CORSO DI INGEGNERIA SANITARIA - AMBIENTALE

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Modesto Di Giacomo
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1 CORSO DI INGEGNERIA SANITARIA - AMBIENTALE ESERCITAZIONI CALCOLO DELLA LINEA DI TRATTAMENTO DEI FANGHI DI UN IMPIANTO BIOLOGICO A FANGHI ATTIVI AL SERVIZIO DI UNA CITTA DI ABITANTI Si chiede di calcolare: - i principali comparti di: pre-ispessimento; digestione anaerobica; post-ispessimento; disidratazione meccanica dei fanghi. - recupero di energia; - produzione di fango disidratato. 1

000 ABITANTI Si chiede di calcolare: - i principali comparti di: pre-ispessimento; digestione

2 1. DATI DI PROGETTO Portata di fango misto (primario + supero biologico da fango attivo con C F 0, Kg BOD 5 / Kg SS d): 605,7 m /d; Contenuto di SS nel fango misto: %; SSV/SS 0,75. Obiettivi del trattamento: ottenimento di un fango disidratato (palabile) e tecnicamente stabilizzato. 2. DIMENSIONAMENTO Schema di processo Per il conseguimento degli obiettivi sopra evidenziati, si prevede uno schema di processo articolato nelle seguenti linee: linea di trattamento del fango: pre-ispessimento; digestione anaerobica; post-ispessimento; disidratazione meccanica. linea di recupero energetico: depurazione del gas; stoccaggio; recupero di energia in motori a gas; combustione di riserva in torcia. 2

DIMENSIONAMENTO Schema di processo Per il conseguimento degli obiettivi sopra evidenziati, si prevede uno schema di processo articolato nelle seguenti linee: linea di

3 LINEA DI TRATTAMENTO DEL FANGO Pre-ispessimento Scopo dell ispessimento è l addensamento del fango, la cui concentrazione di solidi viene incrementata dal % circa in alimentazione ( 0 Kg SS/m ) al 6% circa in uscita ( 60 Kg SS/m ). Gli ispessitori vengono dimensionati in analogia ai sedimentatori. Tuttavia, il parametro che ha maggior incidenza è il Flusso Solido FS, mentre ha scarso significato il Carico Idraulico Superficiale CIS ed importanza relativa ha lo stesso Tempo di Ritenzione Idraulica Tr. Nella Tabella 1 sono indicati i valori tipici di Flusso Solido per il dimensionamento degli ispessitori. Nel caso specifico, si sceglie il valore di FS 80 Kg SS / m 2 d. Si ha: Carico di solidi in alimentazione: Carico in Q in Conc. in 605,7 m /d 0 Kg SS/m Kg SS/d Calcolo di Superficie e Diametro dell ispessitore: Carico FS Kg SS d 80 Kg SS m d in S 2 227,14 m 2 Si suppone di installare N2 ispessitori (ciascuno avente superficie S 11,57 m 2 ) per i quali risulta un Diametro D 12,02 m. Si decide di realizzare un ispessitore commerciale meccanizzato (rastrelliera interna) del Diametro D 12 m (S 11,1 m 2 ). Calcolo del Volume: Si fissa un altezza utile d acqua H m.

Tuttavia, il parametro che ha maggior incidenza è il Flusso Solido FS, mentre ha scarso significato il Carico Idraulico Superficiale CIS ed importanza relativa ha lo stesso Tempo di Ritenzione

4 Risulta, conseguentemente: - V totale 678,6 m ; - V singolo ispessitore 9, m. Si verifica il tempo di ritenzione Tr. Il Tr ha significato soprattutto in ordine al rischio di insorgenza di attività biologiche anaerobiche con conseguente emissione di odori molesti. Per contenere questo rischio, è bene che il Tr del fango sia inferiore alle 24 h 0 h circa. Volume 678,6 m Tr Portata 605,7 m d 1 d 24 h 26,8 h Nel caso specifico, la verifica risulta positiva. Calcolo della Portata effluente: Q Carico Conc Kg SS d 60 Kg SS m in eff. out 02,8 m d 4

molesti. Per contenere questo rischio, è bene che il Tr del fango sia inferiore alle 24 h 0 h circa.

5 Digestione anaerobica Si prevede di realizzare una digestione riscaldata (5 C) e agitata per favorire la cinetica del processo biochimico. Il rendimento del processo è governato dal tempo di ritenzione idraulica Tr (coincidente, per questo sistema, con l età del fango Θ c ). Popel indica i valori di Tr Θ c da assumere per ottenere una stabilizzazione tecnica del fango. Tali valori, che sono funzione della temperatura di esercizio, permettono di effettuare il dimensionamento dei digestori ( calcolo del Volume) se inseriti nella seguente formula: V Tr Q in ( m ) ( m d) dig ,0 T con T temperatura in C. Per una temperatura T di 5 C, Popel suggerisce di assumere Tr 15,6 d. A scopo cautelativo (Tr acquista significato anche in rapporto alla possibilità di assorbire shock di carico organico e shock tossici), il dimensionamento viene effettuato sulla base di un tempo Tr 20 d. Con Tr 20 d, risulta: - Volume complessivo di digestione: V totale 02,8 m /d 20 d m - Volume di ciascun digestore (ipotesi: N2 digestori): V singolo digestore.028 m 5

Popel indica i valori di Tr Θ c da assumere per ottenere una stabilizzazione tecnica del fango.

6 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 Kg SS/d 0,75 Kg SSV / Kg SS Kg SSV/d - Carico di SSV rimossi: Carico SSV rim Kg SSV/d 0, Kg SSV/d - Carico di SSV residuo (in uscita): Carico SSV out ( ) Kg SSV/d Kg SSV/d - Carico di SS in uscita dalla digestione: Carico SS out 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: Kg SS d SS 8,4 Kg SS m,84% 02,8 m d - Rapporto SSV/SS in uscita: SSV Carico SSV residuo Kg SSV d 0,61 SS Carico SS residuo Kg SS d 6

541) Kg SSV/d 7.087 Kg SSV/d - Carico di SS in uscita dalla digestione: Carico SS out 18.171 Kg SS/d 6.541 Kg SSV/d 11.

7 Post-ispessimento Si adotta un FS di progetto di 72 Kg SS/m 2 d. Risulta: - Superficie totale: Carico FS Kg SS d 72 Kg SS m d in S tot 2 161,5 m 2 Si ipotizza di avere N2 ispessitori, per cui si avrà: - Superficie di ciascun ispessitore: S singolo ispessitore 80,75 m 2 - Diametro di ciascun ispessitore: D singolo ispessitore 10,14 m Si adottano due ispessitori commerciali del Diametro D 10 m. Si ipotizza di realizzare in uscita una concentrazione di SS dell 8% ( 80 Kg SS/m ). Pertanto si avrà: Q Carico Conc Kg SS d 80 Kg SS m in eff. out 145,4 m d 7

singolo ispessitore 80,75 m 2 - Diametro di ciascun ispessitore: D singolo ispessitore 10,14 m Si adottano due ispessitori commerciali del

8 Disidratazione meccanica dei fanghi Si prevede di utilizzare un sistema di nastropressatura che consente l ottenimento di una concentrazione di secco pari al 25% 0% (Ipotesi di progetto: 27%). Per la disidratazione, si prevede il condizionamento del fango con polielettrolita dosato nella misura di 1,5 2,5 g/kg SS. Il dimensionamento della nastropressa viene effettuato sulla base del carico lineare ( carico per metro di larghezza del nastro filtrante) di SS. Valori tipici utilizzati in progettazione appartengono al range Kg SS/h m lineare di nastro. Adottando il valore di 450 Kg SS/h m e prevedendo un funzionamento giornaliero di 6 h/d, risulta: - Larghezza del nastro: Carico in Kg SS d Larghezza nastro 4, Ore utili Carico lineare 6 h d 450 Kg SS h m m Si adotta una larghezza commerciale di nastro di 5 m. Si prevede (in via prudenziale) di installare N nastropresse (di cui 1 di riserva), aventi ciascuna le seguenti caratteristiche: - Larghezza del singolo nastro: 2,5 m; - Portata in alimentazione alla singola nastropressa: 145,4 (m /d) / 2 72,7 m /d; - Concentrazione di SS in alimentazione: 8%; - Concentrazione di SS in uscita: 27%. 8

Il dimensionamento della nastropressa viene effettuato sulla base del carico lineare ( carico per metro di larghezza del nastro filtrante) di SS.

9 LINEA DI RECUPERO ENERGETICO Si prevede lo schema semplificato riportato in allegato. 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 5.22,8 Nm /d Si verifica la produzione specifica, ovvero quella relativa agli abitanti serviti dal depuratore: Produzione proc. 5.22,8 Nm d ab 0,0262 Nm ab d 26,2 Nl ab d La verifica risulta soddisfatta in quanto valori tipici della produzione specifica sono compresi nel range 25 0 Nl/ab d. Si prevede un contenuto medio nel biogas secco di: - CH 4 70%; - CO 2 0%; - PCI Kcal/Nm. Calcolo del recupero energetico: Si suppongono i seguenti recuperi di energia attraverso la combustione del biogas nei motori a gas: - recupero di energia termica come acqua calda (80 C): 48% (raffreddamento della camicia dei motori e raffreddamento dei fumi dei gas di scarico combusti); - recupero di energia elettrica: 0%. 9

22,8 Nm /d Si verifica la produzione specifica, ovvero quella relativa agli abitanti serviti dal depuratore: Produzione proc. 5.22,8 Nm d 200.

10 Carico energetico associato al biogas in alimentazione ai motori: Carico Portata Q di biogas PCI 5.22,8 Nm Kcal d; , Kcal h. d Kcal Nm Potenza ed energia elettrica recuperata: 1 KW Potenza , Kcal h 0, 452, Kcal h KW Energia 452,54 KW 24 h d ,96 KWh d Motori a gas installati: Si prevede di installare N5 motori a gas (di cui 1 di riserva) aventi ciascuno potenza pari a 11,15 KW (potenza commerciale di 115 KW). 10

860,96 KWh d Motori a gas installati: Si prevede di installare N5 motori a gas (di cui 1 di riserva) aventi

11 * Wastewaters Engineering; ** Sludge Treatment and Disposal (EPA). Tabella 1 Flusso solido per il dimensionamento degli ispessitori. 11

12 SCHEMA SEMPLIFICATO DI LINEA DI TRATTAMENTO FANGHI Fango misto (primario + supero biologico) estratto dal SED.I Pre-ispessimento Digestione anaerobica Post-ispessimento Disidratazione meccanica 12

13 SCHEMA SEMPLIFICATO DI LINEA DI RECUPERO ENERGETICO Torcia di riserva Biogas Depurazione Gasometro Motori a gas Energia Elettrica Acqua calda (80 C) inviata al riscaldamento dei digestori e degli edifici 1

Motori a gas Energia Elettrica Acqua calda (80 C)

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