L aerazione negli impianti di trattamento delle acque reflue

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1 Corso di Laurea Triennale in Ingegneria per l'ambiente, le Risorse ed il Territorio Corso: Tecnologie di Risanamento Ambientale L aerazione negli impianti di trattamento delle acque reflue Docente: Ing. Riccardo Gori

2 Negli impianti di trattamento delle acque reflue che sfruttano processi biologici aerobici, l'aerazione è finalizzata principalmente alla solubilizzazione di ossigeno nei reattori biologici. Al tempo stesso l aerazione viene sfruttata anche per il mantenimento di adeguati livelli di turbolenza finalizzato al mantenimento in sospensione dei solidi sospesi presenti in acqua. L arerazione può essere anche utilizzata in: - pre-aerazione: nelle fasi iniziali del trattamento, per contrastare fenomeni di setticizzazione degli scarichi con la conseguente generazione di cattivi odori connessi ai cataboliti delle reazioni biologiche anaerobiche. Interventi di questa tipo sono raramente previsti su impianti di depurazione civile, quando si ritenga opportuno evitare l'alimentazione dei sedimentatori primari con liquami con bassa concentrazione di ossigeno, soprattutto quando nei sedimentatori primari sono previsti lunghi tempi di permanenza. Tali situazioni possono verificarsi per esempio nel caso di reti fognanti di grande estensione e mal aerate o su impianti con forti variazioni stagionali di portata, articolati senza sufficiente flessibilità. Più frequentemente tale esigenza si pone in presenza di vasche di accumulo finalizzate all'omogeneizzazione qualitativa o all'equipartizione delle portate, spesso previste nei cicli di trattamento di reflui industriali. L'aerazione può svolgere allora anche la funzione di assicurare livelli di turbolenza necessari per la miscelazione delle acque e per impedire fenomeni di decantazione dei solidi sedimentabili;

3 - post-aerazione: per innalzare le concentrazioni di ossigeno disciolto in uscita dai cicli di trattamento (spesso molto prossime a zero) portandole su livelli meglio compatibili con gli obiettivi di qualita richiesti nei ricettori. Molto più diffuso è il ricorso all'aerazione nell'ambito di trattamenti di maggiore articolazione. Come già visto, nella dissabbiatura l'insufflazione d'aria ha soprattutto lo scopo di consentire livelli di turbolenza adeguati a consentire una sedimentazione selettiva, con separazione dei solidi di maggiore densità (sabbia) e mantenimento in sospensione di quelli pili leggeri (materiale organico). In alcuni trattamenti di natura chimico-fisica, l'aerazione fornisce l'ossidante chimico per esempio per trasformare il ferro ferroso in ferro ferrico, di migliori prestazioni come flocculante. L'applicazione più importante dell'aerazione è comunque connessa alla fornitura dell'ossigeno in forma disciolta per assicurare le condizioni aerobiche nelle vasche di processo biologiche che la richiedono, compensando i consumi di ossigeno connessi alle trasformazioni metaboliche. Sono al riguardo interessati tutti i processi aerobici a biomassa sospesa (fanghi attivi, lagunaggi aerati, stabilizzazione dei fanghi) e anche molti processi a biomassa adesa.

4 Stabilizzazione aerobica dei fanghi di supero aerazione Trattamento biologico in condizioni aerobiche 4

5 II trasferimento per diffusione molecolare di un gas in un liquido può essere interpretato in base alla teoria del doppio film, assumendo che all'interfaccia tra le fasi si mantengano due film sottili, uno costituito dal gas e l' altro dal liquido, entrambi regime laminare anche quando il sistema nel suo complesso operi in regime turbolento. Perche il gas possa solubilizzarsi nel liquido, esso deve attraversare entrambi i film per diffusione molecolare. Le resistenze diffusive del gas e del liquido possono essere considerate in serie e il processo diffusivo risulta limitato dal film presenta maggiore resistenza alla diffusione. II fattore limitante è rappresentato dal film liquido nel caso di gas poco solubili, quali l'ossigeno, e dal film gassoso nel caso di gas molto solubili. La concentrazione di ossigeno all'interfaccia tra i film è in equilibrio e corrisponde alla saturazione definita in base alla legge di Henry.

6 Il trasferimento avviene quindi per diffusione molecolare attraverso il liquido e, in condizioni stazionarie, può essere così espresso: dm dt D ( cs c) A L dm/dt = massa di gas trasferita nell unità di tempo; D L =coefficiente di diffusione molecolare [L 2 T -1 ]; c s = concentrazione a saturazione del gas nel liquido; c = concentrazione del gas nel liquido al tempo t; L = spessore del film; A = area di interfaccia. Dividendo per il volume del liquido aerato in entrambi i membri si ha: L 1 V dm dt dc dt D L ( cs c) A V L Possiamo definire il coefficiente globale di trasferimento K L a: K L DL A a V L 1/T

7 Si definisce capacità di ossigenazione (OC) di un sistema di aerazione, la massa di ossigeno che questo è in grado di trasferire in fase liquida nell unità di tempo. dc OC V KL a ( cs c) V dt OC si esprime, quindi, in Kg O 2 /h o equivalenti. E evidente com OC dipenda dalle caratteristiche del sistema di aerazione, per mezzo del coefficiente di trasferimento globale che caratterizza quel sistema, e dalle condizioni operative per mezzo del deficit di ossigeno mantenuto nel mezzo liquido. Il trasferimento di ossigeno è quindi massimo in prossimità di una concentrazione nulla di ossigeno disciolto e tende ad annullarsi in prossimità delle condizioni di saturazione. A parità di K L a, la capacità di ossigenazione è influenzata dalle condizioni operative: - La concentrazione a saturazione c s è funzione della pressione barometrica, dell umidità relativa, della temperatura e della salinità del liquido;

8 - La concentrazione c viene stabilita in rapporto alle esigenze del processo. Nel caso di trattamenti biologici aerobici c deriva dalla ricerca di un compromesso tra la convenienza di mantenere alti deficit di ossigeno per favorire il trasferimento, e sufficienti livelli di ossigeno per non ridurre eccessivamente le cinetiche biologiche. I livelli ottimali variano, quindi, in funzione della tipologia delle reazioni biologiche (rimozione del solo BOD, nitrificazione ecc.) e delle modalità di aggregazione dei batteri (cellule isolate, fiocchi, pellicole) per le conseguenti diverse modalità di diffusione lasse e di disponibilità di ossigeno al loro interno; - il coefficiente K L a, a parità delle altre condizioni, risente delle caratteristiche del liquido (soprattutto presenza di solidi e di tensioattivi).

9 Al fine di avere confronti omogenei della OC, è necessario che la capacità di ossigenazione sia riferita a specifiche condizioni operative (condizioni standard) alle quali devono essere riferite le prestazioni indicate dai fornitori delle apparecchiature. Nella realtà i sistemi di aerazione opereranno in condizioni diverse da quelle standard e di conseguenza anche la capacità di ossigenazione sarà diversa rispetto a quella che si ha in condizioni standard. E quindi necessario poter mettere in relazione la OC in condizioni standarda e quella in condizioni reali. Le condizioni standard sono definite come segue: - acqua pulita; - T dell'acqua pari a 20 C; - Concentrazione nulla di ossigeno disciolto; - Pressione barometrica pari ad 1 atm; - Umidità relativa dell'aria pari al 100%.

10 La OC in condizioni standard sarà data da: ( OC) ( K dove: - (K L a)st = coefficiente globale di scambio in condizioni standard; - c s* = concentrazione a saturazione in condizioni standard (9,2 mg/l). La OC in condizioni di processo sarà data da: dove w si riferisce al liquido (acqua o miscela aerata). st Quindi: - c w = concentrazione nel liquido reale in condizioni di esercizio; - c sw = concentrazione a saturazione nel liquido reale; - c s = concentrazione a saturazione in acqua pulita in condizioni di esercizio. - c s* = concentrazione a saturazione in acqua pulita condizioni standard (9,07 mg/l). L a) st c * s V ( OC) w ( KL a) w, T ( csw cw ) V

11 Influenza della temperatura La temperatura influenza il trasferimento dell ossigeno attraverso due meccanismi che tuttavia vanno in senso opposto: 1. Modifica della concentrazione a saturazione (all aumentare della temperatura si riduce la concentrazione a saturazione O 2 [mg/l] T [ C] 14,1 0 12,8 5 11, ,2 15 9, K L a T = K L a 20 C (T-20) = K L a 20 C (1.024) (T-20)

12 C Sw nella miscela aerata Non trattandosi di acqua pulita ma di una miscela aerata la concentrazione dell ossigeno a saturazione non è esattamente pari a quello calcolato in condizioni standard: C sw = C S Il valore di è spesso prossimo ad 1 (0.95 valore tipico), diminuisce all aumentare del contenuto di solidi sospesi.

13 K L a T nella miscela aerata Anche il fattore di trasferimento dell ossigeno deve essere corretto rispetto alle condizioni di acqua pulita. Solitamente si utilizza il coefficiente per tenere conto delle diverse condizioni operative: K LaT = K LaT Il valore è difficilmente quantificabile a priori. Solitamente, a livello di progetto, si utilizzano valori compresi fra E particolarmente influenzato dalla presenza di olii, grassi e tensioattivi ovvero da quelle sostanze in grado di interessare la superficie di contatto tra la fase liquida e quella solida e di conseguenza di limitare lo scambio di ossigeno attraverso questa superficie.

14 K L a T nella miscela aerata

15 Influenza della concentrazione di O 2 nella miscela aerata All aumentare di C la forza motrice di trasferimento dell ossigeno (C s -C) diminuisce. Confrontando la capacità di ossigenazione a diverse concentrazione di O 2 (C) disciolto, con quella a 20 C e C=0, scende al 77% con C=2 mg/l ed al 66% con C=3 mg/l. E quindi evidente che è meglio lavorare con valori bassi di ossigeno disciolto compatibilmente con le esigenze del processo depurativo, in particolare la nitrificazione.

16 Riprendiamo la relazione della OC in condizioni di esercizio: e sostituiamo i vari termini di correzione tra le condizioni standard e quelle di esercizio: ( OC) Ricordiamo che: ( K a) Per cui possiamo scrivere: w L ( OC) w ( KL a) w, T ( csw cw ) V ( T 20), ( csw cw ) V ( KL a) st ( c w T ( OC) st ( K La relazione esprime la variazione (solitamente diminuzione) della capacità di ossigenazione passando dalle condizioni standard a quelle di processo. L a) st c * s V * OC w OCst. cs cw 20 * cs s c T w ) V

17 K Andamento del fattore K 1,2 Andamento rendimento ossigenazione 1 0,8 0,6 0,4 0 mg/l 1 mg/l 2 mg/l 3 mg/l 0, temperatura C

18 Sistemi di aerazione

19 SISTEMI DI AERAZIONE SUPERFICIALI DI FONDO O SOMMERSI Turbine superficiali Rotospazzole MECCANICI A DIFFUSIONE Pompe-eiettori A Flusso radiale Diffusori a candela Diffusori a disco Diffusori tubolari (bolle fini e grosse)

20 Turbine superficiali Il trasferimento dell ossigeno avviene principalmente sulla superficie della massa liquida per effetto del sommovimento e della turbolenza indotta dall agitatore meccanico, che pone in contatto con l atmosfera ampie superfici liquide. Sono suddivisi in sistemi a bassa ed alta velocità (prevalentemente il primo tipo).

21 Turbine superficiali La ditta Costruttrice deve fornire grafici e tabelle che precisino: -Potenza assorbita dalla macchina nelle condizioni di esercizio (misurata ai morsetti); -Potenza installata della macchina; -Capacità di ossigenazione nominale della macchina (OC*); -Capacità specifica di ossigenazione in relazione ai consumi di energia; -Andamento delle grandezze al variare delle condizioni di funzionamento.

22 AERATORE SUPERFICIALE AD ASSE VERTICALE

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24 AERATORE SUPERFICIALE CON SISTEMA DI GALLEGGIAMENTO

25 Rotospazzole Il trasferimento dell ossigeno avviene principalmente sulla superficie della massa liquida per effetto del movimento e della turbolenza indotta dall agitatore meccanico, che pone in contatto con l atmosfera ampie superfici liquide. Sono utilizzati prevalentemente in vasche di ossidazione di tipo carousel.

26 Rotospazzole

27 Rotospazzole

28 AREATORE SUPERFICIALE ASSE ORIZZONTALE A SPAZZOLA

29 Diffusori a disco L aria immessa dai compressori è dispersa da opportuni diffusori nella massa liquida sotto forma di minute bollicine d aria attraverso le quali avviene il passaggio dell ossigeno. I massimi rendimenti sono realizzabili con i sistemi a bolle fini, più adatti a grandi impianti per via della manutenzione connessa al loro possibile intasamento. La suddivisione tradizionale in funzione del diametro prevede: Bolle fini medio < 3 mm Bolle medie medio > 3 mm < 6 mm Bolle grosse medio > 6 mm

30 Diffusori a disco I diffusori fanno parte di un sistema composto da una o più reti di distribuzione dell aria fissate sul fondo della vasca mediante ancoraggi in acciaio inossidabile

31 I diffusori a disco sono disponibili in due versioni: a membrana (gomma sintetica) e ceramici (allumina sinterizzata). I secondi sono particolarmente soggetti ad intasamento e richiedono periodiche pulizie realizzabili introducendo nel condotto un detergente come il gas anidro HCl senza dover svuotare la vasca. Diffusori a disco

32 Diffusori a disco La ditta Costruttrice deve fornire grafici e tabelle che precisino: - Capacità di aerazione del diffusore (m 3 di aria / ora) - Capacità specifica di ossigenazione in relazione ai consumi di aria (in gr di O 2 disciolto/ m 3 di aria insufflata) -Andamento delle grandezze al variare delle condizioni di funzionamento, in particolare al variare della profondità di immersione -Andamento delle perdite di carico del flusso d aria compressa, per le resistenze localizzate indotte dal diffusore, al variare della portata d aria che lo attraversa.

33 Diffusori a disco Si noti come il rendimento di ossigenazione aumenta all aumentare del battente idrico.

34 Diffusori a candela Anche in questo caso l aria immessa dai compressori è dispersa da opportuni diffusori nella massa liquida sotto forma di bollicine d aria attraverso le quali avviene il passaggio dell ossigeno. La dimensione delle bolle d aria prodotte rientra nella fascia intermedia (bolle medie). Il blocco di ossigenazione è costituito da due segmenti di poliuretano espanso ad alta densità, ognuno dei quali è munito di un anima in nylon rinforzata con fibra di vetro. Dopo il passaggio dal blocco di poliuretano l aria in pressione viene suddivisa in piccole bolle di diametro compreso fra 2 e 6 mm. Non è adatta a sistemi con funzionamento a cicli per il possibile ingresso di materiale colloidale all interno del materiale espanso.

35 A seconda della disposizione adottata esistono distanze massime indicate dal produttore fra gli aeratori e fra file di aeratori, in modo da ottenere rese ottimali di trasferimento di ossigeno ed evitare fenomeni di sedimentazione nella vasca.

36 Diffusori tubolari a membrana Sono costituiti da un anima tubolare in PVC forata per il passaggio dell aria, da una membrana in gomma sintetica fissata da fascette stringitubo e da un attacco filettato in acciaio inox. La produzione è di bolle fini. Il rendimento di ossigenazione aumenta con la profondità e per particolari disposizioni in vasca dei diffusori.

37 Diffusori tubolari in acciaio inox Sono costituiti da un corpo in acciaio inossidabile, sulla cui parete laterale sono disposti su due livelli i fori attraverso i quali fuoriesce l aria. Le bolle prodotte sono del tipo grosso. La resa di trasferimento varia con la profondità ed il tipo di disposizione in vasca.

38 Pompe-eiettori (jet) Il liquido aspirato da un elettropompa sommergibile attraversa un ugello tarato aumentando notevolmente la sua velocità, creando nella zona di aspirazione attraverso un tubo comunicante con l atmosfera o con un flusso in pressione. Il flusso viene poi reimmesso in vasca.

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41 Aeratori sommersi autoaspiranti Il sistema è costituito da un motore elettrico sommergibile direttamente collegato ad una sezione idraulica con girante radiale a geometria stellare e diffusore periferico provvisto di condotto di aspirazione e canali radiali di espulsione. L aria aspirata attraverso un apposito condotto comunicante con l atmosfera si miscela quindi con il liquido pompato e viene espulsa nella vasca attraverso i canali radiali. Si producono bolle fini.

42 Aeratori sommersi autoaspiranti

43 Aeratori sommersi autoaspiranti con reimmissione attraverso canali radiali Sono previste tre possibilità di installazione: - Trasportabile (appoggiato sul fondo vasca); - Fissa; - Galleggiante (versione mobile va e vieni) Base del condotto di aspirazione aria collegato con tubazione all atmosfera Canali radiali di espulsione miscela

44 Aeratori sommersi ad aria pressurizzata Il sistema funziona completamente immerso nel liquido e direttamente appoggiato sul fondo delle vasca. E costituito da un motoriduttore sommergibile supportato da un diffusore-basamento dotato di piedi per l appoggio sul fondo. All albero lento del motoriduttore è direttamente collegata una girante a geometria stellare. La rotazione della girante all interno del diffusore determina l aspirazione dell acqua dalla parte superiore ed una caduta di pressione nella parte inferiore collegata al condotto di aspirazione. L effetto autospirante è di entità tale da richiedere l immissione di aria pressurizzata.

45 Alcune definizioni. Oxygen transfer rate: OTR (kgo 2 / h) Rappresenta la quantità di ossigeno che viene trasferita nell unità di tempo. E quella che in precedenza abbiamo indicato con oxygenation capacity (OC). Se riferita a condizioni standard si ha lo standard OTR (SOTR) Aeration efficiency: AE (kgo 2 / kwh) Rappresenta la quantità di ossigeno che viene trasferita per unità di energia nell unità di tempo. (A.E.) Se riferita a condizioni standard si parla di Standard aeration efficiency S.A.E I kwh sono quelli assorbiti ai morsetti dal sistema di aerazione. I kwh consumati, dipendono dalla quantità di aria e dalla pressione necessaria + dall efficienza delle soffianti.

46 Alcune definizioni. Oxygen transfer efficiency : OTE (%) Rappresenta la frazione di ossigeno (espressa in %) che viene trasferita al liquido, rispetto a quella che viene immessa nel liquido per mezzo dell insufflazione di aria. OTE O 2, in dove O 2,in e O 2,out rappresentano il flusso di massa di ossigeno in ingresso ed uscita dalla vasca rispettivamente. Se riferita a condizioni standard si ha lo Standard Oxygen transfer efficiency (SOTE) In alcuni casi si parla anche di SOTE ad indicare l efficienza di trasferimento dell ossigeno in condizioni standard ma in acqua di processo (quindi le condizioni standard sono tutte rispettate eccetto quella del mezzo liquido che non è acqua pulita ma di processo). O O 2, in 2, out

47 Diversi fattori concorrono al risultato di ottenere e di mantenere un elevato S.A.E.: S.O.T.E. % (legame tra Q aria e S.O.R.) D.W.P. (Dynamic Wet Pressure e rappresenta la perdita di carico attraverso il diffusore). Altre perdite di carico nel sistema (tubazioni, valvole). Mantenimento nel tempo delle caratteristiche elastiche delle membrane (della D.W.P. e del S.O.T.E. %). Tipo di soffianti e loro efficienza nel campo di impiego. 47

48 Efficienza di diversi sistemi di aerazione in kgo 2 /kwh riferita sia a condizioni Standard che Reali Diffusori a disco / piastra bolle fini Aeratori meccanici Diffusori tubolari h kgo 2 /kwh (S.A.E.) kgo 2 /kwh (A.E.) kgo 2 /kwh (S.A.E.) kgo 2 /kwh (S.A.E.) kgo 2 /kwh (A.E.) kgo 2 /kwh (A.E.)

49 Diffusori ad aria insufflata Tipo di aeratore Caratteristiche Applicazione Vantaggi Svantaggi Diffusore poroso Bolle fini-medie Costruito con cupole, piastre, tubi ceramici o tubi con guaina in tessuto plastico Fanghi attivi Buona miscelazione Mantiene la temperatura Portata d aria variabile che garantisce buona elasticità Elevato costo di impianto Elevata manutenzione Adeguata filtrazione aria Diffusore non poroso Fatto con ugelli, valvole, orifizi che producono bolle grosse Fanghi attivi Poco intasabile Mantiene la temperatura Basso costo di manutenzione Elevato costo inziale Bassi rendimenti Non del tutto esente da intasamenti

50 Diffusori ad aria insufflata Tipo di aeratore Caratteristiche Applicazione Vantaggi Svantaggi Tubolare Una miscela ariaacqua è forzata attraverso un cilindro veriticale contenente elementi per la miscelazione statica Stagni aerati Basso costo di impianto Limitata manutenzione Elevati rendimenti Scarso miscelamento del reattore Non applicabile su sistemi ad alto carico A getto Aria compressa e liquido pompato violentemente miscelati in un ugello e quindi immessi nella vasca di aerazione Fanghi attivi Costo limitato Adatto per vasche profonde Condizionato dalla forma delle vasche Possibilità intasamento ugello

51 Aerazione superficiale Tipo di aeratore Caratteristiche Applicazione Vantaggi Svantaggi Asse verticale (turbina tipo lento) Turbina a bassa velocità di grande diametro, galleggiante o montata su ponte o piattaforma fissa. Dotata di riduttore Fanghi attivi Flessibilità nella progettazione della vasca Elevata capacità di pompaggio Costo abbastanza contenuto Scarsa manutenzione Problemi dovuti al gelo Il riduttore di giri può avere problemi di manutenzione Rumorosità Aerosol Non adatte vasche profonde Asse orizzontal e (rotospazz ole) Sistema con spazzole rotanti su asse orizzontale Macchina a bassa velocità, dotata di riduttore Fanghi attivi Oxydation ditch Costo contenuto Accessibilità manutenzioni Condizionato forma delle vasche Rumorosità Aerosol Non adatte vasche profonde

52 Definizione: Standard Oxygen Transfer Efficiency S.O.T.E. % = Contenuto di ossigeno trasferito Contenuto di ossigeno in aria S.O.R. in kg/h 0 C 20 C S.O.T.E. % = S.O.T.E. % = S.O.R. x 100 Nm3/h x S.O.R. x 100 Sm3/h x 0.278

53 Regolazione capacità di ossigenazione aerazione superficiale La regolazione della capacità di ossigenazione può essere conseguita: - Con temporizzatori, facendo variare la durata di funzionamento delle turbine; - Giocando sul numero di turbine in funzione; - Variando il numero di giri del motore di azionamento; - Variando il verso di rotazione della turbina; - Variando il livello liquido della vasca; - Variando la quota di immersione della turbina.

54 Regolazione capacità di ossigenazione aerazione ad aria insufflata La regolazione della capacità di ossigenazione può essere conseguita: - Con temporizzatori facendo variare la durata di funzionamento dei compressori; - Giocando sul numero di compressori posti contemporaneamente in funzione in parallelo; - Con valvola di regolazione della portata d aria sulla condotta di mandata (per sole soffianti centrifughe e ventilatori); - Con orientamento variabile delle pale dei diffusori delle soffianti centrifughe; - Con by-pass a monte dei compressori di una parte di aria insufflata (nei compressori volumetrici); - Variando il numero di giri dei motori di azionamento.

55 Le soffianti In tutti i sistemi ad aria diffusa in cui ho necessità di un flusso d aria in pressione per alimentare il sistema di aerazione, devo fare ricorso ad una soffiante. La soffiante è in sostanza un compressore che opera a bassi valori di pressione (solitamente al di sotto dei 2 bar). Le tipologie più utilizzate nel campo degli impianti di trattamento delle acque sono quelle a lobi rotanti e quelle centrifughe.

56 Le soffianti Le soffianti centrifughe sono sempre utilizzate per portate d aria elevate. Già per valori di portata superiori a 1000 Nm 3 /h si ricorre solitamente a soffianti centrifughe. Le relative pressioni di scarico arrivano normalmente fino ai 100 kn/m 2. Le soffianti centrifughe sono caratterizzate da un funzionamento simile a quello delle pompe centrifughe a basso numero di giri specifico. Il punto di funzionamento di una soffiante viene determinato in modo del tutto simile a quello utilizzato per le pompe centrifughe, cioè in corrispondenza del punto di intersezione delle curve caratteristiche della soffiante e dell'impianto.

57 Le soffianti Per valori più elevati di pressione alla mandata (>55 kn/m 2 ) e per potenzialità di portata inferiori a 1000 m 3 /h, vengono in genere utilizzate soffianti volumetriche a lobi rotanti. Le soffianti di tipo volumetrico sono apparecchiature che lavorano a portata costante e a pressione variabile. Per la regolazione di tali soffianti non epossibile utilizzare dispositivi di strozzatura, ma può essere ottenuta mediante l'utilizzo di più unità o mediante regolazione del numero di giri. Risulta essenziale prevedere dispositivi di protezione nonché sistemi per il controllo dei rumori.

58 Le soffianti A vite senza olio A lobi rotanti Centrifughe

59 Le soffianti Negli impianti di trattamento delle acque reflue le soffianti devono garantire un ampio intervallo di portate di aria entro un modesto intervallo di pressione per diverse condizioni ambientali. Una soffiante può generalmente lavorare in modo efficiente entro un limitato intervallo di condizioni operative. La necessaria variazione delle portate di aria e della relativa prevalenza, in fase di progettazione devono essere previsti sistemi per la regolazione delle soffianti. I sistemi che possono essere impiegati per la regolazione delle soffianti risultano i seguenti: (1) diminuzione della pressione o introduzione di un bypass vallemonte; (2) inserimento di una strozzatura; (3) impiego di un diffusore regolabile; (4) regolazione del numero di giri; (5) adozione di più unita in parallelo.

60 Le soffianti L'inserimento di una strozzatura e l'impiego di diffusori regolabili possono essere realizzati soltanto nelle soffianti centrifughe, mentre nel caso di soffianti volumetriche si usa più comunemente la regolazione del numero di giri. La diminuzione della pressione e l'inserimento di un bypass rappresentano anche un metodo efficace per il controllo dei fenomeni di instabilità nelle soffianti centrifughe, i quali hanno luogo quando la soffiante si trova a operare alternativamente da portata nulla a pieno regime, producendo vibrazioni e fenomeni di surriscaldamento.

61 La potenza della soffiante La potenza della soffiante può essere calcolata con la seguente espressione: P soffiante 0, 283 w R T p , 97 n e p1 P = potenza della soffiante (kw) R = costante universale dei gas (8,314 kj/kmol K) w = flusso d aria in massa (kg/s) T = temperatura assoluta in ingresso ( K) p 1 = pressione assoluta in ingresso p 2 = pressione assoluta in uscita n = 0,283 per l aria e = efficienza globale (0,7 0,9)

62 Esercizio sull aerazione Determinare la OC in condizioni standard di un sistema di aerazione da impiegare per la post-aerazione di un effluente prima della sua reimmissione in un corpo idrico recettore. Dati. Estate Inverno Richiesta O2 in condizioni operative (kg/h) DO richiesta allo scarico (g/m 3 ) 6 5 C sat in condizioni operative (g/m 3 ) 9,1 11,3 Temperatura ( C) ,9 0,92 0,99 1,024 Possiamo applicare la relazione sotto nelle due condizioni ricordando che c s rappresenta la concentrazione a saturazione in acqua pulita nelle condizioni di esercizio (per cui sarà diversa nelle due situazioni) mentre c s* rappresenta la concentrazione a saturazione in acqua pulita in condizioni standard (1 atm e 20 C) per cui sarà la stessa nelle due condizioni. OC w OCst. cs cw 20 * cs T 1 024

63 Esercizio sull aerazione Applicando la relazione precedente per ricavare Ocst si ottiene: OC st in estate: 369,6 kg/h OC st in inverno: 182,4 kg/h Con una OC st richiesta in estate molto maggiore di quella richiesta in inverno.

64 Esercizio sull aerazione In una vasca di aerazione vanno trasferiti, in condizioni operative di punta, 200 kg O 2 /h. L'aria viene fornita mediante un sistema di diffusori, installati a 4,5 m di profondità che erogano una portata unitaria (q*) di 4,00 Sm 3 /h. Il costruttore ha reso disponibili le seguenti curve. Per le condizioni previste assumiamo un rendimento h 0 = 0,27.

65 Esercizio sull aerazione Nella vasca, che opera a livella del mare con pressione atmosferica di mbar, va mantenuta una concentrazione di ossigeno disciolto C w di 2,00 mg/l. Si richiede il calcolo del numero di diffusori necessaria. Sono noti: = 0,85; = 1,00; T = 15 C. Svolgimento. La concentrazione a saturazione dell'ossigeno alla pressione di mbar è pari a 10,07 mg/l, valore che viene prudenzialmente mantenuto nei calcoli, non tenendo canto dell'aumento di pressione idrostatica al crescere dell'affondamento. La capacita di ossigenazione standard unitaria, riferita ad un singolo diffusore, vale: (O.C.) st* = h 0 0,28. q* = 0,27 0,28 4,00 = 0,302 kg O 2 /h La capacita di ossigenazione unitaria, in condizioni operative, vale: (O.C.) w* = (O.C.) st* (T-20) ( c s - c w ) / c s* = = 0,302 0,85 1,024 (15-20) (1,00 10,07-2,00) / 9,07 = 0,203 kg O 2 /h

66 Corso: Esercizio Tecnologie sull aerazione di Risanamento Ambientale Per il trasferimento dell ossigeno sono quindi necessari: N = 200 kg O 2 /h / 0,203 kg O 2 /h = 985 diffusori. La portata d aria complessivamente erogata sarà pari a: Q aria = = Sm 3 /h. Se avessi tenuto in considerazione l immersione degli aeratori avrei calcolato la c s a metà della profondità (2,25 m sotto il pelo libero) dove la pressione sarà: P mezza profondità = (1000 9,81 2,25)/100 = 1220 mbar Per la legge di Henry la Cs a 1220 mbar è: Avremmo avuto: c s = c s (1220/1013) = 12,13 mg/l ((O.C.) w* ) = (O.C.) st* (T-20) ( c s - c w ) / c s* = = 0,302 0,85 1,024 (15-20) (1,00 12,13-2,00) / 9,07 = 0,255 kg O 2 /h

67 Esercizio sull aerazione Per il trasferimento dell ossigeno sarebbero quindi necessari: N = 200 kg O 2 /h / 0,255 kg O 2 /h = 784 diffusori. La portata d aria complessivamente erogata sarà pari a: Q aria = = Sm 3 /h. Questo vale a diffusore nuovo. Volendo considerare un fattore di sicurezza legato all invecchiamento e sporcamento del diffusore, dovremmo ridurre di una certa quantità la capacità di ossigenazione. Ad esempio considerando il 20% si ha: ((O.C.) w* ) corretta = (1 0,2) 0,255 = 0,204 kg O 2 /h