Il dimensionamento dei letti percolatori con riempimenti sintetici

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1 ESPERIENZA, RICERCA & TECNOLOGIA Ing. Jean-François Milone Via dei Tigli 8, Biassono (MB) Italy Tel/Fax /

2 Introduzione Nata dall esperienza pluriennale di un team di professionisti, Refill-Tech è il leader italiano nella trasformazione delle materie plastiche per i settori Energia e Ambiente, realizzando prodotti per le più diffuse applicazioni, tra cui i Letti Percolatori, per i quali produce Riempimenti strutturati e alla rinfusa, specializzandosi nella lavorazione di moduli tagliati a misura. Scopo dei suoi e-book informativi è mettere in rete strumenti di informazione e aggiornamento per la divulgazione di buone pratiche, normative e consigli di settore. Lo Staff tecnico di Refill-Tech è disponibile a supportare il progettista nella conformazione del layout dell impianto e può fornire disegni accurati sulla disposizione dei singoli moduli nel percolatore. Questo primo e-book, di cui è Autore l Ing. Jean-François Milone, del Dipartimento Ricerca & Sviluppo tratterà de. Il letto percolatore Il letto percolatore è una struttura cilindrica dell altezza di alcuni metri all interno della quale vi è un riempimento inerte, un tempo di pietrisco ora di materiale plastico, dove il liquame, proveniente dalla fase di sedimentazione primaria e quindi già chiarificato, viene distribuito a spruzzo sulla superficie del riempimento per mezzo di alcuni bracci rotanti. Il passaggio del liquame attraverso il letto avviene per caduta e percolazione da una superficie all altra di modo che l intero letto non sia mai sommerso e gli spazi liberi consentano il passaggio dell aria. L ambiente aerobico favorisce l adsorbimento della sostanza organica sulle superfici del pietrisco tramite lo sviluppo di una ricca popolazione batterica che è in grado di metabolizzarla. La pellicola biologica che ricopre il pietrisco è una mucillaggine bruna dello spessore di 1-3 mm costituita per la maggior parte di sostanza organica colloidale e gelatinosa, popolata da colonie eterogenee di microrganismi. I riempimenti possono essere alla rinfusa, ottenuti per stampaggio a iniezione, o strutturati, ottenuti per termoformatura. Nella letteratura scientifica si trovano vari riferimenti a prodotti sintetici e questi sono stati suddivisi in due famiglie di prodotti in base alla superficie specifica sviluppata, ovvero l area totale utile alla proliferazione batterica e allo scambio aria-liquame: S 100 m2/m3 che si utilizzano per effluenti provenienti da grigliatura e sedimentazione primaria; S 140 m2/m3 che si utilizzano per effluenti secondari. In base a questa classificazione, i prodotti di Refill-Tech possono essere riassunti come nella tabella a seguire.

3 Classi Riempimento Strutturato Riempimento alla modello Sup. Specifica Rinfusa S 100 TFM BFM 70 S 140 TFM NB: per ulteriori informazioni si rimanda alle schede di prodotto, I riempimenti in materiale plastico consentono: di realizzare impianti più alti rispetto a quelli tradizionali, grazie alla loro bassa massa di volume, con un notevole risparmio dei costi del manufatto; di operare con carichi organici più alti, grazie alla loro elevata superficie specifica, 2-3 volte superiore rispetto a quella del pietrisco; di ottenere una migliore distribuzione dei liquami, grazie al loro elevato indice di vuoto. In letteratura si trovano diversi studi, eseguiti su impianti pilota o in scala reale, per determinare le performance dei vari tipi di riempimenti, che possono essere suddivisi oltre che per la superficie sviluppata anche in base alla geometria degli stessi in: riempimenti strutturati a canali incrociati inclinati a 60 ; riempimenti strutturati a canali verticali; I risultati sperimentali suggeriscono che i riempimenti più performanti sono quelli strutturati a canali incrociati riempimenti alla rinfusa. In particolare questo dato è universalmente riconosciuto per percolatori a medio e basso carico (si veda sotto), mentre alcuni studi, meno largamente condivisi, preferiscono per i soli percolatori ad alto carico i riempimenti strutturati a canali verticali. Quest ultima considerazione sarebbe giustificata con un approccio idraulico: i canali incrociati favoriscono una migliore distribuzione del liquame ed il maggior percorso aumenta il tempo di ritenzione; i canali verticali, invece, favoriscono un rapido svuotamento grazie al minore percorso e risultano meno soggetti ad intasamento.

4 Classificazione dei letti percolatori I letti percolatori vengono classificati a basso, medio e alto carico in base al carico volumetrico (cv), altrimenti detto nella letteratura Americana TOL ( Total Organic Load ), espresso in kg BOD5 / m3 d, come riportato nella seguente tabella: Classificazione Percolatore c v (TOL) Processi ottenibili Alto Carico 1,5 3,5* kg BOD 5 / m 3 d Sgrossatura Medio Carico 0,7 1,5 kg BOD 5 / m 3 d Ossidazione Basso Carico 0,15 1,0 kg BOD 5 / m 3 d Ossidazione + Nitrificazione * in letteratura si arriva fino a 8,0 kg BOD5 / m 3 d per questo tipo di impianto, ma è poco prudente un dimensionamento con tali valori se non si sono effettuate prove su impianto pilota Il Rendimento di Progetto In letteratura si trova la presente affermazione: per liquami misti civili/industriali si può ottenere un rendimento dell 80% (η80)per carichi volumetrici (cv) compresi tra 0,5 e 1,0 kg BOD5 / m3 d. Esiste poi la possibilità di calcolare il rendimento di progetto mediante la Formula Empirica di Schreiber: η%= 93 [K * cv * (Qx / Q15)] Dove K è un coefficiente che tiene conto della temperatura dell aria. Il rendimento dei letti percolatori è fortemente influenzato dalle condizioni stagionali, infatti, molto spesso vengono dotati di copertura. Il valore di progetto per K è assunto pari a 17, ma passa a nel caso di condizioni invernali fino a climi rigidi. La formula è stata ottenuta per una portata da trattare distribuita su 15 ore/giorno, per questo vi è il rapporto di aggiustamento tra Q15, che è la portata giornaliera sulle 15 ore, calcolata come portata giornaliera Qd in [m3/d] diviso 15 h/d, e una Qx, che è la portata suddivisa in x ore giorno in base ai dati dello specifico progetto.

5 Un rapido metodo di dimensionamento Per rapidità riportiamo il metodo suggerito da Gredy e Altri nel testo Biological Wastewater Treatment. Una volta decisa la classe del riempimento (100 o 140 m2/m3) in base al liquame da trattare, quindi alla posizione che il letto percolatore occuperà nel processo, si calcola il volume del percolatore o del riempimento se si vuole, VM. VM = Q * BOD5/ cv Q è la portata da trattare in [m3/d]; BOD5 è espresso in [kg BOD5/m3] cv o TOL è espresso in [kg BOD5 / m3 d]. L altezza (H) del percolatore può essere imposta per motivi strutturali o economici, o calcolata utilizzando il Carico Idraulico Superficiale CIS, altrimenti detto nella letteratura Americana THL ( Total Hydraulic Load ), espresso in [m/h]. La letteratura Americana sconsiglia di scendere al di sotto di 1,8 m/h per questo parametro. H = Q / C IS L area del percolatore (A), ovvero la sua sezione, è data da: A = V M / H L area della sezione di ingresso (I) aria deve essere almeno uguale al 15% dell area del percolatore ( I 15% A). Nel caso in cui l altezza (H) sia stata imposta, occorre verificare che il Carico Idraulico Superficiale sia superiore a 1,8 m/h, (1,8 m/h è pari a 43,2 m/d), ovvero che: C IS = (Q + R) / A 43,2 m/d dove R è la portata di ricircolo, da porsi inizialmente per verifica pari a zero e eventualmente aggiustata mediante le formule seguenti per garantire il Carico Idraulico Superficiale minimo: α = (43,2 * A /Q) 1 R = α *Q Nel caso in cui non si desideri operare un ricircolo (R) si dovranno poi aggiustare le dimensioni del percolatore affinché il Carico Idraulico Superficiale sia superiore a 1,8 m/h. Un esempio di calcolo: Dati: Q : m 3 /d; BOD 5 : 150 mg BOD 5 /l pari a 0,15 kg BOD 5 /m 3 c v : 1,0 kg BOD 5 / m 3 d H: inizialmente imposta pari a 5,0 m V M = Q * BOD 5 / c v = 5000 * 0,15/ 1,0 = 750,0 m 3 A = V M / H = 750,0 / 5,0 = 150,0 m 2 I 15% A quindi I 22,5 m 2 C IS = (Q + R) / A 1,8 m/h con R = 0 C IS = Q / A = 5000 / 150 = 33,3 m/d pari a 1,39 m/h < 1,8 m/h, si deve operare un ricircolo: α = (43,2 * A /Q) 1 = (43,2 * 150 /5000) 1 = 0,296 ovvero un ricircolo del 30% R = α *Q = 0,3 * 5000 = 1500 m 3 /d

6 Se non si desidera operare un ricircolo (R) si possono aggiustare le dimensioni del percolatore affinché il Carico Idraulico Superficiale sia superiore a 1,8 m/h, come segue: A = Q (1+R) / C IS che diventa senza ricircolo: A R=0 = Q / C IS = 5000 / 43,2 = 116,0 (115,74) m 2 H = V M / A = 750 / 116 = 6,5 (6,466) m per riempimenti di tipo plastico Dalla metà degli anni 60 del secolo scorso hanno fatto la loro comparizione i riempimenti di tipo non lapideo, tra cui hanno avuto il sopravvento quelli plastici, in particolare di PVC, con struttura alveolare e canali incrociati. Negli anni sono stati sviluppati svariati modelli per il dimensionamento dei letti percolatori come il modello di Logan et al. o la formula universalmente riconosciuta per il dimensionamento, basato sul carico di BOD dei letti percolatori a riempimenti strutturati plastici: quella di Velz /Germain, che attualmente viene denominata come Equazione Modificata di Velz: S i / S e = (R + 1) * exp { [k 20 *A s *H*θ (T-20) ] / [q*(r+1)] n } R dove : S i è la concentrazione del BOD influente in [mg/l] S e è la concentrazione del BOD effluente in [mg/l] R è il rapporto di ricircolo (portata di ricircolo/ portata influente) k 20 è la costante di processo a 20 C [(l/s) 0,5 /m 2 ] A s è la superficie sviluppata dal riempimento nuovo in [ ] H è l altezza del letto percolatore in [m] θ è il coefficiente di correzione della temperatura, pari a 1,035 T è la temperatura di esercizio di progetto in [ C] q è il carico idraulico in [l/m 2 s] n è la costante caratteristica del riempimento, pari a 0,5 curve delle concentrazioni in un caso reale: Fabbrica Sigarette nel Sud-Est Asiatico La scelta tra le due opzioni di progetto dovrà tenere conto dell aspetto economico e dell elasticità che si vuole dare all impianto

7 Bibliografia - Appunti del corso di Ingegneria Sanitaria-Ambientale - Prof. G.Urbini e Prof. F.Conti; - Appunti del corso di Impianti di trattamento Sanitario-Ambientale - Prof. C. Collivignarelli e Prof G. Bertanza; - Biological Wastewater Treatment, Second Edition, Revised and Expanded - C. P. Leslie Grady, Jr., Glen T. Daigger, Henry C. Lim - CRC Press - ISBN: / ISBN-13: ; - Wastewater Engineering: Treatment and Reuse by Metcalf & Eddy Inc. - Tchobanoglous, George; Burton, Franklin L; Stensel, H. David - McGraw Hill Higher Education - ISBN-13: ISBN: X. Nota Legale Refill-Tech srl non si assume responsabilità in merito all uso che verrà fatto dei dati riportati nel presente e-book, che ha l intento di comunicare e diffondere quanto è stato divulgato dalla letteratura scientifica di settore.