equalizzazione - omogeneizzazione

CORSO DI INGEGNERIA SANITARIA - AMBIENTALE
ESERCITAZIONE 1
(Prof. Ing. Giordano Urbini; Ing. Cristiana Morosini)
EQUALIZZAZIONE - OMOGENEIZZAZIONE
(BASI TEORICHE – ESEMPIO DI CALCOLO)
1. OBIETTIVI E CAMPI DI IMPIEGO
Il trattamento di equalizzazione – omogeneizzazione intende conseguire:
-
il livellamento delle punte di portata (equalizzazione);
-
il livellamento delle punte di inquinamento (omogeneizzazione).
Questi obiettivi servono per alimentare, nei processi di depurazione, dei liquami
sufficientemente costanti in qualità e portata, condizione necessaria per realizzare buone
efficienze di depurazione e stabilità di esercizio.
Questo vale per i processi chimico-fisici e, soprattutto, per i processi biologici
notoriamente molto sensibili alle variazioni di carico (quantitativo e qualitativo).
Il tipico campo di impiego è quello diffusissimo degli scarichi industriali con
lavorazioni discontinue nell’arco dell’intera giornata (concerie, tintorie, industrie
galvaniche ecc.).
Al fine di conseguire tali obiettivi, l’acqua di scarico viene raccolta in una vasca di
accumulo di capacità sufficiente a riportare la variabilità entro limiti sopportabili dai
processi di depurazione. Le vasche devono essere agitate allo scopo di impedire la
1
sedimentazione di materiali sospesi e aerate se le acque accumulate contengono
sostanze organiche putrescibili.
2. CRITERIO DI CALCOLO
Per il calcolo del volume che è necessario accumulare si può procedere in due modi:
-
Per via analitica.
Applicando alla Fig. 1 il bilancio sulle portate risulta:
∫
∆t
0
Q in ⋅ dt − Q out ⋅ ∆t = ∆V
dove:
− ∆t = intervallo di tempo nel quale si vuole realizzare l’equalizzazione
(usualmente 24 h);
− ∆V = volume da accumulare per realizzare l’equalizzazione.
-
Per via grafica.
Sia dato, ad esempio, uno scarico industriale con l’andamento di portata
rappresentato in Fig. 2. Trattasi di uno scarico di un’industria tessile-tintoria che
insiste solo nel periodo diurno (dalle ore 8 alle ore 17) e con andamento
sensibilmente variabile.
Si intende realizzare l’equalizzazione-omogeneizzazione nell’arco della giornata
(24 h/d).
Sulla base di questo grafico viene ricavato il grafico di Fig. 3 rappresentante il
volume progressivamente alimentato e quello progressivamente estratto nelle 24
ore giornaliere.
Dal grafico risulta che:
2
-
volume complessivamente alimentato nella giornata: 1.200 m3 (spezzata a tratto
continuo);
-
volume complessivamente estratto (a portata costante) nella giornata: 1.200 m3
(retta a tratto e punto);
-
∆V = V1 + V2 = 750 m3 (volume accumulato).
Per
calcolare
il
volume
effettivo
della
vasca
di
equalizzazione-
omogeneizzazione, dato che si rende necessaria l’agitazione per favorire l’intima
miscelazione ed il mantenimento in sospensione dei solidi, occorre sempre
considerare un “franco” di circa 1,0 ÷ 1,5 m d’acqua (variabile in dipendenza del
sistema di agitazione utilizzato):
Veq = ∆V + Vf
ove Vf rappresenta il volume corrispondente al “franco”.
Nel caso specifico, avendo calcolato ∆V = 750 m3, prevedendosi – ad esempio –
una vasca a pianta quadrata con altezza di escursione del liquido ∆H = 2,5 m,
risulta:
∆V
= 300 m 2 ;
∆H
-
superficie vasca: Svasca =
-
lato vasca: L vasca = Svasca = 17,3 m;
-
∆V = 750 m3;
-
volume relativo al “franco” (supposto di 1 m): Vf = Svasca ⋅1 m = 300 m 3 ;
-
volume effettivo della vasca di equalizzazione – omogeneizzazione:
Veq = ∆V + Vf = 1.050 m 3 .
Si prevede, pertanto, di installare una vasca di equalizzazione con le seguenti
caratteristiche:
-
Volume: Veq = 1.050 m3;
-
Altezza utile massima di liquido: Hu = 3,5 m;
-
Superficie: Svasca = 300 m2;
-
Lato: Lvasca = 17,3 m;
3
-
Tempo medio di ritenzione (a volume massimo = 1.050 m3):
Tr =
-
Veq
Q 24
=
1.050 m 3
= 21 h;
50 m 3 h
Tempo medio di ritenzione (a volume minimo = 300 m3):
Tr =
Veq
Q 24
=
300 m 3
= 6 h.
50 m 3 h
NOTA
Nell’esempio, il calcolo del bacino è stato fatto sulle portate (equalizzazione). Calcolo
analogo potrebbe essere fatto sui carichi inquinanti (omogeneizzazione).
Tuttavia, ai fini pratici, viene generalmente adottato il calcolo sulle portate sapendo che,
di solito, ne consegue anche un’adeguata omogeneizzazione.
3. SISTEMI DI AGITAZIONE - AERAZIONE
L’agitazione può essere effettuata con:
-
normali agitatori sommersi ad elica o a pala;
-
sistemi di aerazione.
Questi ultimi, oltre che agitare, provvedono alla fornitura di ossigeno, condizione
necessaria per i molteplici scarichi industriali a contenuto organico biodegradabile.
Si utilizzano indifferentemente:
-
aeratori meccanici superficiali (turbine) galleggianti;
-
sistemi a bolle (in particolare, onde evitare l’intasamento dei diffusori, sono
utilizzati sistemi a bolle medie o grosse come, ad esempio, i cannoni a bolle).
4
4. ESEMPIO DI CALCOLO
CALCOLO DI UN IMPIANTO DI DEPURAZIONE BIOLOGICA A
FANGHI ATTIVI AL SERVIZIO DI UN’INDUSTRIA TESSILE - TINTORIA
Si chiede di:
trovare il volume della vasca di equalizzazione e dimensionare gli altri principali
comparti dell’impianto nell’ipotesi che il volume venga scaricato 5 giorni a
settimana (grafico di Fig. 4).
A) DATI DI PROGETTO
-
Portata giornaliera: Qd = 1200 m3/d;
-
Portata oraria istantanea: vedere grafico allegato (Fig. 2);
-
BOD5: 180 ÷ 650 mg/l (range);
280 mg/l (valor medio giornaliero);
-
pH: 5,2 ÷ 7,5 (range);
7,0 (valor medio giornaliero);
-
TN = TKN: 9 ÷ 52 mg/l (range);
28 mg/l (valor medio giornaliero);
-
Scarico in acque superficiali.
Obiettivi di depurazione:
-
BOD5 ≤ 40 mg/l;
-
NO3- - N ≤ 20 mg/l;
-
SS ≤ 35 mg/l.
5
B) DIMENSIONAMENTO
Schema di processo
G
OX
CF = 0,1
EQ-OMO
I
SED
II
DISIN.
DISID.
SCHEMA DI IMPIANTO A “FANGHI ATTIVI” A CF = 0,1 AL SERVIZIO DI UN’INDUSTRIA
TESSILE-TINTORIA.
Si prevede lo schema di processo sopra riportato.
Al fine di realizzare un processo biologico a fanghi attivi stabile, oltre
all’inserimento della vasca di equalizzazione-omogeneizzazione, si prevede di
adottare un carico di fango di progetto CF = 0,1 Kg BOD5 / Kg SS ⋅ d, che
garantisce, appunto, una migliore stabilità di esercizio. Ne consegue anche una
semplificazione, a livello impiantistico, della linea fanghi.
6
LINEA LIQUAMI
Calcolo del volume della vasca di equalizzazione - omogeneizzazione
Dato che il processo biologico deve funzionare costantemente anche nel fine
settimana, è necessario realizzare l’equalizzazione sull’intera settimana (7d).
Il volume da attribuire alla vasca di equalizzazione si ricava per via grafica (Figura
4) ed è dato da:
∆V = V1 + V2 = 1.917 m3.
Consideriamo un “franco” di sicurezza di 1 metro d’acqua. Pertanto, supponendo
che la vasca di equalizzazione abbia pianta quadrata con altezza di escursione del
liquido ∆H = 2,5 m, si avrà:
∆V
= 767 m 2 ;
∆H
-
superficie vasca: S vasca =
-
lato vasca: L vasca = S vasca = 27,7 m;
-
∆V = 1.917 m3;
-
volume relativo al “franco” (supposto di 1 m): Vf = Svasca ⋅1 m = 767 m 3 ;
-
volume effettivo della vasca di equalizzazione – omogeneizzazione:
Veq = ∆V + Vf = 2.684 m 3 .
A favore di sicurezza, si sceglie di adottare: Veq = 2.800 m3.
Agitazione-Aerazione
Si prevede di installare un aeratore meccanico galleggiante di potenza assorbita pari
a 42 KW.
Risulta, a volume pieno, un input specifico di potenza pari a:
42 KW ⋅1.000 W KW
= 15 W m 3
3
2.800 m
L’input specifico di potenza, ovviamente, si incrementerà in condizioni di vasca
parzialmente piena.
7
Queste condizioni di input garantiscono la miscelazione completa e, quindi,
l’assenza di depositi di solidi in vasca.
L’uso di questo sistema di aerazione garantisce anche un’adeguata ossigenazione
(circa 2,5 Kg O2 /KWh) dei liquami.
Calcolo della portata media equalizzata
In seguito al processo di equalizzazione, in uscita dalla vasca ed in ingresso al
reattore biologico si avrà una portata media equalizzata Qout (si veda Figura 1),
ovvero costante sulle 24 h/d e su 7 d/settimana, che è rappresentata dalla pendenza
della retta a tratto e punto (volume estratto progressivamente a portata costante).
Tale portata risulterà pertanto:
Q out =
V 1.200 m 3 ⋅ 5 6.000 m 3
=
=
= 857 m 3 d
∆t
7d
7d
= 35,7 m 3 h
Calcolo dei carichi in ingresso in OX
Carico di BOD5 in OX:
Carico BOD5 = Q out ⋅ Sout = 857 m 3 d ⋅ 280 g m 3 = 239.960 g BOD5 d
≅ 240 Kg BOD5 d
Carico di TKN in OX:
Carico TKN = Q out ⋅ Sout = 857 m 3 d ⋅ 28 g m 3 = 23.996 g TKN d
≅ 24 Kg TKN d
8
Calcolo del volume V del reattore biologico
Si ipotizza che, a CF = 0,1 Kg BOD5 / Kg SS ⋅ d, corrisponda un rendimento di
depurazione biologica η (BOD5) = 95%. Per tale motivo, allo scarico, è attesa una
concentrazione media di BOD5 = 14 mg/l (limite allo scarico rispettato).
Si ipotizza, inoltre, una concentrazione di biomassa nel reattore biologico:
X = 4 Kg SS/m3.
V=
Q out ⋅ Sout
240 Kg BOD 5 d
=
= 600 m 3
3
X ⋅ CF
4 Kg SS m ⋅ 0,1 Kg BOD 5 Kg SS ⋅ d
Calcolo della portata di ricircolo q
Si ipotizza Xr = 8 Kg SS/m3 (scelta prudenziale).
Rapporto di ricircolo R
R=
q
X
4
=
=
= 1 = 100 %
Q out X r − X 8 − 4
Portata di ricircolo q
q = R ⋅ Qout = 35,7 m3/h
Calcolo della produzione di fango di supero biologico
Produzione specifica di fango di supero: W ⋅ Xr / Q ⋅ ∆S
Si ipotizza l’applicabilità della formula di calcolo:
W ⋅ Xr / Q ⋅ ∆S = ε ⋅ [Y – (b / η ⋅ CF)],
con:
9
− ε = 1,2 - 0,28 ⋅ CF;
− Y = 1;
− b = 0,05.
W ⋅ Xr / Q ⋅ ∆S = 0,55 Kg SS/Kg BOD5 rimosso
Produzione di fango di supero
W ⋅ X r = 0,55 ⋅ Q ⋅ ∆S = 0,55 ⋅ η ⋅ Q out ⋅ Sout = 0,55 ⋅ 0,95 ⋅ 240 Kg BOD 5 d =
= 125,4 Kg SS d
Portata di fango di supero
W = W ⋅ Xr / Xr = 125,4 (Kg SS/d) / 8 (Kg SS/m3) = 15,6 m3/d
Calcolo della fornitura di Ossigeno
Verifica della nitrificazione con il criterio dell’età minima del fango
Al carico di fango prescelto (CF = 0,1), si ha la certezza della nitrificazione
dell’ammoniaca in tutte le condizioni di temperatura del mixed-liquor (inverno: 1012°C; estate: 20°C).
Comunque, volendo effettuare la verifica con il criterio dell’età minima del fango
(θc,min), alla T estiva di 20°C si ha:
1
θ c,min
= 0,321⋅
1
θ c,min
OD
⋅ [1 − 0,833 ⋅ (7,2 − pH )]⋅1,123(T − 20 )
K O 2 + OD
= 0,321 ⋅
2
= 0,19 d −1 ⇒ θ c,min = 5,1 d
1,3 + 2
10
Nel calcolo si è ipotizzata una concentrazione di ossigeno disciolto nel reattore di 2
ppm e l’ininfluenza del pH (pH ≥ 7,2).
L’età del fango di progetto θc, corrispondente al valore CF = 0,1, vale:
θc =
V ⋅ X 600 m 3 ⋅ 4 Kg SS m 3
=
= 19,14 d
W ⋅ Xr
125,4 Kg SS d
θc risulta ampiamente superiore a θc,min e, conseguentemente, si ha nitrificazione.
Pertanto, nel calcolo del consumo di ossigeno, si dovrà tener conto anche di questo
contributo.
Analogamente, può essere calcolata l’età minima del fango alla temperatura
invernale: per T = 10°C, risulta θc,min = 16,4 d, a conferma del fatto che la
nitrificazione ha luogo anche a questa temperatura.
Carico di TKN nitrificato
Il carico di N rimosso per sintesi biologica è stimabile sulla base del classico
rapporto ponderale BOD5 / N / P = 100 / 5 / 1.
Quindi, essendo il consumo di BOD5 pari a 228 Kg BOD5/d (= 0,95 ⋅ 240 Kg
BOD5/d), il consumo di N risulta pari a:
BOD5 : N = 100 : 5 = 228 / 20 = 11,4 Kg/d.
Il carico di TKN nitrificato risulta pertanto:
carico di TKN alimentato – carico di N rimosso per sintesi biologica = 24 – 11,4 =
12,6 Kg/d.
Tale carico si ritroverà in uscita principalmente sotto forma di Azoto nitrico, con
una concentrazione pari a: 12,6 (Kg NO3- - N/d) / (857 m3/d) = 14,7 mg/l (rispettoso
del limite di legge).
11
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 O2/Kg BOD5);
β’ = 0,1 (Kg O2/Kg SS ⋅ d);
K = 1,3 (coefficiente di punta; si adotta questo valore K = 1,3 in ragione della
presenza di un efficiente sistema di equalizzazione in testa all’impianto in grado di
laminare le punte di portata).
Si ha, pertanto:
F’O2 = K ⋅ α’ ⋅ Q ⋅ ∆S + β’ ⋅ X ⋅ V + K ⋅ 4,57 ⋅ N = 1,3 ⋅ 0,5 ⋅ 228 + 0,1 ⋅ 4 ⋅ 600 +
1,3 ⋅ 4,57 ⋅ 12,6 = 148,2 + 240 + 74,8 = 463 Kg O2/d = 19,3 Kg O2/h.
Verifica dell’O.C./load
O.C./load = F’O2 / Qout ⋅ Sout = 463 (Kg O2/d) / 240 (Kg BOD5 alimentati/d) = 1,9
Fabbisogno di ossigeno in condizioni standard
(F' O2 )c.s. (Kg/d) =
F' O2 (Kg/d)
1,024
(T-20 ) (Cs - C )T
⋅
(Cs - C)
⋅φ
C.S.
Si ipotizza:
-
Massima temperatura di esercizio: 20°C (condizione più critica; a T = 20°C,
si ha Cs = 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).
12
(F' )
O 2 C.S.
=
463
= 739,5 Kg O 2 d = 30,8 Kg O 2 h
7,2
⋅ 0,8
9,2
Fornitura di aria
Si prevede di fornire l’ossigeno mediante l’impiego di diffusori a bolle.
Si ipotizza un rendimento ηoss. di trasferimento dell’ossigeno del 20%:
Q aria
(F )
=
'
O 2 C.S.
(Kg O 2 d )
ηoss. ⋅ 0,28 ⋅ 24 h d
= 550,2 Nm3 h
ove 0,28 (Kg O2 / Nm3 aria) rappresenta il peso di ossigeno in un Nm3 di aria.
Verifica della miscelazione completa
Con questa portata d’aria (Qaria), risulta una fornitura specifica di:
550,2 Nm3 h
= 0,92 Nm3 h ⋅ m 3 di reattore
3
600 m
Considerato che, per realizzare un sufficiente livello di miscelazione, occorre avere
una fornitura specifica di aria di almeno 1,2 Nm3/h ⋅ m3 di reattore, si rende
necessario fornire una portata d’aria pari a:
Q aria = 1,2 Nm 3 h ⋅ m 3 ⋅ 600 m 3 = 720 Nm 3 h
In questo caso, dunque, la verifica della miscelazione completa è risultata essere il
fattore limitante nel calcolo della fornitura d’aria.
Si prevede, pertanto, di installare:
13
-
n.2 soffianti (di cui una avente funzione di riserva) aventi ciascuna le
seguenti caratteristiche:
-
Portata d’aria: 720 Nm3/h;
-
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).
Calcolo della Sedimentazione Secondaria
Calcolo di superficie e volume complessivi
Si fissa un CIS di 0,6 m/h alla Qout.
Risulta:
S = Qout / CIS = 35,7 (m3/h) / 0,6 (m/h) = 59,5 m2
Si prevede di installare un decantatore circolare del diametro: D = 8,7 m.
Si sceglie un diametro commerciale: D = 10 m, cui corrisponde una superficie: S =
78,5 m2.
Si sceglie un’altezza utile d’acqua: H = 3 m.
Risulta, conseguentemente, un volume:
V = 78,5 (m2) ⋅ 3 (m) = 235,5 m3
Verifica del Tempo di ritenzione
Tr = V / Qout = 235,5 (m3) / 35,7 (m3/h) = 6,6 h
Verifica del Flusso Solido
FS = (Qout + q) ⋅ X / S = (35,7 + 35,7) ⋅ 4 / 78,5 = 3,6 Kg SS/m2 ⋅ h
14
Calcolo della lunghezza di stramazzo
Si suppone di realizzare uno stramazzo a denti di sega lungo tutta la circonferenza
esterna del decantatore. Si ha, pertanto:
L stramazzo = 10 ⋅ π = 31,4 m
Si verifica:
Carico sullo stramazzo = 35,7 (m3/h) / 31,4 (m) = 1,1 m3/h ⋅ m lineare
In definitiva si prevede di installare:
− n. 1 decantatore circolare a flusso radiale, meccanizzato;
− Diametro: D = 10 m;
− Altezza utile d’acqua: 3 m;
− Volume: 235,5 m3;
− Superficie: 78,5 m2.
Si prevedono, quindi, le seguenti condizioni operative:
− Tr alla Qout: V / Qout = 235,5 / 35,7 = 6,6 h;
− CIS alla Qout: Qout / S = 35,7 / 78,5 = 0,45 m/h;
− FS alla Qout + qricircolo: (Qout + q) ⋅ X / S = 3,6 Kg SS / m2 ⋅ h.
15
LINEA FANGHI
Ispessimento
Si sceglie (caso di solo fango attivo) il valore di FS = 20 Kg SS / m2 ⋅ d.
Si ha:
Carico di solidi in alimentazione
Caricoin = Qin ⋅ Conc.in = 15,6 m3/d ⋅ 8 Kg SS/m3 = 125,4 Kg SS/d
Calcolo di superficie e diametro dell’ispessitore
S=
Carico in
125,4 Kg SS d
=
= 6,3 m 2
2
FS
20 Kg SS m ⋅ d
Si suppone di installare N=1 ispessitore di diametro D = 2,8 m. Si decide di
realizzare un ispessitore commerciale meccanizzato (rastrelliera interna) del
diametro D = 3 m (S = 7,1 m2).
Calcolo del volume
Si fissa un’altezza utile d’acqua H = 3 m.
Risulta, conseguentemente:
V = 21,3 m3.
Si verifica il tempo di ritenzione Tr:
Volume
21,3 m 3
Tr =
=
= 33 h
Portata 15,6 m 3 d ⋅1 d 24 h
16
Calcolo della portata effluente
Q eff. =
Carico in 125,4 Kg SS d
=
= 4,18 m 3 d
3
Conc.out
30 Kg SS m
Disidratazione meccanica
Si prevede di installare N=1 centrifuga a tamburo, operante 5 h/d, per l’ottenimento
di una concentrazione di secco pari al 25%:
Q centrifuga
Q eff. 4,18 m 3 d
=
=
= 0,84 m 3 h
5h d
5h d
Si sceglie di installare una macchina avente capacità di 1 m3/h.
Per tale scopo, è previsto il condizionamento del fango con polielettrolita dosato
nella misura di 7,5 Kg/tonnellata SS.
17
Qin
EQ-OMO
Volume Veq
Q in − Q out =
Qout
dV
dt
Q in ⋅ dt − Q out ⋅ dt = dV
∫
∆t
0
Qin ⋅ dt − Q out ⋅ ∆t = ∆V
dove:
-
∆t = intervallo di tempo nel quale si vuole realizzare l’equalizzazione
(usualmente 24 h);
-
∆V = volume da accumulare per realizzare l’equalizzazione.
Fig. 1 – Calcolo del volume della vasca di equalizzazione–omogeneizzazione per via
analitica.
18
Fig. 2 – Andamento della portata relativa allo scarico di un’industria
tessile-tintoria.
19
Fig. 3 – Grafico del volume:
-
progressivamente alimentato (spezzata a tratto
continuo)
-
progressivamente estratto a portata costante (retta a
tratto e punto)
relativo allo scarico di un’industria tessile-tintoria.
20
Fig. 4 – Grafico del volume scaricato da un’industria tessiletintoria
nell’arco
di
5
l’equalizzazione: 7 giorni).
21
giorni
(∆t
previsto
per