MANUALE PER USO DEL PROGRAMMA DEF Questo programma di calcolo per impianti di depurazione a fanghi attivi ad ossidazione totale, è stato realizzato per aiutare il tecnico a progettare velocemente impianti con utenza che variano da circa 5 a 500 abitanti equivalenti; tuttavia non è escluso l utilizzo del programma per impianti di dimensioni più grandi, purché tale utilizzo sia supportato da una conoscenza approfondita della tecnica di depurazione; nel struttura di calcolo si è pensato di assistere tutti i parametri con l help. Di seguito riportiamo brevi note sul funzionamento di un impianto di depurazione a fanghi attivi ad ossidazione totale che costituiscono la base per l utilizzo corretto del programma e sono state prese per linee guida nella realizzazione del manuale. 1
I depuratori a fanghi attivi, ad ossidazione totale, sono costituiti da un reattore biologico aerato artificialmente, caratterizzati per essere composti da una vasca di ossidazione e da una di sedimentazione; l agente biologico preposto alla depurazione delle acque è in forma di fiocco di fango ( fango attivo) in libera sospensione nella massa del liquame (3-6 kg solidi/m 3 ) formatasi a seguito di aerazione artificiale, nella vasca di ossidazione ed all interno del quale vive un enorme numero di microrganismi, soprattutto batteri, che si nutrono e si riproducono a spese della sostanza organica apportata dal liquame. Contestualmente si verificano fenomeni di adsorbimento e bioflocculazione con conseguente rimozione per azione del fango attivo, delle sostanze colloidali e sospese. Al termine del processo di aerazione, il liquame passa alla sedimentazione finale dove i fiocchi di fango separati dal liquame e, in parte riciclati a monte per sfruttare l attività biologica degli stessi sul nuovo liquame in arrivo; quando la concentrazione del fango, nella vasca di ossidazione aumenta, parte di tale fango viene allontanato, come fango di supero. Pertanto lo schema classico di un impianto biologicoossidativo a fanghi attivi si può sintetizzare: Vasca di Vasca di Affluente Ossidazione sedimentazione Effluente Fango di ricircolo Fango di supero 2
L impianto a fanghi attivi si definisce a stabilizzazione completa del fango se si assume come carico del fango, un valore uguale o inferiore a 0,08 kg BOD 5 /kg SS x giorno, e si ottiene per via aerobica. La vasca di ossidazione è nello stesso tempo vasca di digestione dei fanghi ed il sistema prende il nome di impianto a fanghi attivi ad ossidazione totale. Tale sistema richiede maggiori quantitativi di ossigeno con tempi di esposizione all aria più lunghi e quindi vasche più grandi. Per contro il vantaggio è quello appunto di unificare in un unico processo e quindi in un unico manufatto il trattamento del liquame e del fango. Il sistema è valido solo per piccoli impianti e non per quelli grandi. L ossidazione totale prevede il trattamento del liquame grezzo (senza sedimentazione primaria, ma con un pretrattamento ). Per contro è necessario dimensionare molto largamente (4 6 ore di permanenza sulla portata media) la sedimentazione finale, date le caratteristiche di parte dei fanghi, in fiocco molto piccolo, detti a testa di spillo, di difficile sedimentazione. Le acque in uscita dagli impianti danno un notevole abbattimento del BOD 5. Il dimensionamento della vasca di ossidazione Il carico di fango attivo C f rappresenta il rapporto tra il carico organico volumetrico C ov ( espresso in kg BOD 5 /m 3 di vasca x giorno) ed il contenuto di sostanze secche del fango ( espresso in kf SS/m 3 di vasca): C f = C ov / kg BOD 5 /kg SS x giorno Il fango di supero F s è, per ciascun valore del carico del fango, il quantitativo in eccesso di sostanza secca per 3
corrispondente quantità di BOD 5 eliminato F s kg SS / kg BOD 5 eliminato Può essere espresso come kg di sostanze secche per giorno con: F ss = (Q g x E x x F s ) : 1000 kg SS / giorno Essendo: Qg E la portata giornaliera (m3/giorno) la forza del liquame (mg BOD 5 / litro) La portata del fango di supero Q fs o la portata di supero è il quantitativo di liquame che, dalla vasca di decantazione finale, viene avviato sulle aree di essiccamento o rimosso con altri sistemi. Il suo valore non supera normalmente il 3% della portata in arrivo ed è dato dalla seguente espressione: Q fs = F ss / (1000 x f) m 3 /giorno Essendo f = 0,5 2% il contenuto di sostanze secche del fango di ritorno. La portata di ricircolo Qr è la parte di liquame in arrivo che viene avviata dalla vasca di decantazione alla vasca di ossidazione ed è funzione della quantità di fango della vasca di ossidazione () e del contenuto di sostanze secche del fango (f). La percentuale di fango di ricircolo () è data dall espressione = 100 x / 10000 f - % da cui il ricircolo è Q r = Q s 4
L età del fango, espressa in giorni, esprime la qualità del fango che può essere totalmente o parzialmente stabilizzata. Essa rappresenta il rapporto Quantità di fango complessivamente presente nella vasca di digestione aerobica = ---------------------------------------------------------------- Quantità di fango di supero mediamente prodotta ogni giorno Il volume di ossidazione V si può determinare in funzione del tempo di aerazione T, una volta stabilito il tipo di impianto che si vuole dimensionare, e della portata giornaliera Qg V = T x Q p m 3 Wuhrman, ha determinato una curva di abbattimento del BOD5 in funzione del carico del fango. 5
La correlazione fra i vari parametri sono date dalle seguenti espressioni: = 1 / ( 1 + 0,2 C f ) ; Cf= 1-2 + 2 / 0,04 2 ; V = Q g x E / ( x 0,2 / 1 - ) 2 Fabbisogno di ossigeno Perché nella vasca di ossidazione possa avvenire il processo biologico con l azione di metabolismo funzione dell età e della velocità di crescita batterica in particolare del catabolismo di respirazione attiva e di respirazione endogena, occorre somministrare al liquame, in funzione del suo BOD 5, una certa quantità di ossigeno, che è contenuto nell aria e quindi bisogna somministrare una certa quantità di aria. In condizioni medie di pressione e temperatura, il peso specifico dell aria è di 1250 g/m 3 ed il suo contenuto di ossigeno di 280 grammi. Il consumo giornaliero di ossigeno (kg/d) può essere stabilito utilizzando la seguente formula: O 2 = z BOD 5rim/d + r e SS tot dove per liquami domestici: z è il coefficiente di respirazione attiva = 0,5; BOD 5rim/d è l ossigeno rimosso/giorno; r e è il coefficiente di respirazione endogena (d -1 ) = 0,1; SS tot solidi sospesi in aerazione. La somministrazione dell aria può essere effettuata tramite insufflatori d aria con diffusori a bolle fini, medie, grosse, utilizzando pompe soffianti, oppure con pompe sommerse 6
munite di tubo venturi o con serbatoi in pressione di ossigeno puro. L insufflazione dell aria avviene tramite tubazioni, nella massa liquida a mezzo di ossigenatori, disposti a diverse profondità, costituiti da strutture di diverso materiale (acciaio inox, plastica, ceramica), munite di fori, opportunamente disposti o di fenditure in modo che l aria proveniente dalla soffiante si possa frazionare in bolle di dimensioni diverse e quindi possa interessare tutta la massa del liquame od anche tramite tubo venturi. Naturalmente non tutto l ossigeno dell aria viene utilizzato, ma solo una parte di esso. Ogni ditta produttrice di tali ossigenatori dà i propri rendimenti di utilizzazione e le quantità di ossigeno che effettivamente si trasferiscono alla massa liquida del liquame. Naturalmente più tali diffusori sono profondi più aumenta la capacità di far assorbire dal liquame l ossigeno che risale verso la superficie aumentando quindi la resa d ossigeno. Di seguito riportiamo la tabella di alcuni ossigenatori più diffusi: Sistema di aerazione Aerazione a bolle fini ( < 1 mm ) Aerazione a bolle fini ( 1,5 3 mm ) Aerazione a bolle fini ( > 4 mm ) Ossigeno dell aria utilizzato 11 14 6 7 4 5,5 7
L immissione di quantità di ossigeno all interno della vasca deve essere superiore a quella teorica richiesta biologicamente per tener conto delle punte di carico, del tenore di O2 disciolto in vasca, della variazione di temperatura del liquame e dell efficienza del sistema di ossigenazione. Le prestazioni delle apparecchiature commerciali sono in genere riferite a condizioni standard di temperatura, pressione, concentrazione di ossigeno all arrivo. Tra i vari sistemi di aerazione uno è quello classico di cui sopra abbiamo riportato la tabella e riguarda la diffusione dell ossigeno a bolle fine, medie e grosse. La seconda riguarda l immissione attraverso l agitazione con mezzi meccanici mediante turbine verticali o rotori orizzontali. Abitante equivalente Per dimensionare un impianto di depurazione, tra i dati fondamentali che si devono introdurre è quello dell inquinamento prodotto; tale dato, per insediamenti con scarico di natura domestica o ad essa assimilata, deriva dal carico organico unitario pari a 60 g di BOD 5, per il numero di abitanti equivalenti presenti nell insediamento. - Per abitante equivalente si intende una persona che risiede nell insediamento, ovvero svolge tutte quelle funzioni proprie del vivere umano. - Per carico organico unitario di una sostanza inquinante si intende la quantità di ossigeno che bisogna ad essa somministrare per eliminare l inquinamento; tale dato rappresenta quindi la quantità di ossigeno che bisogno fornire al liquame per trasformare le sostanze organiche putrescibili in sostanze inorganiche imputrescibili. L unità di misura utilizzata è il BOD 5 8
- che rappresenta quindi la domanda biologica di ossigeno ovvero la quantità di ossigeno necessaria a degradare per ossidazione batterica le sostanze organiche presenti nel liquame. L indice 5 a fianco della sigla BOD significa che un liquame convenientemente aerato vede diminuire col tempo la - domanda di ossigeno per ridurre l inquinamento per i fenomeni suesposti; dopo 5 giorni tale riduzione è pari al 68,4% di quello calcolato a 20 gg ed a 20 C. La misura del BOD costituisce uno dei metodi più efficaci per identificare il grado di inquinamento di un liquame; essa rappresenta inoltre la misura finale del livello di depurazione conseguito con un impianto di trattamento. La legge 152/99 fissa il livello di inquinamento allo scarico per un impianto di trattamento pari a 40 o 20 mg di secondo BOD 5 a secondo che si tratti di scarichi in corpo ricettore o sul suolo. Abitante equivalente Casa di civile abitazione: 1 A.E. per ogni camera da letto con superficie inferiore a 14 mq; 2 A.E. per ogni camera superiore a 14 mq. Albergo o complesso ricettivo: come per le case di civile abitazione; aggiungere 1 A.E. ogni qual volta la superficie di una stanza aumenta di 6 mq oltre i 14 mq. Per le case di vacanza o per case in cui l utilizzo stagionale consente forti densità abitative, è opportuno riferirsi alla potenzialità massima effettiva prevedibile. Industrie o Laboratori artigiani: 1 A.E. ogni 2 dipendenti fissi o stagionali, durante la massima attività. 9
Uffici Commerciali: 1 A.E. ogni 3 dipendenti fissi o stagionali, durante la massima attività. Ristoranti e Trattorie: per il calcolo degli A.E. è necessario quantificare la massima capacità ricettiva delle sale considerando che una persona occupa circa 1,2 mq. Oppure calcolare il numero di coperti giornalieri se l attività è esistente. Al numero di clienti si deve sommare il personale dipendente. Ad ogni 3 persone risultanti dalla somma di cui sopra corrisponde 1 A.E.. Bar e Circoli Privati: come il punto precedente ma calcolando 1 A.E. ogni 7 persone. Cinema, Stadi e Teatri: ogni 30 utenti corrisponde 1 A.E.. Scuole: ad ogni 19 alunni, calcolati sulla massima potenzialità, corrisponde 1 A.E.. Consumi d acqua Nella progettazione di un impianto di depurazione, il secondo dato fondamentale, oltre quello dell inquinamento prodotto, è la conoscenza della quantità di acqua che viene utilizzata dal singolo abitante. Tali consumi idrici sono: Città con oltre 100.000 abitanti 350 litri/ab. Città con meno di 100.000 abitanti 250 litri/ab. Periferie urbane e campagna 10
I consumi idrici variano da paese e paese e per lo stesso paese da stagione a stagione; inoltre non tutta la quantità d acqua assunta viene rinviata alla fognatura,, una parte viene dispersa ed in genere si può considerare statisticamente che l 80% del consumo idrico procapite costituisce la portata di arrivo alla fognatura. Bisognerà poi tener conto che non tutti i quantitativi di liquame avviati alla fognatura sono immessi in quantità costanti; essi variano nell arco della giornata determinando una portata di punta che bisogna quantificare per un corretto proporzionamento dell impianto. Coefficiente di portata di punta La portata di punta è funzione del numero di abitanti e del tipo di fognatura utilizzata a secondo se la rete è mista o separativa ovvero se nella rete fognaria sono immesse anche le acque meteoriche o solo le nere. Rete separativa : La portata di punta o di progetto viene calcolata con la seguente formula: Q p = (Q g /24) x K m 3 /h Dove : Qg portata giornaliera K coefficiente di punta K = 3 per impianti fino a 1.000 ab. (la distribuzione della portata avviene nelle 8 ore ovvero Qp = Qg) K = 2,4 per impianti fino a 3.000 ab. distr. nelle 10 ore K = 2,0 per impianti fino a 5.000 ab. distr. nelle 12 ore 11
K = 1,7 per impianti fino a 7.500 ab. distr. nelle 14 ore K = 1,5 per impianti fino a 30.000 ab. distr. nelle 16 ore K = 1,3 per impianti fino a 125.000 ab. distr. nelle 18 ore K = 1,2 per impianti oltre i 125.000 ab. distr. nelle 20 ore Rete mista : La portata di punta o di progetto viene calcolata con la seguente formula: Q p = (Q g /24) x K + 0,5 (Q g /24) m 3 /h Dove i coefficienti considerati hanno lo stesso significato di cui sopra. Carico organico volumetrico è il rapporto tra il carico organico giornaliero Co ed il volume della vasca di ossidazione. In genere per piccoli impianti tale valore risulta costante e pari a: C ov = C o /V oss = 0.37 kg BOD 5 /m 3 x d Dove C o è il carico organico (unitario) per numero di AB. Eq. ovvero: Co = 60 x AB.Eq./ 1000 Attivazione del programma di calcolo Per avviare il programma dopo aver inserito il CD nell apposito vassoio occorre portarsi su Risorse del Computer e cliccare index; segue Installazione del programma DEF da cui si apre Download file ; a seguire: Esegui l applicazione da installazione corrente cliccare su OK 12
cliccare su SI A questo punto si apre Installazione DEF Facendo clic sul pulsante sottostante si ha Installazione completata. La parola chiave è del tipo: 31jkwe4-2ttjy2dfr40-xxzyy Una volta inserita fare clic su OK e confermare alla schermata successiva. Riavviare il programma Nella finestra principale la dizione Registrazione scompare Procedere al riavvio del programma cliccando su Def dal menù programmi e facendo quindi comparire la pagina Ingegneria Ambientale ; cliccando su Registrazione comparirà: La registrazione del prodotto viene fatta telefonando al n. 3339286843 oppure per E-mail: cometa.m@tiscalinet.it. Con la registrazione viene data una parola chiave che rende operative le funzioni: Salva, Stampa, Copia (sugli appunti). Per ottenere la parola chiave è necessario fornire il numero di codice del prodotto e del contratto; fornita la parola chiave premere OK e si avvia il programma. Nella pagina di apertura del programma compaiono una serie di pulsanti di apertura nuovo calcolo ed in particolare 13
è di rilevante importanza il pulsante Manutenzione che serve a ripristinare le funzioni di partenza anche quando si sbaglia a digitare. La successiva videata che appare è la finestra di trasmissione dati per il dimensionamento. Il programma ha una serie di dati preimpostati dove l utente può immettere solo il numero di abitanti equivalenti, la larghezza dell ossidazione e del decantatore e l eventuale altezza del decantatore. Il calcolo dell impianto prevede in basso a destra l eventuale introduzione della dimensione della lunghezza del modulo prefabbricato. Nel caso che la vasca di ossidazione e di sedimentazione debba essere costruita in opera la lunghezza del modulo può essere modificata rendendola uguale a quella che compare azionando Calcolo Def e quindi Mostra i risultati, sul finire della pagina. 14
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Nel calcolo compare il messaggio di proporzionare la portata della soffiante e tale dato viene fornito azionando Calcolo Def. Altro parametro importante per il corretto funzionamento dell impianto è il Tempo di stazionamento del liquame nel sedimentatore; da tale valore dipende la dimensione del sedimentatore poiché il tempo di permanenza del liquame può variare da 1,2 a 5 (dato che determina anche la velocità di risalita del liquame importante perché questa non deve superare il valore compreso tra 0,8 e 1,5 m/h). Tutte le finestre sono assistite dall help, cliccando con il pulsante destro si guida il progettista nella scelta dei valori e/o altrimenti si possono lasciare quelli scelti di base La finestra successiva illustra un esempio del funzionamento dell help. In questa figura è illustrata la videata completa dei parametri utilizzati pigiando il pulsante Altri Controlli: 16
Nel seguire la videata con tutti i controlli a disposizione il tecnico arriva a determinare l altezza del decantatore prima e successivamente l altezza dell ossidazione. In quest ultimo caso digitare un valore diverso da quello memorizzato fa comparire una finestra con la dicitura Aggiorna i valori ( Resa d ossigeno) e (Prevalenza soffiante). La resa d ossigeno è chiaramente dipendente dal modo di aerazione del liquame, dalla portata d aria per ossigenatore, dall altezza della colonna d acqua che sovrasta l ossigenatore. Chiaramente più è alta detta colonna e maggiore è la resa d ossigeno, come si può verificare con il pulsante dell help; per motivi fisici le micro-bollicine dovendo compiere un maggior tragitto all interno del liquor hanno maggior possibilità di essere assorbite. Il secondo parametro che si dovrà andare a modificare è la prevalenza della soffiante; chiaramente aumentando la 17
profondità dell ossigenazione dovrà essere maggiore la forza che la stessa soffiante dovrà compiere per spingere l aria all interno della massa liquida. Nel caso in cui saranno lasciati immutati tutti gli altri parametri, cliccando sul pulsante Calcola Def il programma esegue operazione di calcolo le quali porteranno alla verifica totale dell impianto oppure si potrebbe aprire una finestra in cui si legge: - La velocità di risalita del liquame è troppo alta> 1,2 m 3 /m 2 x h aumentare il tempo di stazionamento nel decantatore Tale problematica comporta come conseguenza un aumento del volume del decantatore in virtù dell aumento del tempo di stazionamento oppure il progettista può ritornare al parametro Altezza del decantatore per ripetere di nuovo tutto il calcolo. Nella prima ipotesi (aumentare il tempo di stazionamento) compare il pulsante Ricalcola. Se i parametri sono stati accettati comparirà una maschera dove sono illustrati oltre la larghezza, altezza e lunghezza della vasca di ossidazione, il valore di BOD 5 ed infine la Portata d aria necessaria Qtot. Tale valore dovrà essere verificato con quello che compare nella videata al penultimo pulsante sulla destra Portata d aria soffiante e nel caso sostituito con quello riportato digitando il nuovo valore. A questo punto Calcola Def attiverà un nuovo pulsante Mostra i risultati dove scorrendo con il cursore di destra saranno illustrati tutti i dati di calcolo ed i relativi risultati. 18
Nella sezione Dimensionamento di impianti sono riportate la relazioni generale (colonna sinistra C:\ PROGRAMMI\DEF\dati\relazione) e la relazione di calcolo di impianti tipo da 5 ab. eq. fino a 500. Tutti i dimensionamenti sono supportati da disegno grafico esportabile in Autocad. 19
COSTRUIRE UN IMPIANTO IN OPERA O AVVALENDOSI DI PREFABBRICATI IN COMMERCIO. Nella realizzazione di un progetto di impianto di depurazione si utilizzano nell ambito del programma, vari parametri geometri ; per questi, nel programma, sono stati standardizzati valori di base che possono essere modificati principalmente per adeguare la progettazione a spazi a disposizioni o a manufatti che si trovano in commercio. Tali valori sono: Larghezza ossidazione /decant. Altezza decantazione Altezza ossidazione e nell ultima riga Lunghezza modulo Nel programma sono stati inseriti valori di riferimento. 20
Il calcolo si esegue variando i parametri geometrici e tenendo conto che questi impianti sono di tipo compatto, hanno, cioè, la larghezza dell ossidazione e del decantatore uguali, variano invece nella misura dell altezza del ossidazione e del decantatore; tale ultimo parametro è importante poiché la sua modifica porta, insieme o separatamente al tempo di stazionamento, ad una riduzione della velocità di risalita del liquame; i due valori producono anche l effetto di un aumento del sedimentatore (come detto precedentemente). Alla definizione di detti parametri segue la fase di calcolo, che qualora sarà stata eseguita correttamente farà apparire in basso sulla destra (Lunghezza modulo - 2) il 2 rappresenta la lunghezza di un modulo prefabbricato di 2 m e di Larghezza delle dimensioni stabilite nella seconda casella in alto a sinistra con la voce (Larghezza ossi/decant). Da CALCOLA DEF compare la videata centrale 21
RISULTATI VOLUME DI OSSIDAZIONE - cliccando ora su OK si attiverà la casella VISUALIZZA RISULTATI. L attivazione della nuova pagina consentirà di verificare tutti i risultati ed in particolare a fine pagina risulteranno, prendendo ad esempio le dimensioni di un impianto da 10 ab/equiv.: --------------Dimensionamento Impianto----------------------- Altezza H2O reattore hh2o ossig. 1,90 m Larghezza OSSID/DECANT. loss/dec 1,10 m Larghezza MONOBLOCCO l monobloc 1,20 m Altezza Monoblocco h monobloc 2,20 m Lunghezza Ossid/Decant Ltot 1,20 m Lunghezza modulo Lmod 2,00 m Manufatti n. 0,6 BOD5 Uscita Impianto D 16,06 mg/l Ovvero il manufatto scelto delle dimensioni utili 1,10 x 2,00 non sarà utilizzato che per il 60% (Manufatti 0,6) ; tale risultato potrà essere modificato tornando al programma di calcolo e sostituendo nell ultima casella dove compare la voce Lunghezza modulo, le dimensioni effettive pari a quelle ottenute sopra alla voce Dimensionamento impianto Lunghezza Ossid/Dec. che nel ns caso è pari a 1,2 m. Alla nuova richiesta Mostra i risultati alla voce Manufatti comparirà n. 1. La tecnica del calcolo consente quindi di adattare manufatti in commercio che potranno essere utilizzati modificando le altezze dell ossidazione e del decantatore. 22