CORSO DI INGEGNERIA SANITARIA - AMBIENTALE DIMENSIONAMENTO DI UN IMPIANTO BIOLOGICO A LETTI PERCOLATORI AL SERVIZIO DI UNA CITTA DI 50.

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1 CORSO DI INGEGNERIA SANITARIA - AMBIENTALE ESERCITAZIONE 2 (Prof. Ing. Giordano Urbini; Ing. Cristiana Morosini) DIMENSIONAMENTO DI UN IMPIANTO BIOLOGICO A LETTI PERCOLATORI AL SERVIZIO DI UNA CITTA DI ABITANTI 1. RICHIAMI DI TEORIA Il letto percolatore è, generalmente, una struttura cilindrica dell altezza di alcuni metri, all interno della quale è contenuto un mezzo di riempimento (ad esempio pietrisco): il liquame viene distribuito sulla superficie del mezzo di riempimento (dove, grazie all ambiente aerobico, si sviluppa una popolazione batterica adesa) per mezzo di alcuni bracci rotanti costituiti da tubi forati. Alla base del letto di riempimento, il liquame depurato e le pellicole di spoglio (ovvero le pellicole batteriche che, periodicamente, si staccano dal pietrisco a causa dello sviluppo di fermentazioni anaerobiche nello strato a contatto con il mezzo di riempimento) sono raccolti tramite canalette drenanti e convogliati verso un sedimentatore finale. Il parametro di dimensionamento dei letti percolatori tradizionali (a basso carico) è il carico volumetrico C v (Kg BOD 5 applicati / m d). Esistono curve sperimentali che riportano il rendimento di rimozione del BOD 5 (%) in funzione di C v e che consentono di risalire al volume V del letto di riempimento: 1

2 ( m ) C V C o v dove C o rappresenta il carico organico giornaliero (Kg BOD 5 /d) in ingresso al letto percolatore. Imponendo un altezza di riempimento compresa fra 2 e 2,5 m per percolatori con riempimento in pietrisco e fino a 8 12 m per percolatori con riempimento in plastica, si ricava agevolmente la superficie del percolatore e, da questa, si risale al diametro. Fra le curve sperimentali sopra citate, quella certamente più diffusa ed utilizzata in Europa è la retta di Schreiber (Figura 1), relativa ai percolatori tradizionali in pietrisco, di equazione: η (%) 9 k C v la cui validità è soggetta alle seguenti condizioni: - BOD 5 in ingresso all impianto: mg/l; - impianti dimensionati su una portata di punta corrispondente a Q 15. Per poter applicare tale formula anche al di fuori del suo ambito di validità, occorre moltiplicare C v per il fattore correttivo 15/n, in cui: - n per abitanti; - n per abitanti; - n 16 per abitanti; - n 18 per abitanti; - n 20 per abitanti. Il fattore k che figura nell equazione di Schreiber tiene conto dell influenza della temperatura: - k 17 (di solito); - k 25 in condizioni invernali (k 0 in climi molto rigidi). 2

3 Nei letti percolatori tradizionali (a basso carico), il mezzo di riempimento è generalmente costituito da pietrisco di 4 8 cm di diametro (mediamente 6 cm), avente superficie specifica di m 2 /m, disposto su un altezza di 2 2,5 m. Nei letti percolatori a basso carico, normalmente non viene fatto ricorso al ricircolo, il quale trova invece impiego in impianti in cui il BOD 5 del liquame affluente è particolarmente elevato. 2. DATI DI PROGETTO Abitanti serviti: ; Dotazione idrica procapite: 00 litri/ab d; Tipo di fognatura: separata; Limiti allo scarico: - BOD 5 25 mg/l; - SS 5 mg/l.. DIMENSIONAMENTO Schema di processo Per il conseguimento dei limiti allo scarico, si prevede di adottare uno schema di processo basato su letto percolatore a basso carico con riempimento in pietrisco e assenza di ricircolo. La linea liquami è prevista articolata nel seguente modo: - grigliatura grossolana;

4 - grigliatura fine meccanizzata; - dissabbiatura-disoleatura; - sedimentazione primaria; - reattore biologico a letti percolatori a basso C V e con riempimento in pietrisco; - sedimentazione secondaria; - disinfezione finale (di emergenza) con ipoclorito di sodio (NaClO). Il trattamento dei fanghi sarà effettuato con: - pre-ispessimento; - digestione anaerobica con recupero di energia; - post-ispessimento; - disidratazione meccanica. 4

5 LINEA LIQUAMI Calcolo delle portate Portata giornaliera, nell ipotesi di un coefficiente di afflusso in fognatura ϕ 0,8: Q d 0, (m /ab d) (ab) 0, m /d Portate orarie (media e di punta): Q media Q (m /d) / 24 (h/d) 500 m /h Q punta Q (m /d) / 14 (h/d) 857 m /h Calcolo delle concentrazioni medie e dei carichi Concentrazioni medie di BOD 5, nutrienti e SS: Si assumono le seguenti produzioni procapite: BOD 5 : 60 g BOD 5 / ab d; Azoto: 12 g TN / ab d; Fosforo: 1,5 g P tot / ab d; Solidi Sospesi: 90 g SS / ab d. Risultano i seguenti carichi giornalieri e le seguenti concentrazioni medie: Carico giornaliero di BOD 5 : (ab) 0,060 Kg BOD 5 / ab d.000 Kg BOD 5 / d Carico giornaliero di TN: (ab) 0,012 Kg TN / ab d 600 Kg TN / d Carico giornaliero di P tot : (ab) 0,0015 Kg P tot / ab d 75 Kg P tot / d 5

6 Carico giornaliero di SS: (ab) 0,090 Kg SS / ab d Kg SS / d Concentrazione media di BOD 5 : BOD (g BOD 5 / d) / (m /d) 250 mg/l Concentrazione media di TN: TN (g TN / d) / (m /d) 50 mg/l Concentrazione media di P tot : P tot (g P tot / d) / (m /d) 6,25 mg/l Concentrazione media di SS: SS (g SS / d) / (m /d) 75 mg/l Calcolo della sedimentazione primaria Calcolo decantazione: Fissiamo CIS 1,5 m/h alla Q punta. Si calcola una superficie complessiva di sedimentazione di: S 857 (m /h) / 1,5 (m/h) 571, m 2 Si fissa un altezza utile d acqua di m. Risulta, conseguentemente, un volume di decantazione pari a: V 571, m 2 m m Si verifica il seguente tempo di ritenzione Tr alla Q punta : T r (m ) / 857 (m /h) 2 h (verifica positiva) 6

7 Scelta del numero e della tipologia di decantatori: Si suppone di adottare decantatori circolari meccanizzati. Si prevede un numero di N2 decantatori. Risulta: S (singolo decantatore) 571, m 2 / 2 285,6 m 2 ; Diametro D 19,07 m. Si sceglie un decantatore commerciale del diametro D 20 m. Calcolo della lunghezza di stramazzo: Si suppone di realizzare uno stramazzo a denti di sega lungo tutta la circonferenza esterna dei decantatori. Si ha, pertanto, per ogni singolo decantatore: L stramazzo 20 π 62,8 m. Si verifica: Carico sullo stramazzo 857 (m /h) / 62,8 (m) 2 6,8 m /h m lineare In definitiva si prevede di installare: n. 2 decantatori circolari a flusso radiale, meccanizzati; Diametro di ciascun decantatore: D 20 m; Altezza utile d acqua: m; Volume del singolo decantatore: 942,48 m ; Volume totale: 1.884,96 m ; Superficie del singolo decantatore: 14,16 m 2 ; Superficie totale: 628,2 m 2. Si prevedono, quindi, le seguenti condizioni operative: T r alla Q punta : V / Q punta 1.884,96 (m ) / 857 (m /h) 2,2 h; CIS alla Q punta : Q punta / S 857 (m /h) / 628,2 (m 2 ) 1,6 m/h. 7

8 Calcolo del volume V del letto percolatore Carichi in ingresso al letto percolatore: Si prevede che, in sede di sedimentazione primaria, si realizzino i seguenti rendimenti di rimozione: η (BOD 5 ) 25 %; η (TN) 10 %; η (P tot ) 7 %; η (SS) 60 %. Si ha, pertanto: - Carico di BOD 5 in ingresso al trattamento biologico:.000 Kg BOD 5 /d 0, Kg BOD 5 /d; - Carico di TN in ingresso al trattamento biologico: 600 Kg TN/d 0, Kg TN/d; - Carico di P tot in ingresso al trattamento biologico: 75 Kg P tot /d 0,9 69,75 Kg P tot /d; - Carico di SS in ingresso al trattamento biologico: Kg SS/d 0, Kg SS/d. Concentrazioni medie in ingresso al reattore biologico: - Concentrazione media di BOD 5 : BOD g BOD 5 /d / m /d 187,5 mg/l; - Concentrazione media di TN: TN g TN/d / m /d 45 mg/l; - Concentrazione media di P tot : P tot g P tot /d / m /d 5,81 mg/l; 8

9 - Concentrazione media di SS: SS g SS/d / m /d 150 mg/l. Calcolo del Volume V del corpo di riempimento del letto percolatore: Si sceglie di adottare un carico volumetrico di progetto C v 0,2 Kg BOD 5 / m d, al fine di realizzare un rendimento di depurazione biologica η (BOD 5 ) 90%. Infatti, dalla formula di Schreiber (applicando a C v il fattore correttivo 15/n, con n 18 nel caso di A.E.) si ottiene: η V n 18 (%) 9 17 C ,2 90,16 Per tale motivo, allo scarico, è attesa una concentrazione media di BOD 5 18,75 mg/l (limite allo scarico rispettato). C Kg BOD O 5 V CV 0,2 Kg BOD5 m d d m Suddivisione in linee parallele: Si prevede di realizzare due linee parallele. Ciascun letto percolatore avrà, pertanto, le seguenti caratteristiche: Volume di ciascun letto percolatore: m ; Altezza del letto di riempimento: H 2,5 m; Superficie di ciascun letto percolatore: m 2 ; Diametro di ciascun letto percolatore: 5,5 m. Caratteristiche del mezzo di riempimento: Materiale di riempimento: pietrisco di cava; Caratteristiche del materiale di riempimento: - pezzatura: 6 8 cm; 9

10 - superficie specifica: 80 m 2 /m ; - altezza del letto di riempimento: H 2,5 m. Calcolo della produzione di fango di supero biologico Le tipiche produzioni di fango di supero (pellicole di spoglio) sono stimate in 1 20 g SS/ab d (dati empirici) in dipendenza dal C V. Si adotta il valore di 15 g SS/ab d. Per tale motivo, la produzione di fango di supero sarà data da: Supero 15 g SS ab d ab 750 Kg SS d Aerazione Per assicurare alla pellicola biologica la necessaria aerobicità dell ambiente, è importante che vi sia una buona circolazione d aria, la quale si ottiene (generalmente) sfruttando le correnti naturali che si instaurano a causa del gradiente di temperatura tra l ambiente esterno ed il liquame stesso all interno del percolatore. Per favorire tale ventilazione, il percolatore è dotato di fori disposti alla base della parete in corrispondenza delle canalette di drenaggio. Tali correnti saranno ascendenti in inverno, quando la temperatura del liquame è maggiore di quella dell aria esterna e, inversamente, saranno discendenti in estate. Calcolo della Sedimentazione Secondaria Calcolo di superficie e volume complessivi: Si fissa un CIS di progetto di 1,5 m/h alla Q punta. Risulta: S Q punta / CIS 857 (m /h) / 1,5 (m/h) 571, m 2 10

11 Si fissa un altezza utile d acqua di m. Risulta, conseguentemente, un volume: V 571, (m 2 ) (m) 1.71,9 m Si verifica: - T r V / Q punta 1.71,9 (m ) / 857 (m /h) 1,99 h Scelta del numero e della tipologia di decantatori: Si suppone di adottare decantatori circolari meccanizzati. Si prevede un numero di N2 decantatori. Risulta: S (singolo decantatore) 571, m 2 / 2 285,65 m 2 ; Diametro D 19,1 m. Si sceglie un decantatore commerciale del diametro D 20 m. Calcolo della lunghezza di stramazzo: Si suppone di realizzare uno stramazzo a denti di sega lungo tutta la circonferenza esterna dei decantatori. Si ha, pertanto, per ogni singolo decantatore: L stramazzo 20 π 62,8 m Si verifica: Carico sullo stramazzo 857 (m /h) / 62,8 (m) 2 6,8 m /h m lineare In definitiva si prevede di installare: n. 2 decantatori circolari a flusso radiale, meccanizzati; Diametro di ciascun decantatore: D 20 m; Altezza utile d acqua: m; Volume del singolo decantatore: 942,48 m ; Volume totale: 1.884,96 m ; 11

12 Superficie del singolo decantatore: 14,16 m 2 ; Superficie totale: 628,2 m 2. Si prevedono, quindi, le seguenti condizioni operative: T r alla Q punta : V / Q punta 1.884,96 / 857 2,2 h; CIS alla Q punta : Q punta / S 857 / 628,2 1,6 m/h. Calcolo della produzione complessiva di fango La produzione complessiva di fango è data dalla somma del fango di supero biologico e del fango primario. Il calcolo della produzione di fango primario viene effettuato sulla base di: produzione procapite di Solidi Sedimentabili: 60 g SS/ab d (40 organici + 20 inorganici); rendimento di abbattimento dei Solidi Sedimentabili: 90 %. Si ha, pertanto: Fango primario 0,060 Kg SS/ab d ab 0, Kg SS/d Produzione di fango complessiva: Fango primario: Kg SS/d; Fango di supero biologico: 750 Kg SS/d; Fango misto (primario + biologico di supero): Kg SS/d. Vengono assunte le seguenti caratteristiche tipiche dei fanghi: Fango misto: Contenuto SS 4% (96% acqua); SSV/SS 0,75. La portata di fango misto (primario + supero biologico) è, pertanto, stimabile come segue: Portata di fango misto.450 Kg SS/d / 40 Kg SS/m 86,25 m /d. 12

13 Questa produzione di fango misto dovrà essere alimentata nella linea di trattamento del fango per realizzare gli obiettivi di: disidratazione; stabilizzazione. 1

14 LINEA FANGHI Pre-ispessimento Si sceglie il valore di progetto di FS 60 Kg SS / m 2 d. Si ha: Carico di solidi in alimentazione: Carico in Q in Conc. in 86,25 m /d 40 Kg SS/m.450 Kg SS/d Calcolo di Superficie e Diametro dell ispessitore: Carico FS.450 Kg SS d 60 Kg SS m d in S 2 57,5 m 2 Si suppone di installare N1 ispessitore per il quale risulta un Diametro D 8,5 m. Si decide di realizzare un ispessitore commerciale meccanizzato (rastrelliera interna) del Diametro D 10 m (S 78,5 m 2 ). Calcolo del Volume: Si fissa un altezza utile d acqua H m. Risulta, conseguentemente: V 25,5 m. Calcolo della Portata effluente: Si suppone una concentrazione del 7% di SS in uscita dall ispessitore: Q Carico Conc..450 Kg SS d 70 Kg SS m in eff. out 49, m d 14

15 Digestione anaerobica Si prevede di realizzare una digestione riscaldata (5 C) e agitata per favorire la cinetica del processo biochimico. Il dimensionamento viene effettuato sulla base di un tempo T r 20 d. Con T r 20 d, risulta: - Volume complessivo di digestione: V totale 49, m /d 20 d 986 m Si sceglie un singolo digestore anaerobico di volume utile m. Per verifica, risulta un volume procapite di: V m l ab m proc. 20 l ab Calcolo dell abbattimento di SSV in digestione: Si considera un rendimento di abbattimento di SSV del 48%. Si ha: - Carico di SSV in ingresso alla digestione: Carico SSV in.450 Kg SS/d 0,75 Kg SSV / Kg SS 2.587,5 Kg SSV/d - Carico di SSV rimossi: Carico SSV rim 2.587,5 Kg SSV/d 0, Kg SSV/d - Carico di SSV residuo (in uscita): Carico SSV out (2.587, ) Kg SSV/d 1.45,5 Kg SSV/d - Carico di SS in uscita dalla digestione: 15

16 Carico SS out.450 Kg SS/d Kg SSV/d Kg SS/d Pertanto, si hanno le seguenti concentrazioni nel fango in uscita dalla digestione: - Concentrazione di SS in uscita: SS Kg SS d 44,7 Kg SS m 4,47% 49, m d - Rapporto SSV/SS in uscita: SSV SS 1.45,5 Kg SSV d Kg SS d 0,61 16

17 Post-ispessimento Si adotta un FS di progetto di 60 Kg SS/m 2 d. Risulta: - Superficie: Carico FS Kg SS d 60 Kg SS m d in S 2 6,8 m 2 Si ipotizza di avere N1 ispessitore, per cui si avrà: D 6,8 m Si adotta un ispessitore commerciale del Diametro D 8 m. Si ipotizza di realizzare in uscita una concentrazione di SS del 9% ( 90 Kg SS/m ). Pertanto si avrà: Q Carico Conc Kg SS d 90 Kg SS m in eff. out 24,5 m d 17

18 Disidratazione meccanica dei fanghi Si prevede di installare N1 centrifuga a tamburo, operante 5 h/d, per l ottenimento di una concentrazione di secco pari al 25%: Q Qeff. 24,5 m d 5 h d 5 h d centrifuga 4,9 m h Si sceglie di installare una macchina avente capacità di 5 m /h. Per tale scopo, è previsto il condizionamento del fango con polielettrolita. 18

19 LINEA DI RECUPERO ENERGETICO Calcolo della produzione di biogas: Il calcolo viene effettuato sulla base di una produzione specifica di 0,80 Nm /Kg SSV rimosso: Produzione di biogas 0,80 Nm /Kg SSV Kg SSV/d 99,6 Nm /d Si verifica la produzione specifica, ovvero quella relativa agli abitanti serviti dal depuratore: Produzione proc. 99,6 Nm d 0,0198 Nm ab. ab d 19,8 Nl ab d Si prevede un contenuto medio nel biogas secco di: - CH 4 70%; - CO 2 0%; - PCI Kcal/Nm. Recupero energetico: Si suppone (data la media potenzialità dell impianto) di recuperare energia termica per il riscaldamento del digestore e della palazzina e di bruciare il biogas rimanente in torcia. 19

20 SED.I SED.II G/G D/D L.P. DISIN. PRE-I Linea di recupero energetico D.AN. POST-I DISID. SCHEMA DI IMPIANTO A LETTI PERCOLATORI AL SERVIZIO DI UNA CITTÀ DI ABITANTI EQUIVALENTI. 20

21 Fig. 1 - Rendimento di rimozione del BOD 5 (%) in funzione di C v secondo diversi autori. 21

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