Controllo dell inquinamento delle acque superficiali Prof. Ing.. Leonardo Tognotti Dipartimento di Ingegneria Chimica, Università di Pisa Sommario Schemi generali di trattamento delle acque reflue Trattamenti primari, specifici, secondari, terziari e dei fanghi Fenomeni di trasporto di inquinanti in acque superficiali Modelli di qualità fluviale Politecnico di Torino Pagina 1 di 23
Interventi di riduzione della emissione inquinante Sistema di abbattimento degli inquinanti Sistema di dispersione dell emissione inquinante Dispersione e trasformazione nell ambiente SORGENTE INQUINANTE EMISSIONE EMISSIONE RESIDUA IMMISSIONE INQUINANTE Sistemi di protezione del ricettore RICETTORE EFFETTI Sistemi di trattamento e smaltimento dei residui RESIDUI DEI TRATTAMENTI Schemi generali di trattamento (1) Un impianto industriale generalmente produce diverse correnti di acque di rifiuto: acque di processo inquinate, acque di lavaggio di tubazioni e serbatoi, spurgo di circuiti di raffreddamento, acque meteoriche provenienti da aree inquinate da sversamenti o da polveri. Politecnico di Torino Pagina 2 di 23
Schemi generali di trattamento (2) Le correnti possono essere: trattate separatamente e riutilizzate nell'impianto, combinate e trattate in un impianto di depurazione autogestito, convogliate e trattate in impianti consortili o pubblici Schemi generali di trattamento (3) Criteri di scelta per la realizzazione del sistema di trattamento: valutazioni tecnico-economiche, caratteristiche dello scenario in cui l'impianto si colloca. Politecnico di Torino Pagina 3 di 23
Schemi generali di trattamento (4) I parametri da considerare sono: composizione, concentrazioni e portate delle acque di rifiuto, limiti di legge vigenti per lo scarico in corsi d'acqua, laghi o mare, disponibilità di acqua del sito, Schemi generali di trattamento (4) possibilità di riciclo delle acque all'impianto, possibilità di convogliare alcune correnti a impianti di trattamento esterni. Politecnico di Torino Pagina 4 di 23
Trattamento acque: considerazioni preliminari (1) Limitazione dell'intervento di depurazione mediante modifiche del processo produttivo: - riduzione della portata delle acque di rifiuto mediante adeguati ricicli. Esempio gli zuccherifici italiani: da 1.5-1.8 m 3 a 0.15-0.20 m 3 di acqua di rifiuto per 100 kg di barbabietola lavorata; Trattamento acque: considerazioni preliminari (2) Limitazione dell'intervento di depurazione mediante modifiche del processo produttivo: -eliminazione di sostanze nocive sostituendole con altre meno nocive, o recuperandole o riutilizzandole (es( es. rigenerazione di resine a scambio ionico con soda anzichè con ammoniaca) Politecnico di Torino Pagina 5 di 23
Trattamento acque: considerazioni preliminari (3) Necessità di predisporre il sistema fognario in modo da: - mantenere separate le correnti di acqua di rifiuto da sottoporre a trattamenti specifici. Trattamento acque: considerazioni preliminari (4) -convogliare a parte le acque meteoriche, prevedendo la depurazione delle acque di prima pioggia, provenienti da aree inquinate per sversamenti di liquidi (ad esempio piazzali di carico), deposito di polveri, etc. Politecnico di Torino Pagina 6 di 23
ACQUE INQUINATE TRATTAMENTO SPECIFICO TRATTAMENTO DEI FANGHI RESIDUI SOLIDI TRATTAMENTO PRIMARIO TRATTAMENTO SECONDARIO TRATTAMENTO TERZIARIO ACQUE DEPURATE Trattamenti specifici Si hanno all'uscita del reparto in cui l'effluente è prodotto. Abbattono inquinanti specifici,, prima che essi siano diluiti con acque di rifiuto di altri reparti. Politecnico di Torino Pagina 7 di 23
Esempi: Trattamenti specifici (2) abbattimento dei metalli pesanti, ossidazione chimica di sostanze non biodegradabili, stripping di vapori organici o di ammoniaca, etc... Trattamenti primari L'effluente subisce alcuni trattamenti di sgrossatura, non sufficienti a produrre un effluente in specifica, necessari per un corretto funzionamento dei trattamenti successivi. Politecnico di Torino Pagina 8 di 23
Trattamenti primari (2) Si possono avere: compensazioni di portata e concentrazione degli inquinanti; neutralizzazione; trattamento chimico-fisico di coagulazione e flocculazione; separazione solido-liquido per mezzo di sedimentazione, flottazione, filtrazione. Trattamento secondario (biologico) L'effluente subisce un trattamento biologico (solitamente aerobico) ) che produce l'abbattimento del BOD (COD). Si ottengono rimozioni anche di azoto, fosforo e solidi sospesi, che però possono necessitare di ulteriori trattamenti per entrare in specifica. Politecnico di Torino Pagina 9 di 23
Trattamento secondario (biologico) (2) I trattamenti possono essere di sgrossatura e/o finali a seconda delle soluzioni di processo e impiantistiche (vasche aerate in diverse configurazioni, letti percolatori, biodischi., etc...) Trattamenti terziari trattamenti di finitura per entrare in specifica su tutti gli inquinanti. con particolare riferimento a: nitrificazione e denitrificazione,, per la rimozione dell'azoto; defosfatazione,per l'eliminazione del fosforo; Politecnico di Torino Pagina 10 di 23
Trattamenti terziari (2) filtrazione,, per l'eliminazione dei solidi sospesi rimasti; disinfezione,, per l'eliminazione dei microrganismi patogeni; adsorbimento con carboni attivi, per l'eliminazione delle sostanze non biodegradabili. Trattamenti dei fanghi La natura dei fanghi (composizione a prevalenza organica, inorganica o mista) deriva dalla struttura complessiva del processo depurativo. I fanghi necessitano di ulteriori trattamenti prima di poter essere definitivamente smaltiti. Politecnico di Torino Pagina 11 di 23
Trattamenti dei fanghi (2) ispessimento,, per aumentare il tenore in solido; stabilizzazione,, per ridurre il contenuto in microrganismi disidratazione,, meccanica (centrifugazione, filtri e nastro presse) o termica (essiccatori). Scopo: ottenere fanghi inerti facilmente trasportabili al recapito finale o riutilizzabili. Schema impianto depurazione civile grigliatura sedimentazione primaria ossidazione sedimentazione secondaria ispessitore dissabbiatura aria biogas filtro pressa scarico digestore anaerobico ispessitore fango disidratato Politecnico di Torino Pagina 12 di 23
Interventi di riduzione della emissione inquinante Sistema di abbattimento degli inquinanti Sistema di dispersione dell emissione inquinante Dispersione e trasformazione nell ambiente SORGENTE INQUINANTE EMISSIONE EMISSIONE RESIDUA IMMISSIONE INQUINANTE Sistemi di protezione del ricettore RICETTORE EFFETTI Sistemi di trattamento e smaltimento dei residui RESIDUI DEI TRATTAMENTI Il Processo d'inquinamento Gli inquinanti emessi da una sorgente vengono immessi nell'ambiente dove si propagano con velocità e per distanze che dipendono dal tipo d'inquinante e dalle circostanze, variando di concentrazione e subendo trasformazioni fisiche, chimiche e biologiche. Politecnico di Torino Pagina 13 di 23
Fenomeni di trasporto in acque superficiali- 1 I fenomeni di trasporto degli inquinanti nelle acque superficiali sono legati a convezione diffusione reazione delle sostanze chimiche disciolte o sospese nell acqua Fenomeni di trasporto in acque superficiali: convezione Quando una sostanza chimica viene immessa in un fiume, il suo centro di massa si sposta a valle con una velocità pari alla velocità media del fiume e con un tempo di permanenza medio nel tratto di fiume considerato, dato da t = L/v x=0 t =0 v fiume Politecnico di Torino Pagina 14 di 23
Fenomeni di trasporto in acque superficiali: reazione Relazioni di questo tipo vengono utilizzate per stime dei tempi di permanenza di alcune sostanze chimiche nei fiumi, in relazioni alle loro velocità di trasformazione chimica. n r i = k C i Fenomeni di trasporto in acque superficiali: diffusione Un inquinante immesso in un fiume subisce fenomeni di dispersione dovuti a diffusione turbolenta E causata dal moto irregolare dell'acqua e dalla non uniformità della velocità del fiume Politecnico di Torino Pagina 15 di 23
Fenomeni di trasporto in acque superficiali: diffusione + convezione Dispersione degli inquinanti nei fiumi: estremamente lenta se affidata solamente ai meccanismi diffusivi: se il fluido è in movimento, gli effetti convettivi possono contribuire alla dispersione della sostanza in esame, riducendo i tempi di ordini di grandezza diffusione diffusione + convezione 6 10 Diffusione turbolenta: orizzontale 4 10 2 10 0 10-2 10-4 10 10-6 -8 10-10 10 Diffusione turbolenta: verticale Diffusione molecolare sali e gas in acqua proteine in acqua Diffusione termica sali in acqua Soluti ionici in mezzi porosi COEFFICIENTI DI DIFFUSIONE(cm /sec) 2 Politecnico di Torino Pagina 16 di 23
Coefficienti di diffusione - 2 Fiume Profondità (m) Larghezza (m) Velocità (m/s) Coefficiente di dispersione (m2/s) Sacramento 3.9-0.5 14.9 Missouri 2.6 198 1.6 1480 Yuma Mesa 3.4-0.67 0.76 Clinch 2.06 52 0.78 47.1 John Day 2.43 33.6 0.81 65 Modelli di qualità fluviale - 1 Sono utilizzati, in generale, modelli dinamici monodimensionali Il sistema di equazioni che risulta si basa sul principio di conservazione della generica grandezza c i ed ha la forma ACCUMULO = INGRESSO - USCITA + GENERAZIONE Politecnico di Torino Pagina 17 di 23
Modelli di qualità fluviale - 2 (A x c i t ) + (A x u c i ) x = x Ł A x D L c i x + ł A x r dove: A x = sezione di flusso u = velocità media nella sezione D L = coefficiente di dispersione assiale r i = velocità di produzione (o scomparsa) di c i Modelli di qualità fluviale - 3 Forme simili dell'equazione (1) si utilizzano per esprimere la conservazione della massa e della quantità di moto (sottomodello( idraulico) la conservazione dell'energia termica (sottomodello termico) il bilancio dei vari componenti chimici/biochimici considerati (sottomodello biochimico). Politecnico di Torino Pagina 18 di 23
Modelli di qualità fluviale - 4 Le interazioni tra i vari sottomodelli permettono una soluzione sequenziale del sistema modello idraulico modello termico modello biochimico Modello biochimico Processi di degradazione delle sostanze inquinanti presenti nelle acque superficiali: trasformazione o in altre sostanze chimiche (inquinanti( secondari) o in composti inorganici (mineralizzazione). Politecnico di Torino Pagina 19 di 23
Modello biochimico In un fiume avvengono reazioni chimiche e biochimiche complesse catalizzate dalla presenza di enzimi prodotti dalla flora batterica presente nelle acque residui organici ossigeno atmosferico luce batteri ossigeno disciolto sali nutrienti fitoplancton cibo cibo detriti escrementi organismi morti zooplancton escrementi organismi morti pesci cibo Politecnico di Torino Pagina 20 di 23
Modello biochimico Le trasformazioni mediate da microorganismi (batteri e funghi) vengono dette biodegradazioni e possono avvenire in presenza d'aria (aerobiche( aerobiche) o in mancanza d'aria (anaerobiche( anaerobiche). processi aerobici: formazione di CO 2 e di prodotti stabili (SP, come solfati (SO 4 ), ortofosfati (PO 4 ) e nitrati (NO 3 )) microorganismi BOD + O 2 fi CO 2 + H 2 O + NC + SP Modello biochimico Ipotesi: la velocità di decomposizione delle sostanze organiche è proporzionale alla loro concentrazione: MOt: : quantità di ossigeno richiesto ancora da consumare per degradare le sostanze organiche, reazione del primo ordine: dmot = - dt k MOt Politecnico di Torino Pagina 21 di 23
Modello biochimico che ha soluzione MOt = MO0 e -kt dove MO 0 rappresenta la quantità totale di ossigeno richiesta dai microorganismi per ossidare i composti organici a CO 2 e H 2 O Modello biochimico MOt + BODt = MO 0 BOD t = MO0 (1 - e -kt ) da cui: MOt MO 0 BODt MO 0 tempo tempo Politecnico di Torino Pagina 22 di 23
Il consumo dell'ossigeno disciolto nelle acque superficiali dipende anche dalla degradazione di sostanze azotate. BOD mg/l 0 5 10 15 20 25 30 Giorni Modello biochimico La costante di degradazione dipende dalla temperatura secondo la relazione k = k 20 q ( T -20) dove k 20 è il valore della costante a 20 C. Valori tipici: k k = 0.35-0.70 die -1 scarichi non trattati k k = 0.10-0.25 die -1 scarichi trattati Politecnico di Torino Pagina 23 di 23