Ingegneria Sanitaria ed Ambientale. Laurea in Ingegneria Civile L7. Livello e corso di studio ICAR/03. Settore scientifico disciplinare (SSD)

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1 Insegnamento Livello e corso di studio Settore scientifico disciplinare (SSD) Ingegneria Sanitaria ed Ambientale Laurea in Ingegneria Civile L7 ICAR/03 Anno di corso 2 Numero totale di crediti Propedeuticità Docente Obiettivi formativi 9 Nessuna Arnaldo Pierleoni Facoltà: Ingegneria Nickname: pierleoni.arnaldo pierleoni.arnaldo@unicusano.it Orario di ricevimento: consultare calendario videoconferenze Questo corso di Ingegneria Sanitaria ed Ambientale tratta prioritariamente gli aspetti funzionali e di dimensionamento degli impianti di depurazione delle acque reflue urbane e pone come obiettivo formativo il fornire le conoscenze teoriche, metodologiche, tecnologiche e normative per il progetto e la gestione di impianti di trattamento di acque reflue di origine civile. Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding): Conoscenza dei trattamenti tipici degli impianti di depurazione e dei processi biologici che intervengo durante il trattamento dei reflui e dei fanghi. Conoscenze e capacità di comprensione applicate (applying knowledge and understanding): Sviluppo delle capacità di applicare le competenze per affrontare problemi pratici nel campo dell ingegneria Sanitaria ed Ambientale con particolare riferimento a: Valutazioni quantitative e qualitative dei reflui; Impostazione cicli di trattamento; Impianti di sollevamento; Linea Acque: pre-trattamenti, trattamenti primari, secondari e terziari; Processi biologici a massa sospesa ed adesa Linea Fanghi: ispessimento, stabilizzazione, produzione di biogas Processi di disinfezione Trattamenti Naturali Capacità critica di interpretare i risultati ottenuti durante lo svolgimento di un esercizio numerico sia in termini di coerenza fisica dei risultati ottenuti sia in termini di fattibilità ingegneristica della soluzione individuata. Autonomia di giudizio (making judgements): Sviluppo della capacità di interpretare i dati provenienti dalla letteratura per la scelta più opportuna al caso esaminato. Abilità comunicative (communication skills): Sviluppo di un linguaggio scientifico corretto e comprensibile che permetta di esprimere in modo chiaro e privo di ambiguità le conoscenze tecniche acquisite nell ambito dei problemi proposti ed analizzati. Capacità di apprendere (learning skills): Capacità di applicare le conoscenze acquisite per la risoluzione di problemi non familiari che abbiano come oggetto la progettazione e l analisi di impianti di depurazione. Prerequisiti Per una preparazione completa e approfondita della materia è fortemente raccomandato che lo studente abbia già affrontato gli esami di: Analisi I, Fisica I, Chimica, Idraulica e Costruzioni Idrauliche. Contenuti del corso Caratteristiche qualitative e quantitative degli scarichi - Settimana 1; Moduli 1-2; Test di autovalutazione 9 Presentazione del corso di Ingegneria Sanitaria ed Ambientale; Terminologia e Normative riguardanti il 1

2 trattamento delle acque reflue; Componenti, Processi e Schemi di Impianto; Parametri di progetto Caratteristiche fisiche dei reflui; Caratteristiche Chimiche e Contenuto Organico; Azoto e Fosforo, Composti Inorganici, Caratteristiche Biologiche; Gas, Caratteristiche Biologiche e Microrganismi. Tossicità; Caratteristiche quantitative degli scarichi. Impostazione cicli di trattamento - Settimana 2; Modulo 3; Test di autovalutazione 2 Criteri generali per la definizione di un ciclo di trattamento (Linea Acque); Criteri generali per la definizione di un ciclo di trattamento (Linea Fanghi Linea Gas Aria esausta) Impianti di sollevamento - Settimane 3-4; Modulo 4; Test di autovalutazione 5 Aspetti generali sugli impianti di sollevamento: schemi tipo e prestazioni energetiche; Pompe per impianti di depurazione: turbopompe centrifughe, elettropompe per acque cariche, modalità di istallazione in pozzetto, pompe in parallelo e curve caratteristiche; Funzionamento intermittente delle pompe e sequenze di lavoro; Riduzione dei volumi delle camere di aspirazione e opere civili; Pompe speciali: Coclee, eiettori ad aria, pompe volumetriche, dosatori. Trattamenti meccanici - Settimane 5-6; Modulo 5; Test di autovalutazione 5 Grigliatura, Stacciatura; Equalizzazione delle portate inquinanti; Omogeneizzazione degli inquinanti, Dissabbiatura, Disoleatura, Flottazione, Pre-areazione; La sedimentazione (fango granuloso e fango fioccoso); La sedimentazione di massa; Tipi di sedimentatori Trattamenti biologici 1 - Settimana 7; Modulo 6, Modulo 7 Lezioni 1,2,3; Test di autovalutazione 5 Principi dei processi biologici; Cenni di reattoristica biologica; Principi generali dei trattamenti biologici a biomassa sospesa; Sistemi a miscelazione completa; Sistemi di areazione Trattamenti biologici 2 - Settimane 8-9; Modulo 7 Lezioni 4,7,8,9,10,11,12; Test di autovalutazione 7 La nitrificazione biologica; La denitrificazione biologica; La nitrificazione e denitrificazione biologica Configurazioni impiantistiche; Processi di rimozione biologica del Fosforo; Reazioni chimiche di precipitazione del Fosforo; Processi anaerobici; Processi anaerobici - Criteri di dimensionamento e gestione Trattamento dei fanghi - Settimane 10-11; Modulo 8; Test di autovalutazione 5 Natura dei fanghi; Ispessimento; Stabilizzazione; Produzione di biogas Disinfezione e trattamenti naturali - Settimana 12; Modulo 9, Modulo 10; Test di autovalutazione 3 La disinfezione dei liquami depurati: modelli e processi; Lagunaggi; Processi di fitodepurazione: richiami teorici e principali applicazioni Materiali di studio MATERIALI DIDATTICI A CURA DEL DOCENTE Testi consigliati: 1. L. Bonomo; Trattamenti delle acque reflue; Mc Graw Hill 2. L. Masotti, P. Verlicchi; Depurazione delle acque di piccole comunità; Hoepli 3. Metcalf & Eddy; Ingegneria delle acque reflue Trattamento e riuso; Mc Graw Hill Metodi didattici Modalità di verifica dell apprendimento Criteri per l assegnazione dell elaborato finale Il corso è sviluppato attraverso le lezioni preregistrate audio-video che compongono, insieme a slide, dispense ed esercitazioni numeriche svolte, i materiali di studio disponibili in piattaforma. Sono poi proposti dei test di autovalutazione, di tipo asincrono, che corredano le lezioni preregistrate e consentono agli studenti di accertare sia la comprensione, sia il grado di conoscenza acquisita dei contenuti di ogni modulo. Sono altresì disponibili lezioni in web-conference programmate a calendario che si realizzano nei periodi didattici. La didattica si avvale, inoltre, di forum (aule virtuali) e chat disponibili in piattaforma che costituiscono uno spazio di discussione asincrono, dove il docente fornisce sputi di riflessione sugli argomenti più significativi dell insegnamento e interagiscono con gli studenti iscritti. L esame consiste di norma nello svolgimento di una prova scritta di 90 minuti tendente ad accertare le capacità di analisi e rielaborazione dei concetti acquisiti. La prova scritta prevede di norma la soluzione di 3 esercizi numerici sui principali argomenti trattati nel corso. Particolare attenzione nella valutazione delle risposte date viene posta sulla capacità dello studente di rielaborare il materiale presente in piattaforma. L assegnazione dell elaborato finale avverrà sulla base di un colloquio con il docente in cui lo studente manifesterà i propri specifici interessi in relazione a qualche argomento che intende approfondire; non esistono preclusioni alla richiesta di assegnazione della tesi e non è prevista una media particolare per poterla richiedere. Programma esteso e materiale didattico di riferimento Modulo 1 - Lezione 1 Generalità sul corso 2

3 Il ciclo dell acqua Cenni storici sull Ingegneria Sanitaria Modulo 1 - Lezione 2 Modulo 1 - Lezione 3 Modulo 2 - Lezione 1 Modulo 2 - Lezione 2 Modulo 2 - Lezione 3 Modulo 2 - Lezione 4 Modulo 2 - Lezione 5 Modulo 2 - Lezione 6 Modulo 2 Modulo 3 - Lezione 01 Modulo 3 - Lezione 02 Terminologia specifica Normativa sul trattamento delle acque reflue Generalità sui metodi di trattamento Trattamenti Fisici, Chimici e Biologici; Applicazioni Classificazione dei trattamenti: primari, secondari e terziari Rimozione dei composti tossici Trattamento Fanghi Schemi di processo Parametri base di progetto Grandezze ed unità di misura Relazioni fondamentali Richiami di statistica Caratteristiche fisiche dei reflui Temperatura, Colore, Odore Contenuto solido Solidi sospesi (volatili e non volatili) Caratteristiche chimiche e contenuto organico Composti organici Misura del contenuto organico Domanda Biochimica di Ossigeno (BOD); Domanda Chimica di Ossigeno (COD); Domanda Teorica di Ossigeno (ThOD) Carbonio Organico Totale (TOC) Correlazione tra le misure di contenuto organico Composti dell Azoto e del Fosforo Composti inorganici Alcalinità Cloruri, Solfati e Solfuri Composti tossici inorganici Metalli pesanti e Sostanze prioritarie Gas disciolti Solubilità a saturazione Caratteristiche biologiche Microorganismi Saggio di Tossicità Portate caratteristiche in tempo asciutto (max diurna, min notturna, portata di calcolo) Portate di pioggia Caratteristiche delle portate meteoriche di dilavamento Gestione delle portate miste in reti unitarie Gestione delle acque di pioggia nelle reti separate Esercitazione su caratteristiche qualitative e quantitative degli scarichi Criteri generali per la definizione dei cicli di trattamento Linea acque Obiettivi del trattamento Impostazione dei cicli Articolazione della linea acque Criteri generali per la definizione dei cicli di trattamento Linea fanghi 3

4 Pre-ispessimento, Stabilizzazione, Igienizzazione Condizionamento e Disidratazione Smaltimento finale Linea gas: Accumulo, produzione energetica, trattamento aria esausta Rendimenti depurativi Modulo 4 - Lezione 1 Modulo 4 - Lezione 2 Modulo 4 - Lezione 3 Modulo 4 - Lezione 4 Modulo 4 - Lezione 5 Esercitazione 2 Esercitazione 3 Esercitazione 4 Esercitazione 5 Modulo 5 - Lezione 1 Modulo 5 - Lezione 2 Impianti di sollevamento Schemi tipici Prevalenza e calcolo della prevalenza Perdite di carico continue e concentrate Curva caratteristica dell impianto Potenza e rendimento di una pompa Turbopompe centrifughe Curva caratteristica Potenza, Rendimento, Velocità di rotazione, Leggi di similitudine, Punto di funzionamento Caratteristiche delle pompe per acque reflue Modalità di installazione in pozzetto Funzionamento intermittente delle pompe asincrone Calcolo del volume utile per una pompa Pompe in parallelo Sequenze di lavoro Sovrapposizione dei volumi utili Funzionamento ciclico delle pompe Formazione di vortici Valvola di flussaggio Camere di aspirazione Pompe speciali Coclea o Vite di Archimede Eiettori; Air lift Pompe per sollevamento fanghi Dosatori Calcolo della curva caratteristica di impianto Calcolo del punto di funzionamento (una e più pompe) Verifica volume di compenso Dimensionamento camera di aspirazione Dimensionamento impianto a coclea Trattamenti meccanici Grigliatura (grossolana, fine, microgrigliatura) Criteri di scelta Stacciatura Equalizzazione delle portate inquinanti Criteri progettuali Disposizione delle vasche Controllo della portata effluente 4

5 Modulo 5 - Lezione 3 Modulo 5 - Lezione 4 Modulo 5 - Lezione 5 Modulo 5 - Lezione 6 Modulo 6 - Lezione 1 Modulo 6 - Lezione 2 Modulo 7 - Lezione 1 Modulo 7 - Lezione 2 Modulo 7 - Lezione 3 Modulo 7 - Lezione 4 Modulo 7 - Lezione 5 Modulo 7 - Lezione 6 Omogeneizzazione degli inquinanti Criteri di progettazione e verifica Dissabbiatura e disoleatura Flottazione Pre-areazione La sedimentazione Sedimentazione statica (alla Stokes, granulosa, fioccosa) Sedimentazione di massa Calcolo dei sedimentatori Sedimentazione di massa (decantatori) Criteri di dimensionamento Sedimentatori (primari e secondari) Tipi di sedimentatori Principi dei processi biologici Catabolismo/Anabolismo Microbiologia La struttura del fiocco di Fango Attivo Alterazioni della microstruttura e della macrostruttura Introduzione alla reattoristica biologica Tipologie di reattori Reattori Batch Reattori continui a miscelazione completa Reattori Plug-Flow Principi generali dei trattamenti biologici Crescita batterica Rimozione del substrato Fattori che condizionano i processi biologici Sistemi a miscelazione completa Sistemi senza ricircolo cellulare Sistemi con ricircolo cellulare Procedura di progetto Produzione fanghi di supero Procedura di progetto per reattori Plug-Flow Fabbisogno di ossigeno Trasferimento dell ossigeno Dispositivi di areazione La nitrificazione biologica Stechiometria e cinetica del processo Fattori limitanti Procedura di progetto tradizionale Processi a biomassa adesa Diffusione del substrato nel biofilm Cinetica del processo Conseguenze applicative Cinetica con due substrati Processi a biomassa adesa Cinetica con tre substrati 5

6 Effetto del Ph nella pellicola biologica Effetto dello strato limite liquido (film) Modulo 7 - Lezione 7 Modulo 7 - Lezione 8 Modulo 7 - Lezione 9 Modulo 7 - Lezione 10 Modulo 7 - Lezione 11 Modulo 7 - Lezione 12 Modulo 7 Modulo 7 - Esercitazione 2 Modulo 7 - Esercitazione 3 Modulo 8 - Lezione 1 Modulo 8 - Lezione 2 Modulo 8 - Lezione 3 Modulo 8 - Lezione 4 La denitrificazione biologica Stechiometria e cinetica del processo Fattori che influenzano la denitrificazione Procedura di progetto tradizionale Nitrificazione e denitrificazione biologica Configurazioni impiantistiche Sistemi separati e combinati Fonti di carbonio Processi di rimozione biologica del Fosforo Aspetti microbiologici, stechiometrici e cinetici Fase anaerobica e fase aerobica Schemi di processo Reazioni chimiche per la precipitazione del Fosforo Sali di Alluminio, Sali di Ferro, Calce Schemi di processo Precipitazione diretta, pre-precipitazione, precipitazione simultanea, post-precipitazione Stoccaggio reagenti Dosaggio e controllo Miscelazione e flocculazione Produzione di fanghi Processi anaerobici Metabolismo(Idrolisi, Acidogenesi, Acetogenesi, Metanogenesi) Cinetica di processo Processi anaerobici criteri di dimensionamento e gestione Produzione di biogas e bilancio energetico Campo di applicazione Dettaglio su processi a biomassa sospesa Valutazione contenuto d Azoto Dimensionamento decantatore Dimensionamento reattore a biomassa con ricircolo Processi di nitrificazione e denitrificazione Dimensionamento sistemi decantatore reattore a biomassa Natura dei fanghi Fanghi primari, secondari (o biologici), fanghi terziari Produzione dei fanghi Umidità, Granulometria, Ph e alcalinità, Composizione chimica, Putrescibilità Ispessimento Ispessimento a gravità, per flottazione, per centrifugazione, per drenaggio Stabilizzazione Stabilizzazione chimica (alcalinizzazione), biologica aerobica Stabilizzazione aerobica termofila Digestione anaerobica Principali modalità di digestione 6

7 Modulo 8 - Lezione 5 Modulo 8 Modulo 9 - Lezione 1 Modulo 10 - Lezione 1 Modulo 10 - Lezione 2 Produzione di biogas Pre-trattamenti per l incremento della produzione Caratteristiche del fango e del surnatante Stabilizzazione anaerobica Richiami di igiene applicata Teoria e fattori che influenzano la disinfezione Meccanismi e modelli Trattamenti applicabili (chimici, fisici) Altri sistemi proponibili Trattamenti Naturali Lagunaggi (anaerobici, facoltativi, aerobici, aerati, aerati facoltativi) Fattori che influenzano i processi biologici Criteri di dimensionamento Particolari costruttivi e rimozione del fango Fitodepurazione Idrofite (emergenti, galleggianti, sommerse Meccanismi depurativi Sistemi a flusso subsuperficiale (orizzontale, verticale) Sistemi a flusso superficiale Sistemi integrati 7