Capitoli 1 - Descrizione dell’impianto di Cairate
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1 DESCRIZIONE DEL IMPIANTO DI CAIRATE [VA]
1.1 LINEA ACQUE
L’impianto serve la popolazione di Cairate e dei comuni limitrofi ed le varie industrie
dislocate sul territorio. Realizzato nell’anno 1990 era stato dimensionato per servire 45.000
AE con un processo di nitrificazione e denitrificazione. L’impianto riceve del percolato di
discarica.
1.1.1 SOLLEVAMENTO
La portata di liquame misto (industriale ed urbano) è convogliata all'impianto dal
sistema fognario costituito da due collettori che si riuniscono in un pozzetto, da dove, dopo
aver subito una prima grigliatura grossolana (luce libera 50 mm) con pulizia manuale, si
avviano alla stazione di sollevamento. Quest'ultima è costituita da un manufatto in cui
alloggiano le coclee, che permettono una alimentazione costante dell'impianto. Dopo il
sollevamento i liquami passano attraverso la stazione di grigliatura fine (10 mm) realizzata
con una griglia ad arco munita di pettine sgrigliatore temporizzato, per ridurre al minimo le
perdite di carico. Il materiale grigliato è poi scaricato sopra un nastro trasportatore che a sua
volta lo deposita in un contenitore in lamiera (tipo cassonetto per rifiuti solidi) dopo essere
stato triturato.
1.1.2 DISSABBIATURA - DISOLEAZIONE
A valle della grigliatura fine si trova, in un unico manufatto, la dissabbiatura, la
preaerazione e la disoleazione. La sabbia è convogliata tramite un raschiatore in una
tramoggia da cui è estratta con pompe. Le sostanze oleose e quelle con densità minore
dell’acqua presenti restano in sospensione grazie alla spinta ascensionale provocata dall'aria
insufflata all'interno del bacino raggiungendo così per flottazione la superficie. Questi sono
poi rimossi da un pettine raschiatore superficiale e convogliati in un pozzetto di stoccaggio da
cui vengono evacuati periodicamente. L’insufflazione d’aria oltre alla suddetta funzione, ha
anche quella di favorire la preaerazione dei liquami che, dopo un lungo periodo trascorso
nelle fognature, possono presentare alcuni caratteri anaerobici.
Caratteristiche:
. numero di unità 1
. lunghezza 16 m
. larghezza 4 m
. sezione trasversale 9 m
2
. superficie 63,6m
2
. altezza cilindrica 1 m
. volume 143 m
3
Tabella 1.1: Parametri di funzionamento con portate di progetto
CARICO (
hmm ⋅
23
)
TEMPO (minuti)
VELOCITÀ ( sm )
Q
m
(698,4 m
3
/h) 10,9 12 0,0215
Q
p
(907 m
3
/h) 14 9,5 0,0280
Q
max
(1745 m
3
/h) 27,4 4,9 0,0539
Capitoli 1 - Descrizione dell’impianto di Cairate
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1.1.3 SEDIMENTAZIONE PRIMARIA
I liquami in uscita dalla dissabbiatura - disoleazione passano attraverso una tubazione
in cui è installato un misuratore di portata ad ultrasuoni e quindi arrivano all'opera
d’equiripartizione della portata su due linee distinte (è prevista la possibilità d’allargamento a
4 linee) e da lì raggiungono la sedimentazione primaria.
La sedimentazione primaria è ottenuta in bacini circolari grazie al lento movimento del
ponte raschiatore e all'immissione del fango di supero. Le schiume raccolte dalla raschia
superficiale vengono inviate ad un pozzetto specifico. I fanghi, che si raccolgono sul fondo
insieme a quelli di supero, sono convogliati, tramite una stazione di sollevamento, alla linea
fanghi. Attualmente, dei due in opera, solo un sedimentatore è in funzione allo scopo di non
abbattere eccessivo BOD, già basso in ingresso. In questo modo si evita di sottrarre BOD
necessario per le successivi fasi di degradazione biologica. L'acqua decantata si raccoglie in
una canaletta perimetrale e da qui confluisce in un pozzetto e successivamente al comparto
del trattamento biologico.
Caratteristiche unitarie dell'opera:
. numero di unità 2 di cui solo 1 in funzione
. larghezza (diametro) 22 m
. profondità 2 m
2
. superficie 380m
2
. volume 760 m
3
Tabella 1.2: Parametri di funzionamento con utilizzo di due unità (Q di progetto)
Portate per linea
TEMPO (h)
Q
m
(349,2 m
3
/h) 2h10’
Q
p
(453,5 m
3
/h) 1h40’
Q
max
(872,5 m
3
/h) 52’
Tabella 1.3: Parametri di funzionamento con utilizzo di una sola unità (Q di progetto)
TEMPO (minuti)
Q
m
(698,4 m
3
/h) 1h5’
Q
p
(907 m
3
/h) 50’
Q
max
(1745 m
3
/h) 26’
1.1.4 DENITRIFICAZIONE
Il trattamento biologico, suddiviso su due linee identiche, prevede una fase di
denitrificazione e una successiva ossidazione. Anche per questo comparto è prevista la
possibilità di un raddoppiamento.
La denitrificazione biologica avviene in 2 vasche in parallelo (linea 1 e 2) di identiche
caratteristiche, con al centro una piattaforma per il sostegno di 2 elettroagitatori per vasca. E'
prevista la possibilità di by-pass della fase biologica agendo su apposite paratoie
meccanizzate per evitare la perdita per trascinamento di biomassa nel caso di forti
precipitazioni.
Capitoli 1 - Descrizione dell’impianto di Cairate
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Caratteristiche unitarie dell'opera:
. numero di unità 2
. sezione bacino in pianta 22 x 11 m
. altezza d’invaso 4,2 m
. superficie 242 m
2
. volume utile 1040 m
3
Tabella 1.4: Parametri di funzionamento con portate di progetto
Portate per linea
TEMPO IDR. (h)
Q
m
(349,2 m
3
/h) 3h
Q
p
(453,5 m
3
/h) 2h20’
Q
max
(872,5 m
3
/h) 1h10’
Caratteristiche unitarie delle turbine per l’areazione:
. n° agitatori meccanici 4 (2 per linea)
. potenza specifica di agitazione 9 W/m
3
. potenza complessiva ( ) kW72,182m1040 W/m9
33
=⋅⋅
. ciclo di funzionamento 24 h
1.1.5 OSSIDAZIONE –NITRIFICAZIONE
Il comparto di ossidazione risulta composto da due vasche di uguale capacità. Le
vasche sono indipendenti, dotate di 3 aeratori a turbina superficiali a velocità variabili ognuna.
Per la scelta di scaricare il percolato della discarica di Gorla Maggiore solo sulla seconda
linea, all’inizio di quella vasca di ossidazione è stata montata una soffiante ad ossigeno
liquido a funzionamento temporizzato (funzione della concentrazione dell’ossigeno a metà
vasca). Le vasche vengono alimentate dalla denitrificazione a mezzo di stramazzi. Il liquame
in uscita si riunisce, confluisce ad un equiripartitore e alla successiva sedimentazione
secondaria.
Caratteristiche unitarie dell'opera:
. sezione bacino in pianta 33 x 11 m
. altezza d’invaso 4,2 m
. superficie 363 m
2
. volume utile 1450 m
3
Tabella 1.5: Parametri di funzionamento con portate di progetto
Portate per linea
TEMPO (h)
Q
m
(349,2 m
3
/h) 4h10’
Q
p
(453,5 m
3
/h) 3h10’
Q
max
(872,5 m
3
/h) 1h40’
Per l'ossigenazione del liquame sono stati scelti aeratori di superficie:
. numero unità = 6 turbine (3 per vasca)
. efficacia di trasferimento in condizioni standard = 1,7÷2,2 kg O
2
/ kW
assorbiti
. ossigeno trasferito in condizioni standard = 20÷30 kg O
2
/ h per aereatore
. velocità di rotazione = 50÷60 giri / minuto
. potenza fornita = ~ 30 W / m
3
. potenza complessiva
( )
33
30 W/m 1450 m 2 87 kW⋅⋅=
Capitoli 1 - Descrizione dell’impianto di Cairate
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Figura 1.1: Schema comparto biologico
1.1.6 SEDIMENTAZIONE FINALE
Nel comparto di sedimentazione finale sono decantati i fanghi attivi provenienti
dall'ossidazione. Tale operazione si svolge in due bacini circolari (con possibilità di
ampliamento a quattro). Il fango viene raschiato dal fondo e inviato ad un pozzetto di raccolta,
dal quale, tramite pompe sommerse viene riciclato in denitrificazione. Il gruppo di
sollevamento funziona sulla base di un ciclo temporizzato e la pompa è in grado di sollevare
al massimo 515 m
3
/h [12.360 m
3
/d] , in modo da assicurare una portata pari ad un ricircolo
del 100% circa della portata giornaliera di progetto di liquame grezzo influente nell'impianto.
Altre pompe ad immersione nello stesso pozzetto provvedono all'invio del fango di supero al
decantatore primario. Non essendo presente il ricircolo del mixed liquor, per mantenere un
carico di nitrati alto in denitrificazione, la portata di ricircolo è mantenuta costantemente a
12.360 m
3
/d.
Lo scarico dei liquami decantati si svolge per sfioro con doppio stramazzo dentato fissato
lungo la canaletta periferica in modo da avere un basso carico sullo stramazzo e quindi una
bassa portata lineare di sfioro riducendo così il rischio di trascinamento di fiocchi di fango.
Caratteristiche unitarie dell'opera:
. numero unità 2
. diametro 29 m
. altezza d'invaso 2,4 m
. superficie 560 m
. volume 1320 m
. carico specifico sullo stramazzo a Q
max
9,5 m
3
/ h · m
Tabella 1.6: Parametri di funzionamento con portate di progetto
Portate per linea
TEMPO (h)
Q
m
(349,2 m
3
/h) 2h50’
Q
p
(453,5 m
3
/h) 2h25’
Q
max
(872,5 m
3
/h) 1h30’
Capitoli 1 - Descrizione dell’impianto di Cairate
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1.1.7 DISINFEZIONE
Dai sedimentatori l’acqua confluisce in un pozzetto dal quale partono le tubazioni per
la disinfezione. È prevista la possibilità di aggiungere un ulteriore trattamento terziario come
la filtrazione.
La disinfezione avviene in un comparto costituito da 4 setti con flusso a pistone e
dosaggio di ipoclorito di sodio.
La vasca di contatto è stata dimensionata per un tempo di ritenzione di almeno 20' alla Q
max
.
Caratteristiche unitarie dell'opera:
. larghezza 7 m
. lunghezza 30 m
. altezza d'invaso 2,3 m
. volume 480 m
3
Il dosaggio dell’ipoclorito è assicurato da una pompa dosatrice da 0-100 l/h in grado di
dosare 8 g/m
3
di cloro. La pompa è regolata manualmente in base alle analisi. Il serbatoio di
stoccaggio della soluzione di ipoclorito è previsto per un periodo di circa 25 gg, con una
capacità di 20 m
3
.
L’acqua così depurata viene immessa tramite ruscellamento nel fiume Olona.
1.2 LINEA FANGHI
I fanghi misti primari e di supero prelevati dalla sedimentazione primaria sono inviati
alla fase d’ispessimento statico.
L'acqua surnatante stramazza in una canaletta ed è poi convogliata, insieme a quella derivante
dai successivi trattamenti (disidratazione meccanica e digestione) in testa all'impianto. I
fanghi ispessiti si raccolgono sul fondo e, da qui, vengono inviati al pozzetto di alimentazione
del digestore primario.
L’ispessitore è dotato di passerella di sostegno con dispositivo meccanico di raccolta
fanghi. Il ciclo di funzionamento avviene per una durata di 4 h/d ,dalle ore 10 alle 14, sia per
l'alimentazione dei fanghi misti che per l'estrazione dei fanghi ispessiti.
Caratteristiche dell'opera:
. diametro 9 m
. superficie 61,6 m
. profondità 3,5 m
. volume 215,6m
3
Tabella 1.7: Parametri funzionali di progetto
Tempo medio di ritenzione 1,1 giorni
SS tot in ingresso 3.930 kgSS/d
Flusso solido 63 kgSS/m
2
·d
Concentrazione fango estratto 50 kg/m
3
La fase di digestione anaerobica dell'impianto è composta da un digestore primario a
30°C e da un digestore secondario a freddo. Il digestore è dotato di pozzetto di alimentazione
Capitoli 1 - Descrizione dell’impianto di Cairate
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dei fanghi freschi miscelati ai fanghi di ricircolo preriscaldati per ottenere un'alimentazione a
temperatura il più costante possibile ed evitare shock termici ai fanghi. Mediante una valvola
posta sul pozzetto delle acque surnatanti, è possibile regolare il livello ed estrarre eventuali
schiume formatesi.
I fanghi digeriti vengono prelevati dal fondo della tramoggia tronco conica, inviati in un
pozzetto in modo da regolare la portata di efflusso, ed infine inviati al digestore secondario.
Il digestore primario è fornito di coibentazione per ridurre al minimo le perdite termiche. Il
ciclo di alimentazione ed estrazione avviene in 8 h/d ,dalle ore 9 alle 17. Sopra il livello
liquido si raccoglie il biogas formato che viene captato dal duomo di presa ed inviato ad un
gasometro. Il rimescolamento interno è effettuato tramite lo stesso gas biologico. Inoltre,
prima del suo utilizzo per il riscaldamento, viene compresso e reintrodotto al centro del
digestore consentendo così la miscelazione del liquido interno, favorendo la fuoriuscita del
biogas ed eliminando i problemi di crosta superficiale. Il riscaldamento dei fanghi, che
consente di mantenere all'interno del digestore la temperatura fissata a 30°C, è ottenuto fa-
cendo ricircolare la portata di fango attraverso uno scambiatore di calore, prelevandola diret-
tamente dal fondo del digestore e rimettendola nel pozzetto di carico.
Caratteristiche dell'opera:
. diametro 12,5 m
. altezza media d’invaso 8,40 m
. altezza totale 10 m
. volume utile 1100 m
3
Tabella 1.8: Parametri funzionali di progetto
Tempo di digestione 14 giorni
SS tot in ingresso 3.930 kgSS/d
Carico specifico 3,5 kg/m
3
·d
Concentrazione fango estratto 50 kg/m
3
I fanghi estratti confluiscono in un digestore secondario a freddo. Qui è ulteriormente
protratto il tempo di digestione risultando, quindi, ulteriormente spinti i processi di
stabilizzazione della sostanza organica presente nei fanghi. Inoltre si ottiene un ulteriore
ispessimento per gravità dei fanghi, la cui concentrazione finale può così essere aumentata. Il
digestore secondario è dimensionato per fungere da svincolo tra il ciclo depurativo ed il
comparto di disidratazione meccanica. Infatti, mentre il ciclo depurativo prosegue per sette
giorni alla settimana e per ventiquattro ore al giorno, il comparto di disidratazione lavora
cinque giorni la settimana e per sette ore al giorno .
Caratteristiche dell'opera:
. diametro 9,5 m
. altezza media d’invaso 7,20 m
. altezza totale 8,5 m
. volume utile 5500 m
3
Tabella 1.9: Parametri funzionali di progetto
Tempo di digestione 10 giorni
SS tot in ingresso 2.637 kgSS/d
Carico specifico 4,8 kg/m
3
·d
Concentrazione fango estratto 50 kg/m
3
Capitoli 1 - Descrizione dell’impianto di Cairate
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La produzione media di biogas è stata valutata dal progetto in rapporto alle sostanze volatili
ed è pari a 800 l/kg di materia organica digerita. Il biogas prodotto prima di essere inviato ad
un gasometro viene filtrato e desolforato per evitare problemi di corrosione. Il biogas uscente
dai digestori è costituito per il 60-70% di metano e per la restante parte di CO
2
e tracce di
H
2
O, H
2
S e NH
3
. Infatti l'H
2
S presente nel gas, reagisce con l'ossigeno a caldo (T superiore al
punto di rugiada) per formare SO
2
e SO
3
che con l’umidità possono formare i rispettivi acidi.
L'eliminazione del solfuro d'idrogeno viene realizzata mediante adsorbimento su speciali
resine cationiche, in torri, che devono essere periodicamente rigenerate. La desolforazione
avviene ad umido con a temperatura pari a 28-32°C e umidità pari a 30%. L'aria desolforata
può essere così inviata al successivo impianto di cogenerazione per la produzione di energia
elettrica.
I fanghi stabilizzati sono estratti dal digestore secondario e convogliati al trattamento
di disidratazione finale. La disidratazione meccanica è realizzata da una nastro-pressa.
L'alimentazione dei fanghi disidratati si svolge tramite una serie di nastri trasportatori che
convogliano i fanghi direttamente sui cassoni degli automezzi preposti al loro trasporto
all'esterno dell'impianto.
Come già accennato, per la rimozione dei surnatanti è presente una linea di raccolta
che li convoglia dai comparti di disidratazione, digestione e di ispessimento alla vasca di
sollevamento iniziale.
Capitoli 1 - Descrizione dell’impianto di Cairate
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SCARICO LIQUAMI
FANGO PALABILE
ESSICCAMENTO
MECCANICO
DIGESTIONE
ANAEROBICA
ISPESSIMENTO
DECANTAZIONE FINALE
OSSIDAZIONE
NITRIFICAZIONE
DISSABBIATURA
DESOLEATURA
Percolato
GRIGLIATURA
GROSSOLANA
SOLLEVAMENTO
GRIGLIATURA FINE
DECANTAZINOE PRIMARIA
DENITRIFICAZIONE
CLORAZIONE
ARRIVO LIQUAMI
SCHEMA A BLOCCHI
stazione di
campionamento
automatico
Capitoli 2 - Teoria cinetiche biologiche d’interesse dell’impianto
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2 TEORIA CINETICHE BIOLOGICHE D’INTERESSE DELL’IMPIANTO
2.1 NITRIFICAZIONE
2.1.1 CENNI TEORICI
Nei liquami urbani l'azoto è prevalentemente presente sotto forma organica, proteine e
urea contenute nelle urine. In entrambi i casi esso subisce un rapido processo di
ammonificazione ad azoto ammoniacale (
+
−
4
NHN ), che quindi costituisce la quasi totalità
dell'azoto presente all'ingresso dell'impianto. La rimozione dell'azoto richiede un trattamento
specifico composto da una fase di nitrificazione e di denitrificazione. Per nitrificazione si
intende l'ossidazione dei composti inorganici dell'azoto allo stato ridotto. Essa viene svolta da
batteri autotrofi, ovvero batteri in grado di utilizzare per la sintesi cellulare carbonio
inorganico ( es.
2
CO ) e di ottenere energia dall'ossidazione di ammoniaca (
3
NH ) e nitriti
(
2
NO ), usando l'ossigeno come accettore di elettroni. Nel trattamento delle acque
intervengono i batteri del genere Nitrosomonas, per l'ossidazione dell'ammoniaca a nitriti, e
del genere Nitrobacter, per l'ossidazione dei nitriti a nitrati (
3
NO ) secondo la reazione così
esprimibile in termini quantitativi:
3232275324
88,198,0041,1021,098,183,1 COHNOOHNOHCHCOONH ⋅+⋅+⋅+⋅→⋅+⋅+
−+
dove si considera la formulazione empirica della cellula batterica C
5
H
7
NO
2
.
Con questa reazione sono espressi i rapporti pesati complessivi per le reazioni di
ossidazione e di sintesi, da cui si deduce:
1. la necessità di una elevata fonte di ossigeno libero, calcolato, sulla base dei rapporti
stechiometrici, pari a 4,18 g di O
2
per 1 g di N-NH
4
+
ossidato;
2
++
4
32g O /mol 1,83mol g O
4,18
14g N-NH /mol 1mol g N-NH
⋅
=
⋅
(PM[N]=14 g/mol, PM[O
2
]=32 g/mol);
2. il consumo di 8.62 g di HCO
3
-
con la produzione di acido carbonico e la conseguente
diminuzione del pH;
-
33
++
44
61g HCO /mol 1,98mol g HCO
8, 62
14g N-NH /mol 1mol g N-NH
⋅
=
⋅
(PM[HCO
3
-
]=61 g/mol).
Importante per il dimensionamento e la gestione dei processi di degradazione dell'ammoniaca
a nitrati negli impianti di depurazione è la conoscenza della velocità di nitrificazione. Questa
è definita secondo la cinetica di Monod espressa in kg TKN kg SSN h⋅ con l'espressione :
()[]pH
ODK
OD
TKNK
TKN
vv
T
−⋅−⋅⋅
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
⋅
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
⋅=
−
2,7833,01)
ˆ
()(
)20(
ON
20NTN
ϑ
( 2.1 )
TN
)(v = velocità di nitrificazione. nelle reali condizioni operative ( T(°C), pH, OD, TKN).
20N
)
ˆ
(v = velocità massima di nitrificazione a 20°C, senza limitazione di substrato e a pH
ottimale in kg TKN kg SSN h⋅ .
ϑ = coefficiente di correzione relativo alla temperatura.
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