k T. Le formule utilizzate per il dimensionamento sono quelle sviluppate da Rushton [2]: P = k T µγn 2 D 3 (N R < 10) P = k T, µγn 2 D 5 (N R > 10000) dove: P : potenza alimentata (W); k T, : costante dell agitatore; µ = 1,139 x 10 3 N x s / m 2 (a 15 C); γ : peso specifico (Kg / m 3 ); n : numero di giri al secondo (s -1 ); D: diametro dell agitatore meccanico (m); N R : numero di Reynolds. la prima espressione ha validità in regime laminare e quindi è usata per dimensionare il comparto di miscelazione lenta, la seconda ha validità in regime turbolento, ed è usata per dimensionare il comparto di miscelazione rapida. Tabella 7: Caratteristiche degli agitatori meccanici scelti per la miscelazione rapida e lenta Costante dell agitatore Miscelazione 6.30 rapida Miscelazione lenta 1 Le caratteristiche dell agitatore meccanico nel comparto di mixing sono riportate in Tabella 8. Tabella 8: Caratteristiche dell agitatore meccanico a turbina Agitatori per vasca (n.) Potenza motore (kw) Diametro agitatore (m) Numero di giri (s -1 ) Miscelazione rapida Miscelazione lenta Le caratteristiche geometriche delle vasche sono riportate nella Tabella 9. Tabella 9: Dimensioni delle vasche nella sezione di estrazione acida Volume (m 3 ) Tempo di ritenzione idraulico (s) Gradiente medio di velocità (s -1 ) Portata (m 3 /d) D agitatore /D vasca * H fango /D vasca ** 8 Técnicos

9 Miscelazione rapida Miscelazione lenta * : valore ottimale 0.3 [2]. ** : valore ottimale Al termine della miscelazione lenta la miscela acido-fango passa nel bacino di post-ispessimento, in cui avviene la separazione della fase liquida contenente alluminio sotto forma di Al 2 (SO 4 ) 3 e di quella solida che costituisce il fango residuo da avviare prima ad un trattamento di neutralizzazione del ph e poi a smaltimento finale. BACINO DI POST-ISPESSIMENTO Il criterio di dimensionamento del bacino di post-ispessimento è analogo a quello del bacino di preispessimento. Per quanto riguarda la concentrazione dei solidi in ingresso ci si è avvalsi del rapporto tra i volumi di solidi dopo il pre-ispessimento e dopo l estrazione acida valutata in laboratorio (il volume del fango ispessito al termine dell estrazione si riduce ad almeno un decimo del volume iniziale). Nella Tabella 10 sono riportate le caratteristiche geometriche della vasca di post-ispessimento considerando una concentrazione di solidi pari ad un decimo di quella in uscita dal post-ispessitore. Tabella 10: Caratteristiche geometriche del bacino di post-ispessimento Portata massica dei fanghi (Q F ) (kgsst/d) Diametro vasca (m) Profondità zona ispessimento (m) Inclinazione Fondo ( ) Carico dei Solidi (kgsst/m 2 d) Tempo ritenzione (q H ) (h) Mentre nella Tabella 11 sono riportate le caratteristiche del fango spillato al post-ispessitore. Tabella 11: Caratteristiche del fango ispessito SST nel fango ingresso ispessitore (%) SST nel fango uscita ispessitore (%) Portata massica SST Uscita Ispessitore (kg SST/d) Portata volumetrica fango uscita ispessitore (m 3 /d) Vista la bassa concentrazione di solidi (5.20 kgsst/m 3 ) in uscita dal post-ispessitore, causata dall estrazione acida, occorre, per renderlo palabile, un trattamento con centrifuga. La disidratazione dei fanghi può essere effettuata con centrifughe a rotore conico-cilindrico ad asse orizzontale, rotante a forte velocità; all interno del rotore gira, a velocità leggermente diversa, una coclea di estrazione dei fanghi. L alimentazione delle centrifughe può avvenire centralmente o tangenzialmente ed i fanghi da disidratare e disidratati possono muoversi nello stesso senso od in senso opposto. Un condizionamento dei fanghi (generalmente con polielettroliti) è essenziale per ottenere generalmente rendimenti di estrazione superiori al 90%, ma in questo caso si tratta di un fango facilmente disidratabile senza l aggiunta di coadiuvanti, a causa della dissoluzione mediante estrazione acida di quei solidi (idrossidi di alluminio) principali responsabili del trattenimento delle molecole d acqua. Le caratteristiche della centrifuga necessaria al trattamento sono riportate nella Tabella 12. 9

10 Tabella 12: Caratteristiche tecniche della centrifuga Portata fanghi da trattare (L/s) Tempo di funzionamento (h/d) Portata fango trattata (L/s) Potenza assorbita (kw) Mentre nella tabella 13 sono riassunte i valori delle portate uscenti dal sistema di ispessimento, avendo ipotizzato una percentuale in secco in uscita del 30% [2]. Tabella 13: Portate di surnatante e di solidi in uscita dalle centrifughe Portata fango in uscita (m 3 /d) Portata surnatante in uscita (m 3 /d) Solidi in uscita (kgsst/d) Il fango ispessito mediante centrifuga, ha una concentrazione in secco idonea allo smaltimento finale in discarica (1^ categoria), ma prima deve essere corretto il ph riportandolo a neutralità. Il liquido proveniente sia dalla vasca di post-ispessimento che dalla centrifuga costituisce il coagulante da riutilizzare e viene stoccato in opportuni bacini all interno dei quali si misura la concentrazione dell alluminio. La restante frazione di alluminio fresco (40%) si aggiunge, mediante pompa dosatrice, nella tubazione di mandata alle vasche di chiariflocculazione. La concentrazione dell alluminio contenuta nel liquido separato può essere stimata con l espressione [3]: C Al = 1, x C dove: C Al : concentrazione dell alluminio nel surnatante recuperato (mg/l); C: concentrazione dei solidi sospesi totali nel fango prima dell ispessimento (g/l). Quindi per un valore di C pari a 1.50 g/l corrisponde una concentrazione di alluminio nel liquido stoccato di 2,521 mg/l. In base alla concentrazione di Al nel coagulante recuperato dovranno variare: la portata di surnatante prelevata dalla vasca di stoccaggio; la quantità di coagulante commerciale aggiunta in linea. Il calcolo del volume delle vasche di stoccaggio dell alluminio recuperato è stato fatto sulla base di una situazione di dosaggio medio di coagulante all impianto reale, ossia 60 mg/l, a cui corrisponde una concentrazione di alluminio di 3,18 mg/l. Per stimare il volume delle vasche di stoccaggio in condizioni di dosaggio medio di coagulante fresco occorre conoscere: 1. Percentuale di alluminio nel coagulante commerciale e in quello di recupero; 2. Densità del coagulante commerciale e di quello di recupero; 3. Concentrazione di alluminio da alimentare per la chiariflocculazione; 4. Volume di coagulante di recupero prodotto giornalmente; 5. Volume di coagulante di recupero necessario giornalmente. Tabella 14: Caratteristiche delle soluzioni coagulanti Densità (g/l) Percentuale in peso di allumino (g Al/ 100 g soluzione) Coagulante commerciale Coagulante di recupero Técnicos

11 Tabella 15: Volumi di coagulante di recupero in ingresso ed in uscita dalla vasca di stoccaggio in condizioni di alimentazione media di coagulante Volume coagulante prodotto giornalmente (m 3 ) Volume coagulante consumato giornalmente* (m 3 ) Volume vasca stoccaggio (m 3 ) *coagulante di recupero + coagulante commerciale di reintegro COMPUTO METRICO Nel presente paragrafo è riportato il confronto dei costi di impianto e di gestione di una sezione di trattamento fanghi con recupero e riutilizzo di alluminio rispetto ad una senza. La prima è costituita dagli apparati descritti nei paragrafi precedenti; mentre la seconda è costituita unicamente da un bacino di pre-ispessimento. La valutazione è stata condotta sulla base del Prezzario della regione Piemonte aggiornato al 2001 [4]. Le parti in cui è stata scomposta la sezione di trattamento che provvede al recupero e riutilizzo dell alluminio sono: 1. Tubazioni in acciaio e pompe di mandata e/o allontanamento; 2. Carpenteria metallica; 3. Vasche di miscelazione, di pre-ispessimento, di post-ispessimento e di stoccaggio coagulante recuperato; 4. Sensori per misurare: il ph nelle vasca di miscelazione lenta, la concentrazione di alluminio nella vasca di stoccaggio; 5. Pompa dosatrice per il reintegro di coagulante commerciale; 6. Consumo di coagulante commerciale; Mentre, quelle della sezione senza recupero di alluminio sono: 1. Tubazioni in acciaio e pompe di avanzamento; 2. Carpenteria metallica; 3. Vasca di pre-ispessimento; 4. Coagulante commerciale; I costi di impianto del sistema di trattamento fanghi sono riportati nella Tabella 16, mentre quelli relativi alla gestione dell impianto sono nella Tabella 17. Tabella 16: Costi unitari di impianto Tubazio ni ( /kg) Cemento armato ( /m3) Pompa dosatrice ( /cadauna) Pompa di avanzamento ( /cadauna) Agitatore ( /cadauno) Carpenteria metallica ( /kg) Sensori ( /cadauno) 10, ,000 2,000,000 12,000,000 4,000,000 9,300 5,000,000 Tabella 17: Costi unitari di gestione Coagulante commerciale ( /kg) Smaltimento fanghi ( /kg) Potenza ( /kwh) I costi totali per la realizzazione di ogni singola parte del sistema di trattamento che prevede l estrazione acida sono mostrati nella Tabella

12 Tabella 18:Costi di impianto Tubazio ni Cemento armato Pompa dosatrice Pompe Agitatore Carpenteria metallica Sensori 2,100,000 54,000,000 2,000,000 48,000,000 8,000,000 6,200,000 10,000,000 Il costo di impianto complessivo è di circa 130,400,000; che capitalizzato calcolato per un tasso di interesse del 8% restituisce una rata costante annua di circa 19,.000,000 per un periodo di ammortamento di 10 anni. I costi totali per la realizzazione di ogni singola parte del sistema di trattamento che non prevede l estrazione acida sono mostrati nella Tabella 19. Tabella 19: Costi di realizzazione Tubazio ni Cemento armato Pompa di avanzamento Carpenteria metallica 1,248,000 12,500,000 24,000,000 1,900,000 Il costo di impianto complessivo è di circa 40,000,000 che capitalizzato calcolato per un tasso di interesse del 8% restituisce una rata costante annua di circa 5,.800,000 per un periodo di ammortamento di 10 anni. Relativamente ai costi annui di impianto capitalizzato e ammortizzato come rata costante annua ed i costi di gestione per il sistema con recupero e riutilizzo di alluminio si ottiene un costo giornaliero di circa 5,564,.000, mentre quella senza estrazione acida di circa 6,020,000, in virtù di un maggior quantitativo di coagulante commerciale da utilizzare. I costi giornalieri dei due sistemi si differenzierebbero maggiormente se si considerasse la presenza di una sezione di disidratazione con centrifuga. Infatti, il sistema con recupero e riutilizzo di coagulante, producendo una quantità di fanghi da disidratare (Tabelle 12, 13) nettatamene inferiore a quello senza recupero e riutilizzo (Tabella 20), necessita di una sola centrifuga, mentre l altro sistema necessita di due centrifughe di maggiore taglia che assorbono più potenza (Tabella 20) e quindi comportano maggiori consumi energetici. Tabella 20:Caratteristiche tecniche di ciascuna centrifuga Portata fanghi da trattare (L/s) Tempo di funzionamento (h/d) Portata fango trattato (L/s) Potenza assorbita (kw) CONCLUSIONI La valutazione e gli scenari sviluppati confermano il vantaggio ambientale ed economico perseguibile attraverso il processo di recupero e di riutilizzo di coagulante attraverso una sezione dedicata. Innanzitutto è da considerare il rilevante vantaggio ambientale dovuto ad una significativa riduzione dell utilizzo di coagulante commerciale, stimata, attraverso prove su scala pilota, non inferiore al 60%, attraverso il riutilizzo di alluminio precipitato e recuperato dai fanghi provenienti dal comparto di coagulazione e flocculazione. A tale vantaggio è da affiancare anche una riduzione ed un miglioramento qualitativo, in termini di concentrazioni di inquinanti organici ed inorganici dei residui fangosi da avviare a smaltimento finale. 12 Técnicos

13 Tutti i suddetti vantaggi, inoltre, concorrono indiscutibilmente, ad un non trascurabile risparmio nei costi annui di gestione ed ammortamento dell impianto. Infatti, senza considerare l aggravio dovuto alla presenza della centrifuga, la differenza di costi di impianto e di gestione tra le due soluzioni analizzate, con e senza sezione di recupero e riutilizzo di coagulante, fa sì che, annualmente, il sistema di recupero e riutilizzo dell alluminio consente di ottenere un risparmio, su 300 giorni di funzionamento l anno, di circa , ossia in 10 anni. Risulta evidente che globalmente, la migliore incidenza è dovuta ai vantaggi ambientali perseguibili. BIBLIOGRAFIA 1) American Water Works Association, Research Fondation Coagulant recovery: a critical assessment", ) Metcalf & Eddy Wastewater engineering: treatment, disposal, reuse McGraw-Hill, Inc. 3) Prigiobbe, V. Studio sperimentale sul recupero dell alluminio da fanghi di risulta da processo chimico di un impianto di potabilizzazione. Tesi di laurea, Cattedra di Ingegneria Sanitaria-Ambientale, Facoltà di Ingegneria, Università degli Studi di Roma Tor Vergata, Relatore Prof. R. Gavasci., Correlatore Ing. F. Lombardi. 4) Prezzi di riferimento per opere e lavori pubblici nella regione Piemonte Aggiornamento