5.3 FOGLI DI CALCOLO PER IL DIMENSIONAMENTO DELLA SEZIONE BIOLOGICA

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1 5.3 FOGLI DI CALCOLO PER IL DIMESIOAMEO DELLA SEZIOE BIOLOGICA CODIZIOI ESIE ( 20 C Dati di progetto Carichi idraulici Portata idraulica giornaliera m 3 /d Portata idraulica oraria M24 m 3 /h 521 Coefficiente Qc/Q24 1,24 Portata idraulica di calcolo m 3 /h 646 Carichi inquinanti ingresso al biologico BOD 5 mg/l 225 COD mg/l 400 Azoto totale (espresso come mg/l 52 Carichi inquinanti ammessi uscita BOD 5 mg/l 10 COD mg/l 60 Ammoniaca (espresso come H4+ mg/l 1,3 Azoto ammoniacale (espresso come mg/l 1,0 itrati (espresso come mg/l 8,0 Condizioni di processo emperatura ( C 20 Concentrazione biomassa biologico (Ca Kg/m 3 5 Concentrazione ossigeno ossidazione(od mg/l 2,5 Frazione di SS su SS 0,7-60 -

2 1 Calcolo del volume del bacino di nitrificazione per mantenere le condizioni stazionarie di nitrificazione Il calcolo serve a determinare la quantità complessiva di fango da mantenere in vasca (quindi il volume delle vasche,una volta fissata la Ca per evitare il dilavamento della biomassa nitrificante Calcolo della velocità di nitrificazione alla temperatura di esercizio (espressa in g di K ossidato per ora per Kg di biomassa nitrificante ( K OD 20 K + K K O + OD ϑ 20 ( 20 elocità massima di nitrificazione a 20 C gk/kgss /h K Concentrazione di azoto organico e ammoniacale ammesso allo scarico mg/l 1,0 OD Ossigeno disciolto mg/l 1,5-3 2,5 K Costante di semisaturazione del K ricavata dalla formula: K 10 0,051 x 1,158 mg/l 1,00 Ko Costante di semisaturazione dell ossigeno mg/l 1 1 eta Coefficiente di correzione della temperatura 1,12 1,07 ( gk/kgss/h 48,48 gk/kgss/h 2,48 ( giornaliera KgK/KgSS/d 1,16 Calcolo della velocità di crescita netta dei batteri nitrificanti (espressa in d -1 (u µ Y x - K d (d -1 Y coefficiente di crescita lordo dei batteri nitrificanti, che esprime la sintesi di nuove cellule batteriche per unità di ammoniaca nitrificata KgSS/KgK 0,24 0,18 Kd coefficiente di scomparsa dei batteri nitrificanti d -1 0,05 0,05 (µ Y x ( - K d (d -1 d -1 0,16 Il reciproco della velocità di crescita netta (SRA,corrisponde alla minima età del fango da mantenere nel reattore onde evitare il dilavamento dei batteri autotrofi nitrificanti SRA d 6,

3 Per dimesionare il reattore di nitrificazione bisogna considerare due distinti aspetti: 1 il tempo di residenza cellulare deve essere compatibile con il mantenimento nel sistema della biomassa nitrificante (su tale aspetto hanno rilevanza solo le condizioni medie di alimentazione e non i carichi orari di punta da nitrificare; 2 la biomassa nitrificante desunta dal calcolo di cui al punto 1 deve essere sufficiente all'ossidazione del K alimentato in condizioni di punta. enuto conto dei rilevanti tempi di residenza idraulica nel sistema e dei conseguenti effetti di laminazione, non è necessario fare riferimento alla punta assoluta: si può assumere la portata oraria di calcolo associata alla concentrazione media di K. (SR calc > FS/(µ 12 FS Coefficiente di sicurezza 1,5-2,5 1,5 (SRcalc d 9,4 Calcolo della velocità di nitrificazione alla temperatura di esercizio ( 12 e della biomassa nitrificante corrispondenti a (SRcalc µ Y ( ( + k d Y ( SR calc ( giornaliera KgK/KgSS/d 0, ( X Q I I ( K K 0,05 ( BOD BOD 24 * 12 (X kgss 579 Calcolo della frazione di biomassa nitrificante rispetto alla biomassa totale (f f I YE ( BOD BOD (1 + I Y ( K K 1 Y E /Y 3,7 4,4 f 0, Calcolo della biomassa complesiva nei reattori di nitrificazione ( X ( X ( f (X kgss IRIFICAZIOE (con riferimento alle cs m

4 erifica del carico del fango (Cf in KgBOD/KgSS x d applicato al sistema Dal calcolo di SR, in base alla produzione specifica di nuovo materiale cellulare (riconducibile senza grossi errori alla sola frazione eterotrofa, si ricava il valore del carico del fango (Cf in KgBOD/KgSS x d dell intero processo e la quantità complessiva di biomassa che deve essere presente; da quest ultimo dato, nota la concentrazione di fango mantenuto in vasca, si ricava il volume da attribuire al comparto biologico (ossidazione/nitrificazione+denitrificazione C f K d + Y E SR η 1 CALC B K d Coefficiente di scomparsa dei batteri eterotrofi d -1 0,045 0,05 (Y E Rendimento di crescita dei batteri eterotrofi KgSS/Kg BOD 0,8 n b Resa della rimozione del BOD5 per l intero processo 0,96 Ko Costante di semisaturazione dell ossigeno mg/l 1 1 eta Coefficiente di correzione della temperatura 1,12 1,07 Cf (riferito ai SS KgBOD/KgSS x d 0,20 Cf (riferito ai SS KgBOD/KgSS x d 0,14 erifica del volume biologico (nitrificazione con riferimento al carico del fango Dall equazione: Cf (BOD I 5 x Q/(Ca x noti BOD e Q, scelto Ca, si determina il volume complessivo IRIFICAZIOE (con riferimento al Cf m Calcolo del volume del bacino di ossidazione/nitrificazione per il rispetto delle condizioni di punta erificato il dimensionamento per ottenere le condizioni stazionarie, è necessario stabilire i margini di flessibilità operativa offerte dal reattore di nitrificazione, in altri termini il volume necessario per ossidare la quantità di K voluta a nitrato. La quantità di azoto da nitrificare, considerando le condizioni di punta, è data dall espressione: kgk/h Q pn x [K I K 0,05 (BOD I BOD ] /1000 kgk/h 26,0-63 -

5 Con la biomassa nitrificante disponibile il valore di di punta ( P necessario risulta: P kgk 24 /( X ( P KgK/KgSS/d 1,08 Rapporto tra punta e valore medio: 1,24 essendo tale valore inferiore al fattore di sicurezza assunto FS 1,5 anche la verifica delle condizioni di punta è soddisfatta.a250 3 Calcolo del volume del bacino di denitrificazione biologica el processo di pre-denitrificazione i nitrati vengono ridotti in un primo stadio anossico, utilizzando la sostanza organica del liquame grezzo come fonte di carbonio; nel successivo stadio aerobico si svolge l ossidazione della sostanza organica residua e la nitrificazione dell azoto ammoniacale. Dato che abitualmente i nitrati sono assenti nello scarico grezzo, la loro alimentazione alla fase di predenitrificazione è resa possibile dal ricircolo di consistenti portate dall ossidazione/nitrificazione, in parte comunque necessarie per il recupero della biomassa dai sedimentatori finali. Quindi la portata del ricircolo condiziona il rendimento del processo di rimozione dell azoto: solo ciò che viene ricircolato può essere rimosso! Lasciando ad una fase successiva il calcolo del rapporto di ricircolo, la determinazione del volume necessario di denitrificazione dipende dalla quantità di nitrati che s'intende rimuovere che è pari dalla quantità di K ossidato, al netto della quantità di nitrati ammessa allo scarico kgo3/h kgk/h ox - Q pn x O3 KgO3/h 402,99 La velocità specifica di denitrificazione è data dalla formula empirica (US EPA: ( D (0,030*(Cf D +0,029 x θ (-20 espressa in g -O 3 /(Kg SS x h eta Coefficiente di correzione della temperatura 1,026 C fd Carico del fango applicato alla denitrificazione 1 Step (Cf D Carico del fango applicato alla denitro KgBOD/KgSS x d 0,2483 ( D 12 C elocità specifica di denitrificazione a 12 C Kg/Kg SS x d 0,0364 (X D Biomassa denitrificante kgss Step (Cf D Carico del fango applicato alla denitro KgBOD/KgSS x d 0,2544 ( D 12 C elocità specifica di denitrificazione a 12 C Kg/Kg SS x d 0,0366 (X D Biomassa denitrificante kgss

6 4 Step (Cf D Carico del fango applicato alla denitro KgBOD/KgSS x d 0,2557 ( D 12 C elocità specifica di denitrificazione a 12 C Kg/Kg SS x d 0,0367 (X D Biomassa denitrificante kgss Step (Cf D Carico del fango applicato alla denitro KgBOD/KgSS x d 0,2559 ( D 12 C elocità specifica di denitrificazione a 12 C Kg/Kg SS x d 0,0367 (X D Biomassa denitrificante kgss O. Denitrificazione m Calcolo della quantità di ossigeno richiesta La quantità di ossigeno da fornire è quella necessaria alla rimozione dei BOD, alla nitrificazione dell ammoniaca e alla respirazione endogena; O 2 a BOD R p + b C a OX ox + DE + c K p d Qr( O3 24 a Coefficiente di respirazione attiva d -1 0,5 0,5 b Coefficiente di respirazione endogena, d d -1 a 12 C variabile con la temperatura secondo l equazione: b 0,1x 1, ,100 c coefficiente di respirazione relativo alla KgO2/KgK 4,6 nitrificazione 4,6 d coefficiente di respirazione relativo alla denitrificazione 2,86 BOD R KgBOD/d rimosso nella sola fase di Kg/BOD/d ossidazione, quindi al netto del BOD rimosso nel bacino di denitrificazione - si trascura vista l'elevata conc. di K 0 C a concentrazione del fango attivo Kg/m Kg/m 3 5 OX olume del bacino di ossidazione m 3 già fissato con il calcolo a DE olume del bacino di denitrificazione m 3 già fissato con il calcolo a K ox Azoto complessivo ossidato, KgK/d ammettendo al netto dell azoto rimosso per sintesi cellulare pari al 5% del BOD complessivamente rimosso 502,99 p Coefficiente che tiene conto delle punte 1,5 giornaliere 1,24 QUAIà DI O 2 AOR (media 24h Kg/h 252,

7 QUAIà DI O2 AOR (punta Kg/h 275,88 I costruttori dei sistemi di ossigenazione forniscono specifiche espresse in kg di Ossigeno trasferito in condizioni standard (SOR mentre il dato sopra calcolato rappresenta la quantità effettiva di ossigeno da trasferire (AOR. La relazione tra le due grandezze è data dalla formula: AOR SOR α * C sl C e 9, C* sl Concentrazione di ossigeno disciolto a saturazione nella miscela aerata mg/l 10,83mg/l(a12 C 9,2mg/l(a20 C 9,2 C e concentrazione di ossigeno disciolto nella miscela aerata mg/l 2 2 a fattore di trasferimento di ossigeno che tiene conto del fatto che il trasferimento di ossigeno non avviene in acqua pulita ma in una miscela di acqua e fango attivo per impianti a fanghi attivi si assume pari a 0,7-0,8 0,7 SOR (media 24h Kg/h 461,35 SOR (punta Kg/h 503,58 Impiegando lo stesso impianto di insufflazione dell aria, costituito da un sistema a bolle fini con rendimento di trasferimento dell'ossigeno pari al 28%, considerando che un m 3 d'aria contiene 0,28 kg di O 2, si può determinare la quantità d'aria richiesta. Portata aria richiesta Q(media 24h m 3 /h Portata aria richiesta Q(punta m 3 /h Calcolo della portata di ricircolo della miscela aerata Dato che abitualmente i nitrati sono assenti nello scarico grezzo, la loro alimentazione alla fase di predenitrificazione è resa possibile dal ricircolo di consistenti portate dall ossidazione/nitrificazione, in parte comunque necessarie per il recupero della biomassa dai sedimentatori finali. Quindi la portata del ricircolo condiziona il rendimento del processo di rimozione dell azoto: solo ciò che viene ricircolato può essere rimosso! Eseguendo un bilancio di massa dell azoto tra l ingresso e l uscita della sezione biologica (denitrificazione e ossidazione/nitrificazione, ammettendo la completa rimozione dell azoto nitrico ricircolato, si ricava l espressione: Q Q r C [ K] I [ K] [ O I ( BOD ] [ BOD ] 3] 0,05[ 5 [ O3 ] 5 Q r

8 5.3.2 CODIZIOI IERALI ( 12 C Dati di progetto Carichi idraulici Portata idraulica giornaliera m 3 /d Portata idraulica oraria M24 m 3 /h 521 Coefficiente Qc/Q24 1,24 Portata idraulica di calcolo m 3 /h 646 Carichi inquinanti ingresso al biologico BOD 5 mg/l 225 COD mg/l 400 Azoto totale (espresso come mg/l 52 Carichi inquinanti ammessi uscita BOD 5 mg/l 10 COD mg/l 60 Ammoniaca (espresso come H4+ mg/l 3,8 Azoto ammoniacale (espresso come mg/l 3,0 itrati (espresso come mg/l 10,0 Condizioni di processo emperatura ( C 12 Concentrazione biomassa biologico (Ca Kg/m 3 5 Concentrazione ossigeno ossidazione(od mg/l 2,5 Frazione di SS su SS 0,

9 1 Calcolo del volume del bacino di nitrificazione per mantenere le condizioni stazionarie di nitrificazione Il calcolo serve a determinare la quantità complessiva di fango da mantenere in vasca (quindi il volume delle vasche,una volta fissata la Ca per evitare il dilavamento della biomassa nitrificante Calcolo della velocità di nitrificazione alla temperatura di esercizio (espressa in g di K ossidato per ora per Kg di biomassa nitrificante ( K OD 20 K + K K O + OD ϑ 20 ( 20 elocità massima di nitrificazione a 20 C gk/kgss /h K Concentrazione di azoto organico e ammoniacale ammesso allo scarico mg/l 3,0 OD Ossigeno disciolto mg/l 1,5-3 2,5 K Costante di semisaturazione del K ricavata dalla formula: K 10 0,051 x 1,158 mg/l 1,00 Ko Costante di semisaturazione dell ossigeno mg/l 1 1 eta Coefficiente di correzione della temperatura 1,12 1,07 ( gk/kgss/h 41,93 gk/kgss/h 2,07 ( giornaliera KgK/KgSS/d 1,01 Calcolo della velocità di crescita netta dei batteri nitrificanti (espressa in d -1 (u µ Y x - K d (d -1 Y coefficiente di crescita lordo dei batteri nitrificanti, che esprime la sintesi di nuove cellule batteriche per unità di ammoniaca nitrificata KgSS/KgK 0,24 0,18 Kd coefficiente di scomparsa dei batteri nitrificanti d -1 0,05 0,05 (µ Y x ( - K d (d -1 d -1 0,13 Il reciproco della velocità di crescita netta (SRA,corrisponde alla minima età del fango da mantenere nel reattore onde evitare il dilavamento dei batteri autotrofi nitrificanti SRA d 7,

10 Per dimesionare il reattore di nitrificazione bisogna considerare due distinti aspetti: 1 il tempo di residenza cellulare deve essere compatibile con il mantenimento nel sistema della biomassa nitrificante (su tale aspetto hanno rilevanza solo le condizioni medie di alimentazione e non i carichi orari di punta da nitrificare; 2 la biomassa nitrificante desunta dal calcolo di cui al punto 1 deve essere sufficiente all'ossidazione del K alimentato in condizioni di punta. enuto conto dei rilevanti tempi di residenza idraulica nel sistema e dei conseguenti effetti di laminazione, non è necessario fare riferimento alla punta assoluta: si può assumere la portata oraria di calcolo associata alla concentrazione media di K. (SR calc > FS/(µ 12 FS Coefficiente di sicurezza 1,5-2,5 1,5 (SRcalc d 11,4 Calcolo della velocità di nitrificazione alla temperatura di esercizio ( 12 e della biomassa nitrificante corrispondenti a (SRcalc µ Y ( ( + k d Y ( SR calc ( giornaliera KgK/KgSS/d 0, ( X Q I I ( K K 0,05 ( BOD BOD 24 * 12 (X kgss 627 Calcolo della frazione di biomassa nitrificante rispetto alla biomassa totale (f f I YE ( BOD BOD (1 + I Y ( K K 1 Y E /Y 3,7 4,4 f 0, Calcolo della biomassa complesiva nei reattori di nitrificazione ( X ( X ( f (X kgss IRIFICAZIOE (con riferimento alle cs m

11 erifica del carico del fango (Cf in KgBOD/KgSS x d applicato al sistema Dal calcolo di SR, in base alla produzione specifica di nuovo materiale cellulare (riconducibile senza grossi errori alla sola frazione eterotrofa, si ricava il valore del carico del fango (Cf in KgBOD/KgSS x d dell intero processo e la quantità complessiva di biomassa che deve essere presente; da quest ultimo dato, nota la concentrazione di fango mantenuto in vasca, si ricava il volume da attribuire al comparto biologico (ossidazione/nitrificazione+denitrificazione C f K d + Y E SR η 1 CALC B K d Coefficiente di scomparsa dei batteri eterotrofi d -1 0,045 0,05 (Y E Rendimento di crescita dei batteri eterotrofi KgSS/Kg BOD 0,8 n b Resa della rimozione del BOD5 per l intero processo 0,96 Ko Costante di semisaturazione dell ossigeno mg/l 1 1 eta Coefficiente di correzione della temperatura 1,12 1,07 Cf (riferito ai SS KgBOD/KgSS x d 0,18 Cf (riferito ai SS KgBOD/KgSS x d 0,13 erifica del volume biologico (nitrificazione con riferimento al carico del fango Dall equazione: Cf (BOD 5 I x Q/(Ca x noti BOD e Q, scelto Ca, si determina il volume complessivo IRIFICAZIOE (con riferimento al Cf m Calcolo del volume del bacino di ossidazione/nitrificazione per il rispetto delle condizioni di punta erificato il dimensionamento per ottenere le condizioni stazionarie, è necessario stabilire i margini di flessibilità operativa offerte dal reattore di nitrificazione, in altri termini il volume necessario per ossidare la quantità di K voluta a nitrato. La quantità di azoto da nitrificare, considerando le condizioni di punta, è data dall espressione: kgk/h Q pn x [K I K 0,05 (BOD I BOD ] /1000 kgk/h 24,7-70 -

12 Con la biomassa nitrificante disponibile il valore di di punta ( P necessario risulta: P kgk 24 /( X ( P KgK/KgSS/d 0,95 Rapporto tra punta e valore medio: 1,24 essendo tale valore inferiore al fattore di sicurezza assunto FS 1,5 anche la verifica delle condizioni di punta è soddisfatta. 3 Calcolo del volume del bacino di denitrificazione biologica el processo di pre-denitrificazione i nitrati vengono ridotti in un primo stadio anossico, utilizzando la sostanza organica del liquame grezzo come fonte di carbonio; nel successivo stadio aerobico si svolge l ossidazione della sostanza organica residua e la nitrificazione dell azoto ammoniacale. Dato che abitualmente i nitrati sono assenti nello scarico grezzo, la loro alimentazione alla fase di predenitrificazione è resa possibile dal ricircolo di consistenti portate dall ossidazione/nitrificazione, in parte comunque necessarie per il recupero della biomassa dai sedimentatori finali. Quindi la portata del ricircolo condiziona il rendimento del processo di rimozione dell azoto: solo ciò che viene ricircolato può essere rimosso! Lasciando ad una fase successiva il calcolo del rapporto di ricircolo, la determinazione del volume necessario di denitrificazione dipende dalla quantità di nitrati che s'intende rimuovere che è pari dalla quantità di K ossidato, al netto della quantità di nitrati ammessa allo scarico kgo3/h kgk/h ox - Q pn x O3 KgO3/h 353,68 La velocità specifica di denitrificazione è data dalla formula empirica (US EPA: ( D (0,030*(Cf D +0,029 x θ (-20 espressa in g -O 3 /(Kg SS x h eta Coefficiente di correzione della temperatura 1,026 C fd Carico del fango applicato alla denitrificazione 1 Step (Cf D Carico del fango applicato alla denitro KgBOD/KgSS x d 0,2211 ( D 12 C elocità specifica di denitrificazione a 12 C Kg/Kg SS x d 0,0290 (X D Biomassa denitrificante kgss

13 4 Step (Cf D Carico del fango applicato alla denitro KgBOD/KgSS x d 0,2326 ( D 12 C elocità specifica di denitrificazione a 12 C Kg/Kg SS x d 0,0293 (X D Biomassa denitrificante kgss Step (Cf D Carico del fango applicato alla denitro KgBOD/KgSS x d 0,2330 ( D 12 C elocità specifica di denitrificazione a 12 C Kg/Kg SS x d 0,0293 (X D Biomassa denitrificante kgss O. Denitrificazione m Calcolo della quantità di ossigeno richiesta La quantità di ossigeno da fornire è quella necessaria alla rimozione dei BOD, alla nitrificazione dell ammoniaca e alla respirazione endogena; O 2 a BOD R p + b C a OX ox + DE + c K p d Qr( O3 24 a Coefficiente di respirazione attiva d -1 0,5 0,5 b Coefficiente di respirazione endogena, d d -1 a 12 C variabile con la temperatura secondo l equazione: b 0,1x 1, ,052 c coefficiente di respirazione relativo alla KgO2/KgK 4,6 nitrificazione 4,6 d coefficiente di respirazione relativo alla denitrificazione 2,86 BOD R KgBOD/d rimosso nella sola fase di Kg/BOD/d ossidazione, quindi al netto del BOD rimosso nel bacino di denitrificazione - si trascura vista l'elevata conc. di K 0 C a concentrazione del fango attivo Kg/m Kg/m 3 5 OX olume del bacino di ossidazione m DE olume del bacino di denitrificazione m K ox Azoto complessivo ossidato, KgK/d ammettendo al netto dell azoto rimosso per sintesi cellulare pari al 5% del BOD complessivamente rimosso 478,68 p Coefficiente che tiene conto delle punte 1,5 giornaliere 1,24 QUAIà DI O 2 AOR (media 24h Kg/h 162,22 QUAIà DI O2 AOR (punta Kg/h 184,

14 I costruttori dei sistemi di ossigenazione forniscono specifiche espresse in kg di Ossigeno trasferito in condizioni standard (SOR mentre il dato sopra calcolato rappresenta la quantità effettiva di ossigeno da trasferire (AOR. La relazione tra le due grandezze è data dalla formula: AOR SOR α * C sl C e 9, C* sl Concentrazione di ossigeno disciolto a saturazione nella miscela aerata mg/l 10,83mg/l(a12 C 9,2mg/l(a20 C 10,83 C e concentrazione di ossigeno disciolto nella miscela aerata mg/l 2 2 a fattore di trasferimento di ossigeno che tiene conto del fatto che il trasferimento di ossigeno non avviene in acqua pulita ma in una miscela di acqua e fango attivo per impianti a fanghi attivi si assume pari a 0,7-0,8 0,7 SOR (media 24h Kg/h 291,90 SOR (punta Kg/h 331,52 Ipotizzando di impiegare lo stesso impianto di insufflazione dell aria, costituito da un sistema a bolle fini con rendimento di trasferimento dell'ossigeno pari al 28%, considerando che un m 3 d'aria contiene 0,28 kg di O 2, si può determinare la quantità d'aria richiesta. Portata aria richiesta Q(media 24h m 3 /h Portata aria richiesta Q(punta m 3 /h Calcolo della portata di ricircolo della miscela aerata Dato che abitualmente i nitrati sono assenti nello scarico grezzo, la loro alimentazione alla fase di predenitrificazione è resa possibile dal ricircolo di consistenti portate dall ossidazione/nitrificazione, in parte comunque necessarie per il recupero della biomassa dai sedimentatori finali. Quindi la portata del ricircolo condiziona il rendimento del processo di rimozione dell azoto: solo ciò che viene ricircolato può essere rimosso! Eseguendo un bilancio di massa dell azoto tra l ingresso e l uscita della sezione biologica (denitrificazione e ossidazione/nitrificazione, ammettendo la completa rimozione dell azoto nitrico ricircolato, si ricava l espressione: Q Q r C [ K] I [ K] [ O I ( BOD ] [ BOD ] 3] 0,05[ 5 [ O3 ] 5 Q r