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1 Ottobre 2016 Prima emissione Ing. Ravanini Ing. Pesente Ing. Ravanini p.i. Basaglia rev. data DESCRIZIONE redatto verificato riesaminato approvato gruppo Territorio energia ambiente spa COMMITTENTE Sede legale: Via Taliercio, MANTOVA tel fax C.F. e P.I R.I. Mantova R.E.A C.C.I.A.A. Mantova SERVIZIO DI INGEGNERIA Via Taliercio, MANTOVA tel fax direzione.tecnica@teaspa.it N COMMESSA T3D NOME DEL FILE 04 TITOLO PROGETTO UBICAZIONE REVAMPING DEL DEPURATORE A FANGHI ATTIVI NEL COMUNE DI SUZZARA (POTENZIALITA 18.0 A.E.) TITOLO DOCUMENTO COMUNE DI SUZZARA TIPO PROGETTO STUDIO PRELIMINARE DEFINITIVO ESECUTIVO DIREZIONE LAVORI AS BUILT N DOCUMENTO SCALA RELAZIONE IDRAULICA NOTE VARIE PROGETTISTA dott. ing. Ravanini Nicola CONSULENTI / ALTRI PROGETTISTI SPECIALISTI / VARIE Allegato 1 IT 08 A DT Rev.01 Data: 01/10/2011 Pag. 1 di 1 QUESTO DOCUMENTO È PROPRIETÀ RISERVATA DEL GRUPPO TEA SPA, E NON PUÒ ESSERE RICOPIATO, RIPRODOTTO O MOSTRATO A TERZI SENZA LA NOSTRA AUTORIZZAZIONE SCRITTA

2 Sommario 1 PREMESSA STATO ATTUALE DELL IMPIANTO LIMITI ALLO SCARICO ELABORAZIONE DATI DI GESTIONE DATI DISPONIBILI CARATTERISTICHE QUANTITATIVE DEL REFLUO ATTUALMENTE INVIATO ALL IMPIANTO CARATTERISTICHE QUALITATIVE DEL REFLUO ATTUALMENTE INVIATO ALL IMPIANTO CARATTERISTICHE QUALITATIVE DELL EFFLUENTE DALL IMPIANTO STIMA DELLA POTENZIALITÀ DELL IMPIANTO CRITICITÀ INDIVIDUATE DATI DI PROGETTO STIMA DELL INCREMENTO DEMOGRAFICO DELLA POPOLAZIONE DA SERVIRE CARATTERISTICHE QUANTITATIVE DEL REFLUO DA TRATTARE CARATTERISTICHE QUALITATIVE DEL REFLUO DA TRATTARE FRAZIONAMENTO DEL REFLUO IN INGRESSO TEMPERATURE DI PROGETTO SOLUZIONE PROGETTUALE PROPOSTA CALCOLI DI PROCESSO STAZIONE DI SOLLEVAMENTO INIZIALE PRETRATTAMENTO COMPATTO SELETTORE BIOLOGICO COMPARTO DI DENITRIFICAZIONE E NITRIFICAZIONE/OSSIDAZIONE AD AERAZIONE CICLICA Modello di calcolo per il dimensionamento Parametri cinetici e stechiometrici Risultati del dimensionamento in condizioni stazionarie Controllo di processo avanzato ad aerazione ciclica DEFOSFATAZIONE CHIMICA SEDIMENTAZIONE SECONDARIA DISINFEZIONE STABILIZZAZIONE AEROBICA DISIDRATAZIONE MECCANICA DEL FANGO CONCLUSIONI Gruppo TEA S.p.A. 2/38

3 1 PREMESSA Il documento si articola nelle seguenti sezioni: descrizione della filiera di trattamento dell impianto attuale e dello stato di conservazione dei manufatti esistenti (capitolo 2); elaborazione dei dati di gestione dell impianto di depurazione esistente (capitolo 3); individuazione delle principali criticità dell impianto (capitolo 4); definizione dei dati di progetto alla base del dimensionamento (capitolo 5); descrizione della soluzione progettuale proposta (capitolo 6); descrizione dei calcoli di processo per il dimensionamento preliminare dell impianto di depurazione (capitolo 7); considerazioni conclusive (capitolo 8). L attuale impianto di depurazione delle acque reflue di Suzzara (vista aerea di Figura 1) è dimensionato per il trattamento di una popolazione equivalente di progetto di 13.5 AE prevalentemente di origine civile. Gruppo TEA S.p.A. 3/38

4 2 STATO ATTUALE DELL IMPIANTO Figura 1: Vista aerea dell impianto di depurazione di Suzzara (fonte: Google Maps) L impianto si compone di una linea acque costituita da: pre-trattamenti meccanici (grigliatura grossolana, sollevamento, roto-stacciatura, dissabbiatura/disoleatura); due linee di trattamento biologico a fanghi attivi, configurate secondo lo schema di predenitrificazione/ossidazione-nitrificazione, con frazione del volume anossico pari a circa l 11% dell intero volume di processo; due comparti di sedimentazione secondaria; un bacino di clorazione. Le due linee sono completamente separate tra loro. L alimentazione delle due linee è regolata da due paratoie mobili regolabili manualmente. Gruppo TEA S.p.A. 4/38

5 La linea fanghi è costituita da una sezione di stabilizzazione aerobica, un comparto di accumulo con funzione di post-ispessimento ed una disidratazione meccanica mediante centrifuga. In Tabella 1 sono riassunte le caratteristiche geometriche dei diversi comparti. Tabella 1: Volumetrie, superfici e battenti idrici dei diversi comparti Il sistema di aerazione delle vasche di ossidazione è costituito da due turbine superficiali per linea, ognuna azionata da un motore da 15 kw. La capacità di ossigenazione di turbine superficiali di questo tipo è generalmente pari a 1.2 kgo2/h/kw (Metcalf & Eddy, 23). L SOTR totale installato è quindi 72 kgo 2 /h. In Figura 2 sono riportati alcuni estratti della documentazione fotografica raccolta in sede di sopralluogo. Figura 2: Da in alto a sinistra (in senso orario): grigliatura grossolana, tubazioni di mandata delle pompe di sollevamento e roto-stacciatura, ossidazione, sedimentazione secondaria Gruppo TEA S.p.A. 5/38

6 2.1 LIMITI ALLO SCARICO L impianto di Suzzara è caratterizzato da una potenzialità maggiore di 10.0 AE e scarica in area sensibile, pertanto valgono i limiti indicati in Tabella 5 dell Allegato B al R.R. 24 marzo 26, integrati con i limiti della Tabella 3 dell Allegato 5 alla parte Terza del D.Lgs 152/06, salvo per i parametri già elencati nel R.R. sopracitato. Tabella 2: Limiti allo scarico relativi ai principali inquinanti Gruppo TEA S.p.A. 6/38

7 3 ELABORAZIONE DATI DI GESTIONE 3.1 DATI DISPONIBILI Tea acque srl ha fornito i seguenti dati di gestione relativi agli anni : concentrazioni di SST, BOD 5, COD, fosforo totale e azoto totale in ingresso all impianto, ricavate da analisi effettuate su campioni medi sulle 24 ore, prelevati con frequenza mensile; concentrazioni di SST, BOD 5, COD, fosforo totale e forme azotate in uscita dall impianto, ricavate da analisi effettuate su campioni medi sulle 24 ore, prelevati con frequenza bi-mensile; volume trattato mensilmente dal 2010 al 2013; portata media giornaliera da aprile 2012 a dicembre 2013, dal misuratore di portata; ossigeno, solidi e temperatura nelle due vasche di ossidazione (valori medi giornalieri) da aprile 2012 a dicembre 2013, ricavati da strumentazione in campo; analisi dei solidi sospesi totali e volatili nelle vasche e nel fango di ricircolo. 3.2 CARATTERISTICHE QUANTITATIVE DEL REFLUO ATTUALMENTE INVIATO ALL IMPIANTO In Figura 3 è riportato l andamento della portata in ingresso all attuale impianto di Suzzara, comprendente anche le acque meteoriche. Figura 3: Andamento della portata in ingresso all attuale impianto di depurazione di Suzzara nel periodo La portata media e massima attualmente trattate dall impianto sono riportate in Tabella 3. Come portata massima attualmente afferente all impianto è stata utilizzata la massima portata oraria registrata in uscita dall impianto nel periodo aprile 2012 dicembre 2013, ottenendo un rapporto Qmax/Qmedia pari a 3.3. Gruppo TEA S.p.A. 7/38

8 3.3 CARATTERISTICHE QUALITATIVE DEL REFLUO ATTUALMENTE INVIATO ALL IMPIANTO Dall elaborazione dei dati di concentrazione media del periodo sono stati ricavati i valori medi di concentrazione di sostanza organica, espressa in termini di COD e BOD 5, di azoto totale, di fosforo totale e di solidi sospesi totali nel refluo attualmente alimentato all impianto. In Figura 4 e Figura 5 è rappresentato l andamento della concentrazione dei macroinquinanti presenti nel refluo attualmente alimentato all impianto di depurazione di Suzzara. Figura 4: Concentrazione di sostanza organica (COD e BOD 5 ) e solidi sospesi totali (SST) nel refluo in ingresso all'attuale impianto di depurazione di Suzzara nel periodo Gruppo TEA S.p.A. 8/38

9 Figura 5: Concentrazione di azoto totale e fosforo totale nel refluo in ingresso all'attuale impianto di depurazione di Suzzara nel periodo In Tabella 4 sono infine riportate le medie ottenute per ogni parametro. Tabella 4: Concentrazioni medie dei principali inquinanti nel refluo in ingresso all'impianto Gruppo TEA S.p.A. 9/38

10 3.4 CARATTERISTICHE QUALITATIVE DELL EFFLUENTE DALL IMPIANTO Come si evince dai grafici riportati in Figura 6 e Figura 7, l effluente dall impianto di depurazione di Suzzara presenta frequenti superamenti dei limiti, soprattutto nel caso dei solidi sospesi e delle forme azotate. Figura 6: Concentrazione di sostanza organica (COD e BOD 5 ) e solidi sospesi totali (SST) nell effluente dall'attuale impianto di depurazione di Suzzara nel periodo Figura 7: Concentrazione delle forme azotate e del fosforo totale nell effluente dall'attuale impianto di depurazione di Suzzara nel periodo Gruppo TEA S.p.A. 10/38

11 3.5 STIMA DELLA POTENZIALITÀ DELL IMPIANTO Dai valori medi dei carichi derivanti dall elaborazione dati sono stati valutati gli abitanti equivalenti organici attualmente afferenti all impianto di depurazione. Sulla base del valore medio delle portate medie giornaliere sono stati invece valutati gli abitanti equivalenti idraulici. Gli abitanti equivalenti in termini di macroinquinanti sono stati valutati sulla base dei carichi medi e dei valori di apporto pro-capite di letteratura (Tabella 5), mentre il valore degli AE idraulici è stato valutato considerando una dotazione idrica pro-capite di 3 L/AE/d e un coefficiente di afflusso in fognatura pari a 0.8, corrispondente a un afflusso netto di 240 L/AE/d. Tabella 5: Valori degli apporti pro-capite dei macroinquinanti e abitanti equivalenti trattati Dai risultati riportati in Tabella 5 si evince che l impianto, originariamente dimensionato per trattare un carico influente di 13.5 AE con limiti allo scarico unicamente legati all ossidazione del carbonio organico, è attualmente soggetto ad un sovraccarico in termini di sostanza organica e azoto e deve far fronte a limiti normativi più restrittivi, riguardanti tanto il carbonio quanto le forme azotate. Gruppo TEA S.p.A. 11/38

12 4 CRITICITÀ INDIVIDUATE Allo stato attuale l impianto presenta diverse criticità che determinano la necessità di procedere all adeguamento. In particolare: come evidenziato nel capitolo precedente, il volume complessivo disponibile per il trattamento biologico del refluo risulta insufficiente per il rispetto dei limiti di emissione imposti dalla normativa di riferimento; l assenza di ricircolo della miscela aerata determina una concentrazione di azoto nitrico nell effluente molto elevata; la rimozione dell azoto ammoniacale, pur non particolarmente difficoltosa in condizioni medie di carichi influenti e temperatura, diventa decisamente critica con concentrazioni in ingresso elevate, o in condizioni di temperatura bassa. In queste situazioni, il volume delle vasche non è sufficiente per la nitrificazione; le due vasche di sedimentazione secondaria risultano sottodimensionate in rapporto ai carichi trattati dall impianto, con il conseguente rischio di fughe di materiale in sospensione dalla decantazione; vari manufatti risultano inutilizzati e in uno stato di degrado tale da rendere necessario il loro smantellamento o sostituzione; il sistema di ossigenazione, costituito da turbine superficiali, è obsoleto e poco flessibile, e non consente un adeguata regolazione dell ossigeno in vasca e dell andamento del processo; è inoltre assente un sistema di regolazione della fornitura di ossigeno. Gruppo TEA S.p.A. 12/38

13 Si riepilogano quindi nei paragrafi seguenti i dati utilizzati come base della progettazione. Oltre alle condizioni attuali di carico dell impianto, si è considerato anche un secondo scenario relativo a condizioni future con proiezione a 20 anni, stimate secondo la procedura descritta al seguente paragrafo. Tutte le verifiche di progetto sono state effettuate considerando entrambi gli scenari. Gruppo TEA S.p.A. 13/38

14 5 DATI DI PROGETTO 5.1 STIMA DELL INCREMENTO DEMOGRAFICO DELLA POPOLAZIONE DA SERVIRE La stima dell incremento demografico è stata fatta considerando la popolazione censita nel Comune di Suzzara per gli anni 1971, 1981, 1991, 21 e Da questi dati è stato stimato l incremento demografico medio annuo dal 1971 al 2011, pari allo 0.41%, e applicando la formula dell interesse composto è stata stimata la popolazione residente in un orizzonte temporale di 20 anni (al 2034): P(n) = P0 (1 + r) n Tabella 6: Dati ISTAT e stima dell incremento demografico Sulla base della stima della popolazione residente sono stati calcolati quindi gli abitanti equivalenti, incrementando proporzionalmente la potenzialità attuale calcolata in base ai dati. In Tabella 7 è riportato il riepilogo del quadro delle potenzialità dell impianto di Suzzara in corrispondenza dei due scenari (attuale e futuro). Tabella 7: Potenzialità attuali e future dell impianto di Suzzara Gruppo TEA S.p.A. 14/38

15 5.2 CARATTERISTICHE QUANTITATIVE DEL REFLUO DA TRATTARE Le portate assunte come riferimento alla base della progettazione sono riepilogate in Tabella 8. Il R.R. 24/3/26 n.3 definisce che gli sfioratori di piena delle reti fognarie di tipo unitario devono lasciar defluire all impianto di trattamento una portata almeno pari a 750 litri per abitante equivalente al giorno; a questo valore corrisponde un rapporto Qmax/Qmedia = (m 3 /AE d) / (0.3*0.8(m 3 /AE d)) = 3.125, coefficiente che è stato utilizzato per lo scenario futuro. Per lo scenario attuale è stato mantenuto invece il rapporto 3.3 ricavato dai dati gestionali. Tabella 8: Caratteristiche quantitative del refluo in ingresso all'impianto nelle condizioni di progetto Gruppo TEA S.p.A. 15/38

16 5.3 CARATTERISTICHE QUALITATIVE DEL REFLUO DA TRATTARE I dati di concentrazione riferiti alla portata media e i carichi corrispondenti sono riepilogati in Tabella 9. Tabella 9: Caratteristiche qualitative del refluo in ingresso all'impianto 5.4 FRAZIONAMENTO DEL REFLUO IN INGRESSO Le verifiche di dimensionamento della sezione di trattamento biologico sono state condotte utilizzando un modello di calcolo avanzato in condizioni stazionarie che deriva concettualmente dal metodo UCT (Ekama et al., 1984), proposto dal Water Research Group dell Università di Cape Town (RSA). Per ovviare ad alcune importanti limitazioni determinate dall approccio delle tradizionali procedure semi-empiriche di dimensionamento del comparto di trattamento biologico, basate sul BOD 5 come parametro rappresentativo della sostanza organica in ingresso, il modello esprime il carico organico influente in termini di COD e si basano sulla sua ripartizione in frazioni differenti che vengono classificate in base al rispettivo grado di biodegradabilità (COD biodegradabile o non biodegradabile, in forma solubile o particolata). Nel caso in esame è stato determinato il frazionamento del refluo attualmente alimentato all impianto a partire dai dati di gestione in termini di caratteristiche qualitative del liquame in ingresso e dell effluente chiarificato, utilizzando il modello sviluppato dall Ente di ricerca olandese STOWA - Dutch Foundation for Applied Water Research (STOWA, 1996 e STOWA, 1999). Il frazionamento medio del refluo in ingresso all impianto di Suzzara è riportato in Tabella 10, ed è stato mantenuto costante in tutti gli scenari. Gruppo TEA S.p.A. 16/38

17 Tabella 10: Frazionamento del COD nel refluo in ingresso all impianto nelle condizioni di progetto 5.5 TEMPERATURE DI PROGETTO Dal momento che le cinetiche di crescita batteriche risultano rallentate al decrescere della temperatura in vasca, il dimensionamento delle volumetrie di processo biologico è stato effettuato con riferimento alle condizioni di temperatura di progetto invernale, assunta pari a 12 C. La temperatura massima estiva di 26 C è stata invece considerata per le verifiche di dimensionamento dei sistemi di aerazione, dato che la solubilità dell ossigeno si riduce all incrementare della temperatura del liquame. Gruppo TEA S.p.A. 17/38

18 6 SOLUZIONE PROGETTUALE PROPOSTA L adeguamento dell impianto di depurazione di Suzzara ha lo scopo di: aumentare le volumetrie biologiche al fine di poter trattare tutto il carico in ingresso nel rispetto dei limiti allo scarico; adeguare il sistema di ossigenazione delle vasche biologiche; permettere una corretta denitrificazione (al momento non ottimale a causa dell assenza di ricircolo della miscela aerata) tramite l implementazione di un processo ad aerazione intermittente; aumentare i volumi e le superfici di sedimentazione secondaria al fine di evitare fuoriuscite di solidi; sostituire i manufatti inutilizzati o in stato di degrado. L impianto viene inoltre dimensionato per soddisfare le esigenze depurative su un orizzonte temporale di 20 anni. I principi assunti alla base della progettazione sono: modularità delle opere, in modo da permettere la realizzazione in fasi successive; massimizzazione della semplicità gestionale, in modo da non richiedere il presidio dell impianto e limitare la presenza del personale ai soli interventi di manutenzione ordinaria e straordinaria; minimizzazione dei costi di gestione associati ai consumi energetici e di reagenti chimici, allo smaltimento dei fanghi e alle attività di manutenzione; pianificazione degli interventi in modo da garantire la continuità del servizio di depurazione anche in fase di realizzazione delle opere. Lo schema di flusso dell impianto a regime, rappresentato nell elaborato di progetto, può essere sintetizzato come segue: sollevamento della portata massima, pari ad almeno 431 m 3 /h, per mezzo di quattro pompe sommergibili; impianto di pretrattamento compatto costituito da grigliatura da 6 mm, dissabbiatura, compattatore, classificatore sabbie, vano evacuazione grassi; Gruppo TEA S.p.A. 18/38

19 ripartitore da cui vengono alimentate le tre linee di trattamento biologico, con una portata massima pari a 143,7 m 3 /h per linea; trattamento biologico a fanghi attivi composto da: o o tre selettori anossici dove confluiscono la portata in ingresso e il flusso di fanghi ricircolati dalla sedimentazione secondaria e miscelati con agitatori verticali; tre linee di trattamento biologico funzionanti in parallelo con gestione del processo di nitrificazione/denitrificazione ad aerazione intermittente; le vasche sono equipaggiate con soffianti, diffusori a bolle fini e miscelatori sommersi; defosfatazione chimica con dosaggio di cloruro ferrico nei pozzetti di invio dei fanghi ai sedimentatori; tre linee parallele di sedimentazione secondaria con sedimentatori circolari. Ciascun sedimentatore è dotato di un pozzetto di raccolta fanghi in cui sono installate le pompe di ricircolo del fango al selettore anossico; il supero è effettuato per spillamento dalle tubazioni di ricircolo; le schiume sono raccolte in appositi pozzetti e inviate alla linea fanghi; bacino di disinfezione con dosaggio di ipoclorito di sodio in casi di emergenza sanitaria; digestione aerobica con volume di annesso per l ispessimento statico in una vasca equipaggiata con soffiante e diffusori a bolle fini per la fornitura e distribuzione dell aria; disidratazione meccanica dei fanghi digeriti tramite centrifuga; linea surnatanti dell ispessimento e delle acque chiare della centrifuga vengono inviati in testa all impianto. Le opere previste interessano aree all interno dei confini attuali dell impianto, senza la necessità di richiedere l acquisizione di nuove aree. Sono previsti anche interventi di demolizione di opere esistenti inutilizzate o in condizioni tali da non essere più funzionali. Più in dettaglio gli interventi riguardano: costruzione di un nuovo impianto di sollevamento; completo rifacimento della sezione pretrattamenti, con costruzione di un nuova struttura metallica Gruppo TEA S.p.A. 19/38

20 per il sostegno del pretrattamento compatto e del ripartitoreo; demolizione dell esistente vano disidratazione fanghi e della vasca di ispessimento fanghi; trasformazione delle due attuali vasche di denitrificazione in selettori anossici, con sostituzione dei miscelatori ad asse verticale esistenti con miscelatori sommersi, e realizzazione di un terzo selettore analogo; installazione di diffusori a bolle fini e di miscelatori sommersi nelle attuali vasche di nitrificazione e nell attuale vasca di stabilizzazione aerobica, che verranno convertite a vasche biologiche ad aerazione intermittente; costruzione di una nuova cabina elettrica, sala quadri e locale soffianti; trasformazione dell esistente sala quadri in un locale magazzino con rifacimento dei servizi igienici; realizzazione di un terzo bacino di sedimentazione secondaria di dimensioni analoghe agli esistenti, dotato del proprio pozzetto di raccolta fanghi con elettropompe; realizzazione di un pozzetto di raccolta delle schiume, equipaggiato con una pompa sommergibile, per ogni sedimentatore; rifacimento del pozzetto di raccolta fanghi del sedimentatore della linea 2, in modo che sia adiacente al sedimentatore stesso e che possa contenere, oltre alla pompa già esistente, anche una pompa aggiuntiva di riserva; demolizione del canale di disinfezione esistente e realizzazione di un nuovo canale con volumetria tale da garantire adeguati tempi di residenza e adeguata diffusione del reagente disinfettante; sostituzione della stazione di dosaggio del disinfettante, che presenta evidente stato di degrado; realizzazione di una vasca di digestione aerobica, di dimensioni analoghe a quelle delle vasche biologiche ed equipaggiata con soffiante e diffusori a bolle fini per la fornitura e distribuzione dell aria. In adiacenza verrà realizzato un vano destinato all ispessimento dei fanghi; equipaggiamento della sezione biologica e della stabilizzazione con strumentazione adeguata. Installazione di misuratori di portata sulle tubazioni di ricircolo e di supero del fango. Gruppo TEA S.p.A. 20/38

21 7 CALCOLI DI PROCESSO 7.1 STAZIONE DI SOLLEVAMENTO INIZIALE La vasca di sollevamento iniziale esistente è in uno stato eccessivo di degrado e prevede solo 3 pompe. Verrà realizzata una nuova vasca, che permette il contenimento di quattro pompe. Le caratteristiche delle pompe esistenti sono riepilogate in Tabella 11. Tabella 11: Caratteristiche delle pompe di sollevamento esistenti La portata totale sollevabile dalle quattro nuove pompe è circa di 485 m 3 /h, superiore alla massima portata afferente all impianto, pari a 431 m 3 /h. 7.2 PRETRATTAMENTO COMPATTO L impianto, costruito in modo compatto e funzionale, è in grado di sostituire tutti i pretrattamenti usuali che avvengono a monte della fase ossidativa in un impianto di depurazione biologico. E composto dalle seguenti fasi: grigliatura fine a pettine rotante con coclea integrata per la triplice funzione di pulizia della griglia stessa, allontanamento con lavaggio del grigliato, compattazione di quest ultimo prima dello scarico in un apposito cassonetto; dissabbiatore longitudinale composto a sua volta da: vasca di calma per la sedimentazione di sabbie ed altre sostanze grossolane, coclea longitudinale per il convogliamento delle sabbie in un apposito pozzetto di raccolta; coclea elevatrice inclinata per l asportazione, la classificazione e l asciugatura delle sabbie stesse; sistema di aerazione integrato per la flottazione dei grassi presenti nel refluo; trappola grassi munita di dispositivi di evacuazione e pompa d asporto degli stessi. Gruppo TEA S.p.A. 21/38

22 7.3 SELETTORE BIOLOGICO Le cause più frequenti di bulking/foaming del fango attivo, che ne determinano problemi di sedimentabilità, possono essere ricondotte all instaurarsi nell ambiente di reazione di condizioni di crescita della biomassa più idonee per i batteri filamentosi che per i batteri fiocco-formatori. Tali condizioni possono essere cambiate modificando i valori di alcuni parametri operativi (ph, ossigeno disciolto, ecc.) oppure intervenendo su caratteristiche strutturali dell impianto come, ad esempio, apportando modifiche dello schema d impianto quali l introduzione di selettori o di zone dove il fango permane in condizioni di respirazione endogena ( reattori di rigenerazione ). È opportuno quindi prevedere, a monte delle vasche biologiche, un volume biologico non aerato che funga da selettore della biomassa favorendo la crescita dei batteri fiocco-formatori, più veloci dei batteri filamentosi nello stoccare il substrato carbonioso prontamente biodegradabile e, di solito, più resistenti dei batteri filamentosi a condizioni di carenza di substrato esogeno. La proposta progettuale qui presentata prevede di utilizzare come selettori biologici le due vasche di predenitrificazione esistenti, e di realizzarne una terza, di dimensioni uguali, per la nuova terza linea biologica. Questa scelta non richiede opere civili di adeguamento sulle vasche esistenti. Per il mantenimento in sospensione della biomassa nei selettori è previsto un miscelatore sommerso da 0.75 kw per ogni linea. Le verifiche sono state effettuate ipotizzando di avviare al selettore biologico tutta la portata di fango di ricircolo dai sedimentatori secondari e l intero flusso in ingresso all impianto. Il dimensionamento preliminare del selettore biologico è stato eseguito verificando il rispetto dei valori tipici dei seguenti parametri progettuali: Gruppo TEA S.p.A. 22/38

23 tempo di residenza idraulico HRT; carico volumetrico applicato kg COD /m 3 /d; carico del fango applicato kg COD /kg SSV /d. Nella tabella seguente sono riportati i risultati delle verifiche. Tabella 13: Verifiche di dimensionamento dei selettori anossici Gruppo TEA S.p.A. 23/38

24 7.4 COMPARTO DI DENITRIFICAZIONE E NITRIFICAZIONE/OSSIDAZIONE AD AERAZIONE CICLICA Modello di calcolo per il dimensionamento Le procedure di calcolo adottate tipicamente nella progettazione del comparto di trattamento biologico degli impianti di depurazione delle acque reflue fanno riferimento a criteri semi-empirici che assumono a base della progettazione il parametro BOD 5, ritenuto indicativo del livello di biodegradabilità dei substrati carboniosi avviati a trattamento. Tuttavia, benché ancora oggi applicato negli approcci di dimensionamento convenzionali, il BOD 5 presenta numerose limitazioni come parametro di caratterizzazione del refluo influente per motivi legati ai tempi di esecuzione del test (da 5 a 20 giorni) e alla scarsa rappresentatività delle reali dinamiche del processo depurativo, poiché il tempo di residenza idraulico di un impianto di depurazione per reflui civili è nettamente inferiore a 5 giorni. Per queste ragioni, a partire dalla metà degli anni 80 l International Water Association (IWA) ha proposto e sviluppato delle metodologie di calcolo alternative secondo cui il carico organico influente viene espresso in termini di COD, a sua volta ripartito in frazioni differenti che vengono classificate in base al rispettivo grado di biodegradabilità: COD solubile biodegradabile Ss (Readily Biodegradable COD, RBCOD); COD particolato biodegradabile Xs (Slowly Biodegradable COD, SBCOD); COD solubile inerte Si; COD particolato inerte Xi. La degradazione di RBCOD è un meccanismo in grado di attuarsi nel giro di poche ore, mentre possono occorrere anche giorni per il processo di rimozione del COD lentamente biodegradabile, per il quale è necessaria una fase preliminare di idrolisi enzimatica cui segue la conversione a COD rapidamente biodegradabile. Il contenuto di RBCOD riveste inoltre un ruolo determinante nel dimensionamento del comparto di denitrificazione, dal momento che il tasso di riduzione di nitrato ad azoto gassoso biatomico è fortemente influenzato dalla natura del substrato organico che funge da donatore di elettroni: in presenza di RBCOD, la velocità di denitrificazione risulta significativamente maggiore rispetto al caso in cui sia disponibile esclusivamente SBCOD; infine, la velocità di denitrificazione cala drasticamente in presenza di solo substrato di origine endogena. Il metodo di calcolo utilizzato per il dimensionamento del comparto di trattamento biologico a fanghi attivi deriva concettualmente dal metodo UCT (Ekama et al., 1984), proposto dal Water Research Group dell Università di Cape Town (RSA). Una volta definiti i limiti allo scarico e fissati i parametri cinetici e stechiometrici, il metodo calcola, secondo una procedura di ottimizzazione iterativa di alcuni parametri operativi, il valore minimo di età del fango che occorre garantire al sistema per raggiungere la concentrazione di azoto ammoniacale e azoto totale desiderata nell effluente alla temperatura di processo selezionata. Gruppo TEA S.p.A. 24/38

25 La procedura di dimensionamento su cui si basa il modello è riassumibile nei seguenti punti: input dei dati di caratterizzazione del liquame influente da trattare, dei limiti di riferimento imposti allo scarico e del valore di temperatura di progetto (riepilogati per il caso in esame nel capitolo 2.1); input dei parametri cinetici e stechiometrici per la biomassa eterotrofa ed autotrofa (si veda per il caso in esame il paragrafo 7.6.2); input delle condizioni operative in termini di concentrazione xb di SST mantenuta nel comparto biologico, di concentrazione di ossigeno disciolto Oa in vasca di ossidazione-nitrificazione; scelta di un valore di primo tentativo della frazione anossica fxt, corrispondente alla percentuale del volume complessivo del comparto biologico occupata dal comparto di denitrificazione; calcolo dell età del fango di progetto (SRT); calcolo dei valori di massa di solidi sospesi volatili SSV associati alla biomassa attiva, al residuo endogeno e al materiale inerte; calcolo della massa di solidi sospesi totali SST complessivamente necessari a partire dalla frazione volatile della biomassa SSV/SST mantenuta in vasca; calcolo del volume totale Vt per il processo biologico (ossidazione/nitrificazione vasca; e denitrificazione), in base alla concentrazione di SST ipotizzata in calcolo della capacità di nitrificazione del sistema (Nc), ovvero della massa di nitrati prodotti nel comparto ossidativo per unità di volume trattato; calcolo del potenziale di denitrificazione richiesto (Dp), ossia del quantitativo di nitrati che il sistema è effettivamente in grado di rimuovere nel volume anossico calcolato, e della capacità di denitrificazione (Dc), ossia del quantitativo di nitrati effettivamente da rimuovere; calcolo del rapporto ottimale di ricircolo della miscela aerata rm dal comparto di nitrificazione a quello anossico di denitrificazione; calcolo della concentrazione dei principali macroinquinanti nell effluente; ottimizzazione iterativa dei parametri fxt e rm ed eventualmente xb per consentire il raggiungimento degli standard depurativi richiesti, fino al calcolo del valore definitivo di SRT; determinazione della produzione di fanghi di supero nelle condizioni di progetto; calcolo del fabbisogno di ossigeno e dimensionamento del sistema di aerazione, con riferimento alle condizioni più gravose di temperatura massima estiva. Gruppo TEA S.p.A. 25/38

26 7.4.2 Parametri cinetici e stechiometrici Come noto, i parametri cinetici di crescita e scomparsa cellulare sono influenzati dalle condizioni ambientali (ph, temperatura, ossigeno disciolto). In particolare, la dipendenza dalla temperatura viene di solito stimata utilizzando relazioni di tipo Van t Hoff-Arrhenius, assumendo come riferimento i valori delle cinetiche a 20 C; per un generico parametro p, tale relazione assume la forma I valori dei parametri cinetici a 20 C, dei relativi coefficienti α di correzione e dei parametri stechiometrici utilizzati nell'applicazione del modello di calcolo per il dimensionamento dei comparti di trattamento biologico sono stati ricavati da letteratura (Ekama et al., 1984; Metcalf & Eddy, 23) e sono riassunti in Tabella 14. Tabella 14: Valori dei parametri cinetici e stechiometrici assunti in sede di dimensionamento Gruppo TEA S.p.A. 26/38

27 Gruppo TEA S.p.A. 27/38

28 7.4.3 Risultati del dimensionamento in condizioni stazionarie I risultati del dimensionamento della sezione di trattamento biologico, per le diverse fasi di intervento, sono riepilogati in Tabella 15. Tabella 15: Risultati delle verifiche di dimensionamento in condizioni stazionarie Gruppo TEA S.p.A. 28/38

29 Per analogia con la configurazione attuale, è prevista l installazione di diffusori a bolli fini. La portata d aria richiesta verrà fornita da 5 soffianti, di cui una con funzione di riserva. L adeguamento dell impianto rende necessaria l integrazione della dotazione strumentale esistente con misuratori di nuova installazione per il controllo in vasca dei principali parametri di processo. La dotazione strumentale ritenuta necessaria per la completezza dell intervento è composta da: una misura di ossigeno disciolto e temperatura da installare nella terza vasca biologica (misura già presente nelle due linee esistenti); una misura di solidi sospesi da installare nella terza vasca biologica (misura già presente nelle due linee esistenti); una misura di ammoniaca e nitrati da installare in ogni vasca biologica; una misura di potenziale redox e ph in ogni vasca biologica. Si propone di gestire la sezione biologica con aerazione intermittente, in modo da creare periodicamente condizioni di aerazione per la nitrificazione e la rimozione della sostanza organica e anossia per la Gruppo TEA S.p.A. 29/38

30 denitrificazione. La possibilità di controllare tramite parametri diretti e indiretti la durata delle singole fasi e di modificarla in funzione della variabilità dei carichi da trattare consente di incrementare la flessibilità dell impianto, di ridurre il consumo di energia elettrica e di migliorare l efficienza di rimozione delle forme azotate Controllo di processo avanzato ad aerazione ciclica A fronte di una collaudata efficacia nella rimozione dell azoto, lo schema convenzionale di predenitrificazione/nitrificazione in vasche separate presenta alcuni difetti, riassumibili nei seguenti punti: non è possibile variare la proporzione fra il volume aerato e quello anossico e pertanto è difficile adattare l impianto alle diverse condizioni operative cui è sottoposto dalle variazioni settimanali e stagionali di carico, dalla variazione di temperatura, da eventuali scarichi anomali o guasti; è necessario ricircolare elevate portate dal comparto aerato a quello anossico (indicativamente 2-5 volte la portata media trattata) determinando consumi energetici significativi e una riduzione dell efficienza di denitrificazione per effetto del ricircolo nella vasca di denitrificazione di notevoli quantità di ossigeno. I vantaggi del processo ad aerazione intermittente a controllo diretto sono identificabili in: ottimizzazione energetica: l aerazione viene effettuata solo per il tempo necessario ad ottenere gli effetti voluti di rimozione della sostanza organica e di nitrificazione, mentre nei periodi di basso carico vengono incrementati i tempi di spegnimento delle soffianti. La concentrazione di ossigeno ottimale viene calcolata in tempo reale in funzione dei principali parametri di processo e delle loro variazioni garantendo la massimizzazione del risparmio energetico. Un ulteriore risparmio è associato all assenza del ricircolo della miscela aerata dal comparto di ossidazione/nitrificazione a quello di denitrificazione; miglioramento della qualità dell effluente e riduzione del contenuto medio di azoto: potendo bilanciare nitrificazione e denitrificazione in funzione del carico di nutrienti nel refluo da depurare, è possibile ottimizzare la performance depurativa. Allo stesso modo la possibilità di incrementare i volumi aerati permette, in caso di picchi di carico di inquinanti da depurare non previsti in sede di progettazione, di rimuovere in ogni caso almeno la sostanza organica e l ammoniaca, limitando gli effetti a breve termine dello scarico all ecosistema; riduzione della produzione di fango: sottoponendo alternativamente i fanghi a condizioni anossiche e aerate si induce nella biomassa uno stato di stress che comporta una riduzione dei coefficienti di crescita cellulare e quindi una riduzione della quantità di fango da rimuovere dal sistema; incremento della rimozione biologica del fosforo: nei periodi a più basso carico, è possibile prevedere di mantenere il sistema in anaerobiosi per un tempo più lungo di quello strettamente necessario per la denitrificazione, determinando l instaurarsi di brevi fasi anaerobiche. Questa scelta, nel lungo periodo, comporta una selezione della biomassa fosforo-accumulante (PAO) con incremento della concentrazione di fosforo contenuto nei fanghi di supero e quindi una riduzione delle concentrazioni allo scarico. Gruppo TEA S.p.A. 30/38

31 7.5 DEFOSFATAZIONE CHIMICA La necessità di rispettare il limite allo scarico di 2 mg/l sulla concentrazione di fosforo totale rende necessaria l introduzione di una sezione di trattamento specifica dedicata alla rimozione di tale macroinquinante, già presente allo stato attuale presso l impianto. La soluzione progettuale prevede quindi il mantenimento della stazione di stoccaggio e dosaggio di cloruro ferrico al 40% in ingresso al trattamento biologico, in modo da ottenere la precipitazione chimica in simultanea del fosforo, con estrazione dei fanghi chimici dal sedimentatore secondario contestualmente ai fanghi di supero biologico. Viene aggiunta una terza pompa dosatrice in modo da poter dosare il reagente anche nella nuova linea biologica. Il dimensionamento della stazione di dosaggio viene condotto a partire dal quantitativo di fosforo da rimuovere, calcolato come differenza tra il carico di fosforo in ingresso e l aliquota assimilata nel comparto biologico dalla biomassa batterica per soddisfare le proprie esigenze metaboliche e quindi rimossa contestualmente ai fanghi di supero. La frazione rimossa per sintesi batterica è determinata sulla base del contenuto specifico di fosforo nei fanghi, che nel caso di schemi di processo convenzionali di predenitrificazione/nitrificazione si attesta in genere su valori non superiori a g P /g SSV, tale valore può aumentare a circa gp/gssv nel caso di processi ad aerazione intermittente. Noto il quantitativo di fosforo da rimuovere, sulla base del rapporto stechiometrico Fe:P = 1:1 della reazione di precipitazione chimica e di un opportuno coefficiente di sovradosaggio (nel caso in esame assunto del 30% in accordo con le indicazioni di letteratura per gli obiettivi depurativi prefissati), è possibile calcolare il fabbisogno giornaliero di reagente chimico e della soluzione commerciale impiegata, in funzione della concentrazione e della densità della soluzione stessa. La produzione di fango chimico da sommare a quella di fango di supero biologico viene infine stimata a partire dai rapporti stechiometrici delle reazioni di precipitazione dei fosfati come Sali metallici e degli idrossidi di ferro generati dall eccesso di dosaggio e applicando cautelativamente anche in questo caso un fattore di picco di sicurezza. Il riepilogo delle verifiche di dimensionamento condotte è riportato in Tabella 16. Gruppo TEA S.p.A. 31/38

32 Tabella 16: Dimensionamento della stazione di dosaggio della soluzione di cloruro ferrico Gruppo TEA S.p.A. 32/38

33 7.6 SEDIMENTAZIONE SECONDARIA Il dimensionamento dei sedimentatori secondari si basa sulla verifica che i valori dei principali parametri operativi (flusso solido FS, carico idraulico superficiale Ci, tempo di ritenzione idraulica HRT, carico allo sfioro CS) risultino compresi all interno di range utilizzati nella pratica progettuale per applicazioni analoghe, suggeriti dai più importanti manuali tecnici nazionali ed internazionali di settore (Masotti, 1987; Nuovo Colombo, 1997; Metcalf & Eddy, 23). Come si evince dal riepilogo dei risultati ottenuti riportato in Tabella 17, la soluzione progettuale proposta prevede la realizzazione di un nuovo sedimentatore secondario di dimensioni analoghe a quelli esistenti, in modo da operare con una linea di trattamento secondario per ogni linea biologica. Ciascun sedimentatore sarà dotato di un pozzetto di raccolta fanghi in cui installare le pompe di ricircolo del fango. I ricircoli sono indipendenti per ogni linea, e il supero viene estratto per spillamento. Le dimensioni dei due sedimentatori esistenti sono leggermente diverse. Le verifiche sono state eseguite, a favore di sicurezza, considerando le dimensioni minori. Nelle verifiche è stata valutata la possibilità di mantenere due sole linee di sedimentazione secondaria nello scenario attuale (scenario 1.1). Come si nota tuttavia dai risultati riportati in Tabella 17, lo scenario 1.1 presenta flussi solidi e carichi idraulici al limite dei valori consigliati da letteratura, rendendo poco consigliabile questa opzione. Tabella 17: Risultati delle verifiche di dimensionamento della sezione di sedimentazione secondaria Gruppo TEA S.p.A. 33/38

34 7.7 DISINFEZIONE Per quanto riguarda il comparto di disinfezione, la presente soluzione progettuale fa riferimento alla realizzazione di un canale di contatto a serpentina per il dosaggio di ipoclorito di sodio. Le verifiche di dimensionamento del canale di disinfezione sono finalizzate innanzitutto ad accertare che il volume utile disponibile garantisca un tempo di residenza idraulica in corrispondenza della portata media di progetto e della portata di picco superiore ai valori minimi suggeriti da i principali testi scientifici di settore. Le dimensioni geometriche del canale (larghezza, lunghezza e altezza utili) devono inoltre essere tali da massimizzare il tempo di contatto e quindi l efficacia del reagente chimico disinfettante utilizzato, facendo sì che il funzionamento del canale si avvicini quanto più possibile a quello di un reattore plug-flow ideale. È possibile a tal fine fare riferimento al metodo basato sulla dispersione assiale proposto da Metcalf & Eddy (23): a partire da parametri idraulici quali raggio idraulico HRT e numero di Reynolds Re (influenzati appunto dalle dimensioni geometriche del canale), tale procedura prevede di verificare che il grado di dispersione in direzione assiale risulti contenuto. A questo fine, il metodo prevede che il numero adimensionale di dispersione assiale d, definito come debba risultare inferiore a 0.02 (range tipico ; d=0 in caso di reattore plug-flow ideale, con assenza di dispersione assiale; d per reattori a miscelazione completa). Si suggerisce inoltre di mantenere un rapporto tra lunghezza e larghezza del canale L/B maggiore di 20, in modo da minimizzare il rischio di possibili cortocircuiti. Il bacino di disinfezione esistente non si rivela adeguato a soddisfare le condizioni sopra esposte. Si prevede quindi la realizzazione di un nuovo bacino di disinfezione. Questo permette inoltre di liberare lo spazio attualmente occupato dalla disinfezione per realizzare il terzo sedimentatore, in modo da ottenere una configurazione simmetrica a beneficio delle perdite di carico nelle tubazioni e del bilanciamento del sistema. Gruppo TEA S.p.A. 34/38

35 I risultati delle verifiche di dimensionamento della sezione sono riepilogati in Tabella 18. Tabella 18: Risultati delle verifiche di dimensionamento del canale di disinfezione 7.8 STABILIZZAZIONE AEROBICA La digestione aerobica ha lo scopo di ridurre la quantità di fango da smaltire e di rimuovere dal fango stesso le sostanze maggiormente putrescibili. Per ottenere un fango stabilizzato, è utilizzata la regola semiempirica secondo la quale il prodotto fra la temperatura di progetto e il tempo totale di permanenza dei solidi nell impianto deve essere superiore a 3 C d, valore variabile in funzione del rendimento atteso di riduzione dei solidi sospesi volatili. Per il dimensionamento preliminare del comparto è stata considerata la temperatura minima di progetto di 12 C. L età del fango in linea acque è pari a circa 11 giorni, mentre quella in digestione aerobica risulta pari a circa 19 d, con un prodotto SRT tot T pari a 359 C d, valore che rispetta i limiti suggeriti in letteratura per garantire un fango stabilizzato. Il rendimento di rimozione della sostanza organica volatile è stimato pari al 35%. Gruppo TEA S.p.A. 35/38

36 I dati di progetto e le caratteristiche del fango digerito, per i due scenari di progetto, sono riportate in Tabella 19. Tabella 19: Dimensionamento digestione aerobica Per analogia con il comparto di trattamento biologico, è prevista l installazione di diffusori a bolli fini. In adiacenza a tale volume verrà creato un volume per l ispessimento dei fanghi. Gruppo TEA S.p.A. 36/38

37 7.9 DISIDRATAZIONE MECCANICA DEL FANGO I fanghi digeriti sono alimentati, attraverso pompa monovite dedicata, alla stazione di disidratazione su centrifuga. La centrifuga esistente è in grado di trattare una portata pari a 15 m 3 /h, con un tenore di secco dell ordine del 2%. Il funzionamento previsto nello scenario di progetto è di circa 3 ore al giorno per 5 giorni a settimana. Le condizioni operative previste nelle condizioni di progetto sono riepilogate in Tabella 20. Tabella 20: Verifiche di calcolo del comparto di disidratazione meccanica Gruppo TEA S.p.A. 37/38

38 8 CONCLUSIONI L impianto di depurazione di Suzzara ha dimostrato allo stato attuale delle limitazioni funzionali che impediscono di raggiungere gli standard depurativi richiesti dalla normativa nazionale (D.Lgs. 152/06) e regionale (R.R. 24 marzo 26). Al fine di adeguare l impianto a questi standard depurativi e di dimensionarlo per soddisfare le esigenze depurative su un orizzonte temporale di 20 anni, raggiungendo una potenzialità di circa 18.0 AE su base COD, si rendono necessari i seguenti interventi: rifacimento della sezione di pre-trattamento, composta da grigliatura fine, dissabbiatura-disoleatura e ripartizione al comparto biologico; aumento delle volumetrie biologiche tramite la conversione dell attuale stabilizzazione aerobica in una terza linea biologica e utilizzo delle attuali vasche di predenitrificazione come selettori anossici; adeguamento del sistema di ossigenazione delle vasche biologiche e realizzazione di un locale adibito all alloggiamento delle soffianti destinate alla biologia e alla stabilizzazione; implementazione di uno schema di processo ad aerazione intermittente; realizzazione di una terza linea di sedimentazione secondaria per la chiarificazione dell effluente e adeguamento del sistema di ricircolo dei fanghi e di estrazione del supero e delle schiume surnatanti anche per i sedimentatori esistenti; rifacimento della vasca di contatto per la disinfezione dell effluente in condizioni di emergenza; adeguamento della linea di trattamento fanghi tramite realizzazione di una nuova vasca di digestione aerobica; realizzazione di un nuovo locale di disidratazione fanghi, sala quadri, sala soffianti e cabina elettrica. Gruppo TEA S.p.A. 38/38