CORSO DI INGEGNERIA SANITARIA - AMBIENTALE

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1 CORSO DI INGEGNERIA SANITARIA - AMBIENTALE ESERCITAZIONI CALCOLO DELLA LINEA DI TRATTAMENTO DEI LIQUAMI DI UN IMPIANTO BIOLOGICO A FANGHI ATTIVI AL SERVIZIO DI UNA CITTA DI ABITANTI Si chiede di calcolare: - i principali comparti di trattamento (sedimentazione e reattore biologico); - consumo di ossigeno in ossidazione e produzione di fango; - bilanci di materia su BOD 5 e nutrienti (N e P). 1. DATI DI PROGETTO Abitanti serviti: ; Dotazione idrica procapite: 400 litri/ab d; Tipo di fognatura: separata; Limiti allo scarico: - BOD 5 25 mg/l; - SS 35 mg/l. 1

2 2. DIMENSIONAMENTO Schema di processo Per il conseguimento dei limiti allo scarico, si prevede uno schema di processo della linea liquami articolato su più linee parallele, con i seguenti trattamenti: - grigliatura grossolana; - grigliatura fine meccanizzata; - dissabbiatura-disoleatura; - sedimentazione primaria; - ossidazione biologica a C F = 0,3 Kg BOD 5 / Kg SS d; - sedimentazione secondaria; - disinfezione finale (di emergenza) con ipoclorito di sodio (NaClO). Il trattamento dei fanghi sarà effettuato con: - pre-ispessimento; - digestione anaerobica; - post-ispessimento; - disidratazione meccanica. Calcolo delle portate Portata giornaliera, nell ipotesi di un coefficiente di afflusso in fognatura ϕ = 0,8: Q d = 0,4 (m 3 /ab d) (ab) 0,8 = m 3 /d Portate orarie (media e di punta): Q media = Q 24 = (m 3 /d) / 24 (h/d) = m 3 /h Q punta = Q 16 = (m 3 /d) / 16 (h/d) = 4000 m 3 /h 2

3 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 = Kg BOD 5 / d Carico giornaliero di TN: (ab) 0,012 Kg TN / ab d = Kg TN / d Carico giornaliero di P tot : (ab) 0,0015 Kg P tot / ab d = 300 Kg P tot / d Carico giornaliero di SS: (ab) 0,090 Kg SS / ab d = Kg SS / d Concentrazione media di BOD 5 : BOD 5 = (g BOD 5 / d) / (m 3 /d) = 187,5 mg/l Concentrazione media di TN: TN = (g TN / d) / (m 3 /d) = 37,5 mg/l Concentrazione media di P tot : P tot = (g P tot / d) / (m 3 /d) = 4,69 mg/l Concentrazione media di SS: 3

4 SS = (g SS / d) / (m 3 /d) = 281 mg/l Calcolo della sedimentazione primaria Calcolo decantazione: Fissiamo CIS = 1,6 m/h alla Q di punta. Si calcola una superficie complessiva di sedimentazione di: S = (m 3 /h) / 1,6 (m/h) = m 2 Si fissa un altezza utile d acqua di 3,0 m. Risulta, conseguentemente, un volume di decantazione pari a: V = m 2 3 m = m 3 Si verifica il seguente tempo di ritenzione Tr alla Q punta : Tr = (m 3 ) / (m 3 /h) = 1,87 h (verifica positiva) Scelta del numero e della tipologia di decantatori: Si suppone di adottare decantatori circolari meccanizzati. Si prevede un numero di N=3 decantatori. Risulta: S (singolo decantatore) = m 2 / 3 = 833,3 m 2 ; Diametro D = 32,58 m. Si sceglie un decantatore commerciale del diametro D = 34 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 = 34 π = 106,76 m. Si verifica: 4

5 Carico sullo stramazzo = (m 3 /h) / 106,76 (m) 3 = 12,48 m 3 /h m lineare (verifica positiva). In definitiva si prevede di installare: n. 3 decantatori circolari a flusso radiale, meccanizzati; Diametro di ciascun decantatore: D = 34 m; Altezza utile d acqua: 3 m; Volume del singolo decantatore: m 3 ; Volume totale: m 3 ; Superficie del singolo decantatore: 908 m 2 ; Superficie totale: m 2. Si prevedono, quindi, le seguenti condizioni operative: Tr alla Q punta : V / Q punta = (m 3 ) / (m 3 /h) = 2,043 h; CIS alla Q punta : Q punta / S = (m 3 /h) / (m 2 ) = 1,47 m/h. Calcolo del volume V del reattore biologico Carichi in ingresso al reattore biologico: 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: 5

6 - Carico di BOD 5 in ingresso al trattamento biologico: Kg BOD 5 /d 0,75 = Kg BOD 5 /d; - Carico di TN in ingresso al trattamento biologico: Kg TN/d 0,90 = Kg TN/d; - Carico di P tot in ingresso al trattamento biologico: 300 Kg P tot /d 0,93 = 279 Kg P tot /d; - Carico di SS in ingresso al trattamento biologico: Kg SS/d 0,40 = Kg SS/d. Concentrazioni medie in ingresso al reattore biologico: - Concentrazione media di BOD 5 : BOD 5 = g BOD 5 /d / m 3 /d = 140,6 mg/l; - Concentrazione media di TN: TN = g TN/d / m 3 /d = 33,75 mg/l; - Concentrazione media di P tot : P tot = g P tot /d / m 3 /d = 4,36 mg/l; - Concentrazione media di SS: SS = g SS/d / m 3 /d = 112,5 mg/l. Calcolo del Volume V del reattore biologico: Si ipotizza che, a C F = 0,3 Kg BOD 5 / Kg SS d, corrisponda un rendimento di depurazione biologica η (BOD 5 ) = 90%. Per tale motivo, allo scarico, è attesa una concentrazione media di BOD 5 = 14 mg/l (limite allo scarico rispettato). Si ipotizza, inoltre, una concentrazione di biomassa nel reattore biologico: X = 4 Kg SS/m 3. Q S = Kg BOD o 5 V = = 3 X CF 4 Kg SS m 0,3 Kg BOD5 Kg SS d d m 3 6

7 Suddivisione in linee parallele: Si prevede di realizzare tre linee parallele. Ciascun reattore biologico avrà, pertanto, le seguenti caratteristiche: Volume di ciascun reattore: m 3 ; Altezza utile d acqua (mixed-liquor): 3,5 m; Lunghezza Larghezza di ciascun reattore: 40 m 18 m circa. Calcolo della portata di ricircolo q Si ipotizza X r = 8 Kg SS/m 3 (scelta prudenziale). Rapporto di ricircolo R: R = q Q 24 X 4 = = = 1 = 100 % X X 8 4 r Portata di ricircolo q: q = R Q 24 = m 3 /h. Calcolo della produzione di fango di supero biologico Produzione specifica di fango di supero: W X r / Q S Si ipotizza l applicabilità della formula di calcolo: W X r / Q S = ε [Y (b / η C F )], con: ε = 1,2-0,28 C F ; Y = 1; b = 0,05. W X r / Q S = 0,91 Kg SS/Kg BOD 5 rimosso 7

8 Produzione di fango di supero: W 5 Xr = 0,91 Q S = 0,91 Q So = 0,91 0, Kg BOD d = 7.371Kg SS d Portata di fango di supero: W = W X r / X r = (Kg SS/d) / 8 (Kg SS/m 3 ) = 921 m 3 /d. Calcolo della fornitura di Ossigeno Fabbisogno di ossigeno, da parte della flora batterica, in condizioni di punta: F O2 = K α Q S + β X V + K 4,57 N Si assumono i seguenti valori per i coefficienti: α = 0,5 (Kg O 2 /Kg BOD 5 ); β = 0,1 (Kg O 2 /Kg SS d); K = 1,7 (coefficiente di punta). In relazione al carico di fango di progetto C F = 0,3, non è attesa la nitrificazione del TKN, per cui il carico di TKN nitrificato (N) risulta nullo. Si ha, pertanto: F O2 = K α Q S + β X V + K 4,57 N = 1,7 0, , = = Kg O 2 /d = 411,87 Kg O 2 /h. Verifica dell O.C./load: O.C./load = F O2 / Q S o = (Kg O 2 /d) / (Kg BOD 5 alimentati/d) = 1,09 1,1 8

9 Fabbisogno di ossigeno in condizioni standard: ( F' O2) F' c.s.(kg/d) = 1,024 O2 (kg/d) ( T-20) ( Cs - C) T ( Cs - C) C.S. Si ipotizza: Massima temperatura di esercizio: 20 C (condizione più critica; a T = 20 C, si ha C s = 9,2 mg/l); C = 2 mg/l (concentrazione di ossigeno nella vasca di ossidazione biologica in condizioni di regolare esercizio); ϕ = 0,8 (rapporto tra le costanti di trasferimento dell ossigeno di mixedliquor e acqua pulita a 20 C) F' O 2 = = Kg O2 d = 658 Kg O C.S. 2 7,2 0,8 9,2 ( ) h Fornitura di aria: Si prevede di fornire l ossigeno mediante insufflazione di aria e l impiego di sistemi porosi a microbolle. Si ipotizza un rendimento di trasferimento dell ossigeno del 25%: Q aria ( ) F' c.s. (kg/d) O2 3 = = Nm h oss 0,28 24 ove 0,28 rappresenta il peso di ossigeno in un Nm 3 di aria (3.132 Nm 3 /h per ciascuno dei tre bacini di OX). Si prevede di installare: n. 4 soffianti (1 per linea + 1 di riserva) aventi ciascuna le seguenti caratteristiche: Portata d aria: Nm 3 /h; 9

10 Prevalenza: 6 m (3,5 m di battente idraulico + 2,5 m circa di perdite di carico, da verificare nel dettaglio in sede di progettazione esecutiva). Verifica della miscelazione completa Si ha una fornitura specifica di aria di: (Nm 3 /h) / (m 3 ) = 1,4 Nm 3 /h m 3 di reattore (verifica positiva) Calcolo della Sedimentazione Secondaria Calcolo di superficie e volume complessivi: Sulla base dei riscontri sperimentali (impianti alla scala reale), per il conseguimento nell effluente finale di BOD 5 25 mg/l e di SS 35 mg/l, occorre fissare un CIS di progetto 0,7 m/h alla Q punta. Nel caso specifico, si fissa un CIS di 0,7 m/h alla Q punta. Risulta: S = Q punta / CIS = (m 3 /h) / 0,7 (m/h) = m 2 Si fissa un altezza utile d acqua di 4 m. Risulta, conseguentemente, un volume: V = (m 2 ) 4 (m) = m 3 Si verifica: Tr = V / Q punta = (m 3 ) / (m 3 /h) = 5,71 h (rispettoso del Tr limite) 10

11 Verifica del Flusso Solido: Si ha: FS = (Q punta + q) X / S = ( ) 4 / = 4,66 Kg SS/m 2 h Scelta del numero e della tipologia di decantatori: Si suppone di adottare decantatori circolari meccanizzati. Si prevede un numero di N=3 decantatori. Risulta: S (singolo decantatore) = m 2 / 3 = m 2 ; Diametro D = 49,25 m. Si sceglie un decantatore commerciale del diametro D = 50 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 = 50 π = 157 m Si verifica: Carico sullo stramazzo = (m 3 /h) / 157 (m) 3 = 8,49 m 3 /h m lineare Il carico limite è rispettato. In definitiva si prevede di installare: n. 3 decantatori circolari a flusso radiale, meccanizzati; Diametro di ciascun decantatore: D = 50 m; Altezza utile d acqua: 4 m; Volume del singolo decantatore: m 3 ; Volume totale: m 3 ; Superficie del singolo decantatore: 1.962,5 m 2 ; 11

12 Superficie totale: 5.887,5 m 2. Si prevedono, quindi, le seguenti condizioni operative: Tr alla Q punta : V / Q punta = / = 5,88 h; CIS alla Q punta : Q punta / S = / 5.887,5 = 0,67 m/h; FS alla Q punta + q ricircolo : (Q punta + q) X / S = 4,53 Kg SS / m 2 h. Rimozione dei nutrienti Azoto L azoto totale in alimentazione al processo biologico è tutto sotto forma di TKN (azoto organico + azoto ammoniacale) essendo i liquami tipicamente domestici. Una quota del TKN entrante nel processo biologico viene rimossa per sintesi biologica, secondo il classico rapporto ponderale BOD 5 /N/P = 100/5/1. Pertanto, il carico di N rimosso per sintesi biologica vale: Carico di N rimosso per sintesi biologica = (Kg BOD 5 rimosso / d) / 20 = 405 Kg N/d. La concentrazione media di azoto in uscita dal trattamento biologico (tutto in forma ammoniacale, data l assenza di nitrificazione) sarà quindi: Concentrazione media di TN in uscita = ( ) / = 27,4 mg/l (35,2 mg/l come ammonio). Nota: in uscita è presente anche una piccola concentrazione di N-organico dovuto alla presenza di N nei Solidi Sospesi dell effluente finale. Trattandosi, essenzialmente, di solidi biologici, il calcolo può essere fatto sulla base del rapporto C 5 H 7 NO 2, ovvero considerando una presenza di N nei Solidi Sospesi volatili (75% 12

13 circa dei Solidi Sospesi totali, nel caso specifico) del 12,38 % (PM Azoto/PM C 5 H 7 NO 2 ). Nel caso specifico, considerando una presenza nell effluente di mg/l SS, a questo corrisponderà una presenza di N-organico di circa 2,3 2,8 mg/l. Fosforo Con lo stesso criterio, il carico di P rimosso per sintesi biologica vale: Carico di P rimosso per sintesi biologica = (Kg BOD 5 rimosso / d) / 100 = 81 Kg P/d. La concentrazione media di fosforo in uscita dal trattamento biologico (tutto sotto forma di ortofosfato PO 4 3- ) sarà quindi: Concentrazione media di P in uscita = (279 81) / = 3,09 mg/l. Nota: in uscita, è presente anche una piccola concentrazione di P-organico dovuto alla presenza di N nei Solidi Sospesi dell effluente finale. Trattandosi, essenzialmente, di solidi biologici, il calcolo può essere fatto sulla base del rapporto N/P = 5/1. Nel caso specifico, si avrà una presenza di P-organico di circa 0,46 0,56 mg/l. 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 % (Fig. 1). 13

14 Si ha, pertanto: Produzione di fango primario = 0,060 Kg SS/ab d ab 0,9 = Kg SS/d Produzione di fango complessiva: Fango primario: Kg SS/d; Fango di supero biologico: Kg SS/d; Fango misto (primario + biologico di supero): = Kg SS/d. Vengono assunte le seguenti caratteristiche tipiche dei fanghi: Fango primario: Contenuto SS 4% (96% acqua); SSV/SS 0,7; Fango di supero biologico: Contenuto SS 1% (99% acqua); SSV/SS 0,8; Fango misto: Contenuto SS 3% (97% acqua); SSV/SS 0,75. La portata di fango misto (primario + supero biologico) è, pertanto, stimabile come segue: Portata di fango misto = Kg SS/d / 30 Kg SS/m 3 = 605,7 m 3 /d. Questa produzione di fango misto dovrà essere alimentata nella linea di trattamento del fango per realizzare gli obiettivi di: disidratazione; stabilizzazione. Quadro riepilogativo del dimensionamento Nella Tabella che segue sono riepilogati i risultati del dimensionamento effettuato. 14

15 VOCE DATI Dati di progetto Abitanti serviti: Dotazione idrica procapite: 400 litri/ab d Tipo di fognatura: separata Limiti allo scarico: BOD 5 25 mg/l SS 35 mg/l Portate Portata giornaliera: Q d = m 3 /d Portata oraria media: Q 24 = m 3 /h Portata oraria di punta: Q 16 = m 3 /h Concentrazioni Liquame grezzo Dopo Effluente finale Sedimentazione Primaria BOD 5 (mg/l): Solidi (mg/l): TN (mg/l): N-ammoniacale (mg/l): N-organico (mg/l): 187, ,5 140,6 112,5 33, ,9 27,4 2,5 P tot (mg/l): 4,69 4,36 3,6 P-ortofosfato (mg/l): 3,09 P-organico (mg/l): 0,51 continua continua 15

16 Sedimentazione primaria n. decantatori circolari a flusso radiale, meccanizzati: Diametro di ciascun decantatore: Altezza utile d acqua: Volume del singolo decantatore: Volume totale: Superficie del singolo decantatore: Superficie totale: 3 D = 34 m 3 m m m m m 2 Condizioni operative: Tr alla Q punta : CIS alla Q punta : Ossidazione Biologica (C F = 0,3 Kg BOD 5 /Kg SS d) n. bacini paralleli: Volume di ciascun reattore: Volume totale di ossidazione: Altezza utile d acqua (mixed-liquor): Lunghezza Larghezza di ciascun reattore: 2,043 h 1,47 m/h m m 3 3,5 m 40 m 18 m Conc. Mixed-liquor: Conc. SSV nel mixed-liquor: Portata di ricircolo fango: Fornitura ossigeno in C.S.: n. soffianti: Portata di ciascuna soffiante: Prevalenza soffianti: Produzione ponderale fango di supero biologico: Produzione volumetrica fango di supero biologico: Conc. fango supero: 4 Kg SS/m 3 SSV/SS = 0, m 3 /h 658 Kg/h riserva Nm 3 /h 6 m Kg SS/d 921 m 3 /d 8 Kg SS/m 3 continua continua 16

17 Sedimentazione secondaria n. decantatori circolari a flusso radiale, meccanizzati: Diametro di ciascun decantatore: Altezza utile d acqua: Volume del singolo decantatore: Volume totale: Superficie del singolo decantatore: Superficie totale: 3 50 m 4 m m m ,5 m ,5 m 2 Condizioni operative: Tr alla Q punta : CIS alla Q punta : FS (Q punta + q): 5,88 h 0,67 m/h 4,53 Kg SS/m 2 h Produzione di fango Produzione ponderale di fango di supero biologico: Produzione ponderale di fango primario: Produzione ponderale di fango misto: Portata di fango misto (3% SS): Kg SS/d Kg SS/d Kg SS/d 605,7 m 3 /d Quadro riepilogativo del dimensionamento 17

18 Fig. 1 - Rendimento di rimozione dei solidi sedimentabili, dei solidi sospesi e del BOD 5 in funzione del tempo di ritenzione nella sedimentazione primaria di liquami civili (autore: Sierp): a - Solidi sedimentabili; b - Solidi sospesi; c - BOD 5. 18

19 By-pass generale OX DISSABBIATURA - DISOLEATURA Effluente Liquame G1 G2 DISINF SED. I Ricircolo fango SED. II SCHEMA PLANIMETRICO DELL IMPIANTO 19