PRODOTTI E TECNOLOGIE PER IL TRATTAMENTO DELLE ACQUE REFLUE IN UN DEPURATORE CIVILE O INDUSTRIALE. A. Mariani

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1 PRODOTTI E TECNOLOGIE PER IL TRATTAMENTO DELLE ACQUE REFLUE IN UN DEPURATORE CIVILE O INDUSTRIALE A. Mariani Xylem Water Solutions Italia SOMMARIO All interno di un depuratore civile o industriale operano una serie di apparecchiature che assicurano il funzionamento dell impianto e l efficacia del processo di depurazione delle acque reflue garantendo la qualità delle acque scaricate dopo il trattamento. La scelta delle tecnologie più efficienti, un corretto dimensionamento delle apparecchiature, unito ad una gestione attenta dell impianto sono i componenti essenziali per garantire il buon funzionamento del processo di depurazione nel tempo riducendo al minimo i consumi di energia. Nella relazione ci si limiterà ad una serie di cenni sulle apparecchiature maggiormente diffuse e per gli approfondimenti si rimanda alla vasta bibliografia sull argomento 2015 EdiBios 411

2 1. Prodotti e tecnologie nei depuratori 1.1. Panoramica del processo All interno di un depuratore operano un numero importante di apparecchiature asservite alle varie tecnologie che servono a far funzionare correttamente il processo di depurazione. Per ottenere la massima efficienza dell impianto, sia dal punto di vista dell efficacia del processo, che da quello dei consumi energetici, bisogna scegliere le migliori tecnologie presenti sul mercato, dimensionarle ed installarle in modo corretto, ma soprattutto gestirle in modo adeguato. Fig. 1 L impianto di depurazione è intimamente connesso al sistema di collettamento e alle modalità di restituzione delle acque scaricate Anche se esula dalla presente trattazione, va rammentato che la facilità di gestione di un impianto di trattamento dipende dalla rete fognaria di adduzione dei liquami al depuratore. I parametri che possono influenzarne il funzionamento bisogna considerare se le acque meteoriche hanno una rete separata, quanto sono efficienti i processi di mitigazione delle portate (vasche di laminazione) e dei relativi picchi di inquinanti provenienti dal dilavamento (Vasche di prima pioggia) e da ultimo quanto è efficiente e sofisticato il sistema di Automazione e controllo della rete di stazioni di sollevamento distribuite sul territorio Le elettropompe Uno dei componenti elettromeccanici maggiormente presenti in un depuratore sono le pompe, normalmente ad azionamento elettrico, alle quali è delegato il compito di movimentare i liquami all interno di tutto il processo di trattamento. 412

3 Esistono diverse tipologie di elettropompe, ciascuna adatta a svolgere una specifica funzione e che vengono utilizzate per trasferire liquami e fanghi da una sezione all altra del depuratore. Normalmente troviamo la prima stazione di pompaggio (sollevamento iniziale) proprio all ingresso del depuratore, dopo la grigliatura primaria. Quasi sempre il collettore fognario si trova ad una quota inferiore rispetto alle vasche di trattamento e c è la necessità di sollevarle ad un livello adeguato al funzionamento del depuratore. Le pompe più utilizzate nei sollevamenti fognari sono le pompe sommergibili initasabili (tipo N Flygt) proprio per le loro capacità di non essere soggetti a bloccaggio da parte di corpi solidi (stracci; fibre e altro materiale normalmente presente in fognatura) che potrebbe sfuggire alla grigliatura. Nel caso il sollevamento iniziale si trovi a monte della grigliatura, è necessario installare delle pompe dotate di un dispositivo di taglio (Pompe N Chopper) in grado di garantire il funzionamento delle pompe anche in presenza di una importante quantità di solidi contenuti nei liquami in arrivo. Fig. 2 Pompa initasabile serie N o con dispositivo di taglio tipo Chopper Qualora le portate in entrata siano importanti, e la grigliatura garantisca una buona efficacia nel trattenere i corpi solidi in arrivo alla stazione di sollevamento, possono essere utilizzate anche delle pompe ad elica che garantiscono un ottimo rendimento idraulico nella movimentazione di grossi volumi di acque reflue. È buona norma però verificare che anche le pale e la pompa sia dotata di accorgimenti che impediscano ai materiali filamentosi di attorcigliarsi sull elica riducendone le prestazioni o provocandone il bloccaggio (Fig. 3). Una particolare attenzione deve essere posta all eventuale presenza di sabbie e materiali abrasivi che sono abbastanza frequenti nelle aree litoranee vicine al mare o ai fiumi. Soprattutto nei sollevamenti inziali, dissabbiatori e trattamenti primari i materiali abrasivi presenti nel liquido pompato potrebbero portare ad us 413

4 Fig. 3 Pompe ad elica con profilo initasabile installate in un tubo contenitore usure accentuate. A causa dell aumento dello spazio tra girante e voluta si verifica una riduzione delle portata della pompa che potrebbe non essere più sufficiente a garantire il buon funzionamento dell impianto. Per ovviare a questo problema bisogna utilizzare pompe con le parti idrauliche a contatto con il liquido realizzate in materiali più resistenti all abrasione (es: Hard Iron leghe di acciaio indurito ad alta resistenza). Dopo il sollevamento iniziale le pompe vengono utilizzate ogni volta sia necessario spostare e sollevare i liquami o ricircolare la miscela aerata all interno dell impianto di trattamento. Quasi sempre si utilizzano pompe centrifughe sia nella versione sommergibili che in quella installate in camera asciutta. Una soluzione particolarmente efficiente dal punto di vista energetico, quando si tratta di movimentare grosse quantità di liquami con basse prevalenze, è quella di utilizzare dei miscelatori sommergibili utilizzati come pompe (Fig. 4). Nel processo di denitrificazione, lo spostamento di grosse quantità di acque reflue durante il trattamento può essere fatto semplicemente spingendole da una vasca ad un altra con prevalenze molto basse e con perdite del circuito di mandata quasi nulle. Normalmente vengono utilizzate più di 200 elettropompe in un depuratore di medie dimensioni. Un numero così elevato di motori elettrici in funzione ha portato l attenzione sull efficienza di queste apparecchiature e sui consumi energetici. Per affrontare il problema in modo razionale bisogna affrontarlo nella sua completezza considerando tutte le sue componenti. Il rendimento idraulico della pompa e il valore principale da considerare perché può variare anche del % in base alla tipologia di pompa che si intende utilizzare ed al punto di funzionamento scelto. 414

5 Fig. 4 Mixer utilizzati come idrovore orizzontali Il rendimento del motore elettrico può portare a riduzioni dei consumi dal 2 al 4 %. Si è parlato molto di classe di efficienza energetica IE3 per i motori elettrici, ma le pompe sommergibili non sono soggette a tale normativa, anche se la maggioranza dei produttori le ha già rese disponibili anche in questa versione e si sta preparando alla nuova generazione di motori a magneti permanenti con valori di consumi energetici ancora più ridotti. Sistema di avviamento (inverter) che riducendo la frequenza di alimentazione fa diminuire la velocità di rotazione della pompa e riduce le perdite di carico dinamiche all interno del circuito idraulico. Sicuramente la possibilità di modulare le portate con un inverter può risultare a volte utile in un impianto, ma va tenuto sempre ben presente che risparmi importanti in termine energetici si ottiengono su impianti nei quali la geodetica risulta significativamente inferiore rispetto alla prevalenza totale. Quando quasi tutta la prevalenza è formata dalla differenza di livello da superare (geodetica), i risparmi con l utilizzo dell inverter sono modesti. Attenzione poi alla presenza di solidi all interno del liquido da pompare perché, in questi casi, una riduzione delle velocità di rotazione potrebbe aumentare la possibilità di bloccaggio delle pompe e fenomeni di sedimentazione nei tubi di mandata. All interno del processo di depurazione le pompe vengono utilizzate anche nel pompaggio di fanghi a concentrazione crescente spostandosi dal riciclo fino all invio alla disidratazione dopo l ispessitore. La densità del fango deve essere considerata nel dimensionamento delle pompe in quanto varia il peso specifico 415

6 e il comportamento idraulico del fluido rispetto al regime standard in acqua pulita. Un dimensionamento inadeguato potrebbe portare ad un surriscaldamento del motore con conseguenti danni alla elettropompa. Utilizzando il grafico figura 5 è possibile individuare la tipologia di pompa più adatta in funzione della portata e della concentrazione del fango. La pompe N danno buone prestazioni fino a concentrazione del 5 8 % oltre il quale e necessario utilizzare pompe monovite (PC). Per la loro forma particolare le giranti N limitano la formazione di ostruzioni in aspirazione e riducono la formazione di trecce nei fanghi. Fig. 5 Scelta del tipo di pompa in funzione della concentrazione del fango 1.3 Miscelazione Un altro dei processi essenziali per il buon funzionamento di un depuratore è l efficienza del processo di miscelazione dei liquami nelle vasche di trattamento. Un efficace miscelazione è essenziale in diverse fasi del processo per rendere più omogeneo il refluo da trattare, evitare sedimentazioni, distribuire liquidi o solidi all interno del liquame (es: flocculanti), distribuire uniformemente i reflui in arrivo (ingresso in vasca, ricircoli) o per aumentare il trasferimento di ossigeno nei processi di aerazione. Esistono diversi tipi di miscelatori che, come per le pompe, possono essere azionati da un motore posto sopra la vasca da miscelare e un albero lungo che muove l elica, oppure avere un motore posto a lato della vasca e l elica all interno collegata da un albero dotato di tenute meccaniche o con una soluzione sommergibile con motore ed elica in un unica unità compatta posta direttamente all interno del refluo da miscelare calandola nella vasca lungo un tubo guida. Oltre che per la sua facilità d installazione e manutenzione anche a vasca piena, quest ultima soluzione ha un alta efficienza idraulica che consente notevoli risparmi di energia elettrica installando motori di potenza più bassa per ottenere la stessa qualità di miscelazione. A differenza delle altre installazioni, infatti, la soluzione sommergibile permette di installare il miscelatore all interno 416

7 del liquido in modo che il getto prodotto dall elica possa svilupparsi completamente senza disperdere la sua energia contro le pareti. Il moto circolatorio indotto dal getto coinvolge per trascinamento tutto il refluo della vasca in un flusso di miscelazione uniforme come mostrato in figura 6. Fig. 6 Flusso del refluo generato da un miscelatore sommergibile Anche all interno dei miscelatori sommergibili esistono diverse tipologie che si differenziano principalmente in base alla velocità di rotazione delle pale ed al loro diametro (Fig. 7). Normalmente i miscelatori a giri lenti hanno una maggiore efficienza energetica e sono adatti a muovere grandi masse di acque senza generare un eccessiva turbolenza. I risparmi possono essere anche notevoli. Comparando i consumi di un modello 4530 Midsize con un miscelatore compatto 4670 la riduzione sui consumi energetici è pari al 50%. Considerato che queste macchine funzionano in continuo 24 ore al giorno, il valore economico di riduzione dei costi è sicuramente interessante e permette tempi di ritorno dell investimento inferiori all anno solare. Una volta scelto il tipo di miscelatore da installare, il parametro da utilizzare nel dimensionamento è la spinta del miscelatore. E infatti evidente che la potenza installata non è un parametro per individuare le capacità di un mixer di garantire una miscelazione efficiente. Miscelatori di uguale potenza possono generare spinte, e quindi effetti di miscelazione, molto diverse tra loro. La spinta è un dato facilmente rilevabile da una test di collaudo, non altrettanto facile determinare, e ottimizzare, l effettiva efficacia di miscelazione su una applicazione reale. Molti, infatti, sono i parametri che influenza la resa effettiva in termini di miscelazione: le caratteristiche del refluo, la forma della vasca e il corretto posizionamento dei miscelatori all interno delle vasche. 417

8 Fig. 7 Mixer compatto 4670, Midsize 4530 e Flow maker 4430 a giri lenti Per un corretto posizionamento dei mixer bisogna sempre cercare la soluzione migliore perché il getto del mixer possa svilupparsi in modo completo senza incontrare ostacoli evitando di essere diretto contro una delle pareti della vasca dove disperderebbe parte della sua energia. Bisogna che il getto formi un flusso omogeneo tale da interessare tutta la massa contenuta nella vasca evitando punti di calma che potrebbero generare sedimentazioni o zone anossiche. Bisogna anche evitare zone di controflusso che ostacolerebbero l efficacia del flusso principale. Esistono dei criteri base per un primo posizionamento dei mixer (Fig. 8). La posizione verticale non deve essere in prossimità del fondo, ma non troppo vicina. Deve essere garantita una minima sommergenza (distanza dalla superficie) per evitare che si formino gorghi superficiali con aspirazione di aria che potrebbe innescare fenomeni di cavitazione sull elica. Fare molta attenzione nelle vasche soggette a forti variazioni di livello in modo da garantire una distanza minima del miscelatore dalla superficie anche con il minimo livello in vasca. 418

9 Fig. 8 Miscelazione efficiente Eventualmente adottare degli scudi antivortice se proprio non si riesce a garantire una sommergenza adeguata. In senso orizzontale la posizione ottimale di un miscelatore in una vasca rettangolare è quella di orientare il getto a circa ¼ della larghezza misurata a circa metà della vasca (vedi Fig.9). Ad installazione avvenuta, è ancora possibile fare degli aggiustamenti ruotando il tubo guida del sistema di installazione che di conseguenza modifica l angolazione del miscelatore. Fig. 9 Orientamento ottimale di 1 o 2 miscelatori 419

10 Quando un solo miscelatore non è sufficiente a garantire un adeguata miscelazione e possibile installare due o più mixer nella stessa vasca. Anche in questo caso bisogna evitare che il flusso dei due miscelatori si anteponga creando dispersioni di energia. La soluzione ottimale risulta quella di posizionare i due miscelatori dallo stesso lato della vasca con le inclinazione indicate in fig. 9. Esistono analoghe indicazioni per vasche circolari e di diverse altre forme. Quando la situazione diventa complessa per la forma particolare della vasca o per la presenza di un numero consistente di miscelatori è possibile ricorrere a dei software per il dimensionamento ed anche a dei sistemi CFD di simulazione dei flussi in vasca (Fig. 10). Fig. 10 Posizionamento dei miscelatori in vasche complesse utilizzando software di calcole e sistemi di simulazione CFD Anche il posizionamento dell entrata e dell uscita dei reflui ha una grande importanza per una miscelazione efficiente che possa garantire un processo di depurazione ottimale. È infatti opportuno miscelare subito la portata in ingresso ponendo l entrata in vasca subito alle spalle di un miscelatore perché possa sviluppare il massimo della miscelazione in fase di spinta del getto. Molta attenzione va anche dedicata ad evitare cortocircuiti che permettano la fuoriuscita di reflui in arrivo senza una adeguata miscelazione. È buona norma posizionare l entrata e l uscita a livelli diversi e sui lati opposti della vasca. Bisogna anche fare molta attenzione all orientamento del flusso dei miscelatori in modo che non generino flussi preferenziali che indirizzino i liquidi in entrata verso lo scarico senza un adeguato rimescolamento all interno della vasca (Fig. 11). 420

11 Fig. 11 Importanza del corretto posizionamento entrate ed uscite in vasca I miscelatori vengono anche utilizzati per aumentare l efficienza dei processi di aerazione. Con un adeguato posizionamento dei miscelatori si genera un flusso orizzontale che induce un moto traslazionale delle bolle fini immesse in vasca dai diffusori d aria (BioLoop) (Fig. 12). Fig. 12 Miglioramento delle rese di trasferimento di ossigeno utilizzando dei miscelatori 421

12 Il flusso dei miscelatori crea una componente longitudinale lungo la vasca in grado di deviare il percorso di risalita delle bolle aumentando il tempo di contatto e la quantità di ossigeno trasferito al refluo. Incide inoltre sugli effetti di trascinamento delle bolle che ne fanno aumentare la velocità di risalita riducendo il tempo di contatto con il refluo in assenza di una componente di spinta laterale generata da miscelatore (Fig. 13). Fig. 13 La coalescenza fa aumentare la velocità di risalita delle bolle Anche in questo caso è importante un corretto dimensionamento della spinta richiesta al miscelatore. Infatti se la spinta non sufficiente a rompere il muro delle bolle in risalita facendole traslare in orizzontale, non si ottiene nessun effetto apprezzabile, se non addirittura un peggioramento della quantità di ossigeno trasferita al liquido. Superata invece una determinata soglia di spinta, si istaura il fenomeno di traslazione delle bolle in risalita in senso longitudinale alla vasca che può modificare le rese di trasferimento di ossigeno anche del 40% (Fig. 14). Fig. 14 Soglia di spinta per generare un flusso orizzontale delle bolle d aria 422

13 Purtroppo la presente trattazione non permette di affrontare con un adeguato livello di approfondimento alcune altre tematiche di grande importanza nella gestione di un depuratore come i sistemi di aerazione dei liquami. Per questo si rimanda alla bibliografia esistente o ai corsi On line pubblicati sul sito internet di Xylem (vedi: Analogo rimando vale per tutti i trattamenti terziari di filtrazione e disinfezione con raggi UV o l impiego di Ozono nel trattamento delle acque reflue (disinfezione, eliminazione del colore, riduzione del COD refrattario, ozonolisi dei fanghi e la rimozione delle sostanze endocrine). Bibliografia 1. Lars Uby (2012) Handbook of mixing for wastewater and similar applications - Xylem Water Solutions AB 2. Sigmund C. (2005) Teoria e pratica della depurazione delle acque reflue Dario Flaccovio Editore 3. AAVV (2011) Handbook of sludge pumping Xylem Water Solutions AB 4. Mariani A. (2014) Tecniche per la difesa dall inquinamento Atti del 35 corso di aggiornamento 5. Bianchi A., Sanfilippo U. (2001) Pompe e impianti di sollevamento - Ulrico Hoepli Editore 6. AAVV. (1997) Sistemi di fognatura Manuale di progettazione - Ulrico Hoepli Editore 423