RELATORE: Chiar.mo Prof. Guido BISCEGLIA

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI MAGNA GRÆCIA DI CATANZARO FACOLTÀ DI MEDICINA E CHIRURGIA CORSO DI LAUREA IN TECNICO DELLA PREVENZIONE NELL AMBIENTE E NEI LUOGHI DI LAVORO TESI DI LAUREA LA DEPURAZIONE DELLE ACQUE MEDIANTE IMPIANTI A MASSE SOSPESE RELATORE: Chiar.mo Prof. Guido BISCEGLIA CANDIDATA: LONGO MARIA MATR ANNO ACCADEMICO 2004/2005

2 Introduzione La depurazione delle acque reflue costituisce uno dei problemi ambientali più rilevanti. Gran parte dei rifiuti delle attività antropiche, siano esse domestiche o industriali, è prodotta in forma acquosa. Le acque di origine domestica contengono residui di cibi e bevande, carta, plastica e, se le reti fognarie sono miste, contengono anche una sospensione di terriccio e detriti, oltre ai prodotti finali del metabolismo umano; le acque di origine industriale, naturalmente, hanno caratteristiche variabili in base all attività svolta e al ciclo produttivo, (ad esempio le acque residue prodotte dai caseifici sono caratterizzate da un elevato contenuto di sostanze organiche biodegradabili e prive di sostanze tossiche, pertanto si presentano agevolmente ad un trattamento a fanghi attivi). Le acque reflue di particolari scarichi industriali possono contenere elevate concentrazioni di metalli pesanti, che presentano azione tossica ed inibitrice dei processi di depurazione biologica dei liquami e di stabilizzazione biologica dei fanghi. Le acque reflue, prima di essere riversate nell ambiente, devono essere depurate dal carico inquinante, e il loro trattamento avviene attraverso gli impianti di depurazione. Le fasi della linea liquami di un impianto di depurazione possono essere così raggruppate: trattamenti primari, nei quali avvengono solo processi fisici e comprendono, oltre ai trattamenti preliminari (equalizzazione, grigliatura, dissabbiamento, disoleatura,) anche una fase di sedimentazione chiamata appunto primaria, ove sono catturati gran parte dei solidi sedimentabili; I

3 trattamenti secondari, nei quali avvengono processi biologici atti ad abbattere anche le sostanze non sedimentabili, e comprendono l aerazione e la sedimentazione secondaria; trattamenti terziari (filtri rapidi), nei quali avviene un successivo affinamento del grado di depurazione raggiungibile con un trattamento secondario, e quindi comprendono trattamenti speciali per abbattere il contenuto di sostanze che non vengono allontanate nel corso dei trattamenti primari e secondari; disinfezione effettuata con cloro, ipoclorito di sodio, acido peracetico o raggi ultravioletti. Un trattamento depurativo ha, dunque, lo scopo di rimuovere le sostanze sospese e/o disciolte, presenti nei liquami, stabilizzare i composti organici suscettibili di fermentazione e rimuovere le sostanze nocive, o comunque, sgradevoli, e gli odori molesti. Gli impianti utilizzati per depurare le acque reflue, possono essere di due tipi: impianti a filtri percolatori (o a masse adese); impianti a fanghi attivi (o a masse sospese). Negli impianti a filtri percolatori, al posto della vasca di aerazione (quindi dopo la sedimentazione primaria), è situato un filtro percolatore (o letto percolatore o letto batterico ), che è costituito da una massa di materiale (pietrisco, pezzi di carbone coke, ecc.) mediante il quale il liquame percóla e scorre sulla superficie dei vari elementi costituenti l ammasso. Il liquame arriva per caduta diretta o per sollevamento tramite impianto di pompaggio. Dopo un periodo di applicazione, sulla superficie del materiale di riempimento si forma una pellicola o II

4 membrana biologica, cioè uno strato mucillaginoso dello spessore di 2 3 mm, costituito da un associazione di microrganismi, che adsorbono e degradano, con processi biologici essenzialmente aerobi, le sostanze organiche, disciolte e colloidali, presenti nei liquami. Per effetto di fenomeni complessi, la membrana biologica formatesi si distacca, periodicamente o con continuità, dal materiale di supporto ed è raccolta nella fase di sedimentazione secondaria. Negli impianti a masse sospese, invece, i protagonisti del processo depurativo sono sempre dei microrganismi, che anziché essere adesi al materiale di supporto sono sospesi nella soluzione sotto forma di fiocchi di fango e per vivere demoliscono la sostanza organica presente nel liquame che, così, è depurato per via biologica. L efficacia della depurazione dipende dal tipo di trattamento effettuato e questo, a sua volta, dipende dal tipo di tecnologia utilizzata dall impianto. III

5 CAPITOLO 1 LE ACQUE REFLUE, LE RETI FOGNARIE E I PARAMETRI PRINCIPALI DI DIMENSIONAMENTO DEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE 1.1 Le caratteristiche delle acque reflue Da un punto di vista chimico, l acqua di fogna di origine domestica può essere considerata una soluzione acquosa debolmente alcalina, estremamente diluita, di sostanze organiche ed inorganiche diverse, contenente sostanze solide sospese di grandi e piccole dimensioni, nonché dispersioni colloidali; considerando l aspetto igienico-sanitario, l acqua di fogna contiene ingenti quantità di microrganismi, parte dei quali patogeni (batteri, virus, ecc..). Nelle abitazioni i liquami prendono origine principalmente, se non esclusivamente, dalle cucine e dalle toilettes; essi pertanto contengono residui di cibi e bevande, sapone e detergenti sintetici, carta e involucri di plastica, fiammiferi usati, oltre naturalmente ai prodotti finali del metabolismo umano 1. Ciò vale per le fognature separate (attraverso le quali le acque meteoriche sono convogliate separatamente da quelle utilizzate per scopi civili); se invece, come spesso accade, le fognature sono di tipo misto, esse riceveranno anche l acqua piovana, che proviene dalle strade e, conterranno anche una sospensione di terriccio e detriti. L acqua di fogna, secondo la sua età, è definita fresca, stantia e settica. 1 G. ed E. Bianucci, Il trattamento delle acque inquinate, ed. Hoepli, Milano,1998, pag 97. 1

6 I liquami freschi contengono piccole quantità di ossigeno disciolto; se invece l ossigeno è stato ridotto a zero, mediante processi biochimici aerobi, essi sono detti stantii, se infine è iniziata la decomposizione anaerobia della sostanza organica i liquami sono settici. L azoto è presente nei liquami sotto forma di ammoniaca, nitriti e nitrati. Un acqua di rifiuto è tanto più ricca di ammoniaca, quanto più ha soggiornato nella rete fognaria, avendo avuto il tempo di svilupparsi le reazioni biologiche di degradazione che stanno alla base della trasformazione 2. Il fosforo si trova nei liquami sotto forma di ortofosfati, fosforo organico e condensato o polifosfati; gli apporti individuali tendono ad aumentare in continuazione poiché il fosforo è uno dei componenti principali dei detersivi sintetici; azoto e fosforo contribuiscono ai fenomeni di eutrofizzazione. I microrganismi si nutrono dell azoto sotto forma di ammoniaca, ma possono utilizzare anche i nitriti e i nitrati, e talora anche l azoto gas. Oli e grassi sono presenti nei liquami civili in concentrazioni mediamente comprese fra 50 e 150 mg/l; nel caso di particolari utenze (ad esempio ristoranti, grandi cucine) le concentrazioni possono salire notevolmente. 2 Cfr L. Masotti, Depurazione delle acque Tecniche ed impianti per il trattamento delle acque di rifiuto-, ed. Calderini, Bologna, 1996, pag

7 1.2 Le tipologie di reti fognarie Le reti fognarie permettono di raccogliere, collettare e convogliare le acque reflue agli impianti di depurazione. Esistono due tipologie di reti fognarie: mista e separata. La rete fognaria mista convoglia all impianto di trattamento oltre alle acque utilizzate per scopi civili(igiene personale, cucina, pulizia delle abitazioni ecc.) anche le acque meteoriche. La rete fognaria separata, viceversa, convoglia separatamente le acque meteoriche da quelle utilizzate per scopi civili. Naturalmente mentre le acque utilizzate per scopi civili sono convogliate all impianto di trattamento, le acque meteoriche sono smaltite cercando di evitare che le stesse possano influenzare i processi biologici dell impianto di depurazione. Una delle formule utilizzate per dimensionare una tubazione fognaria è la seguente: Q= K st σ R 2/3 i 1/2 Nella quale Q rappresenta la portata(volume che attraversa una sezione nell unità di tempo), K st è il coefficiente di Strickler relativo alla scabrezza della tubazione, σ è la sezione del tubo, i rappresenta la pendenza della tubazione ed R il raggio idraulico; ossia il rapporto fra la sezione del tubo ed il perimetro bagnato. 3

8 1.3 I parametri principali di dimensionamento dei sistemi di depurazione: carico idraulico e carico organico Il carico idraulico, cioè la quantità liquida di acque di rifiuto, e il carico organico, cioè la quantità di sostanze organiche che devono essere trattate (misurate come BOD 5 ), sono le due grandezze importanti da conoscere per impostare l indagine relativa ad un qualsiasi sistema di trattamento e smaltimento delle acque di rifiuto civili 3. Quando si decide per il trattamento e lo smaltimento delle acque reflue di una comunità, e si prevede di costruire un impianto di depurazione, conviene effettuare sperimentazioni dirette sia valutando le portate idrauliche, sia effettuando analisi sulla concentrazione del carico organico, in modo da risalire al carico organico complessivo. Le analisi, di solito, sono estese anche ad altre caratteristiche fisiche (solidi sospesi, torbidità, temperatura.), chimiche (COD, azoto, fosforo, grassi, oli, detersivi, ph, ossigeno disciolto, metalli pesanti) e biologiche (carica batterica, presenza di particolari microrganismi). Queste indagini devono essere eseguite in modo scrupoloso, perché i dati che ne derivano condizionano l attendibilità dei calcoli e del dimensionamento conseguenti. Per le prove di portata, qualsiasi tecnico è in grado di eseguirle agevolmente, per le analisi del BOD 5 e degli altri parametri occorre rivolgersi a laboratori specializzati. Queste sperimentazioni non devono essere eseguite saltuariamente, ma condotte sistematicamente e ad intervalli di tempo brevi. 3 Cfr L. Masotti, op. cit., pag

9 Purtroppo, queste indagini dirette non sono sempre possibili, poiché quando si decide di costruire un impianto di depurazione, molto spesso non è ancora stato predisposto l allacciamento delle fognature ad un unico recapito o addirittura manca la rete fognaria! In mancanza di prove dirette, un contributo alla conoscenza del carico idraulico può derivare dallo studio dell andamento dei consumi d acqua prelevata dall acquedotto, che può fornire dati importanti sulle quantità di acqua che è prevedibile perverranno all impianto (può ritenersi valido un coefficiente di afflusso pari a 0,80), sull andamento delle portate nelle varie ore del giorno e sulle punte massime stagionali. Per determinare il carico idraulico specifico può essere utile la seguente formula: carico idraulico specifico=3,8(50 + P/200) in l/ab g ove: P= popolazione (numero abitanti) che ha un campo di validità fino a abitanti. 5