Ampliamento di un impianto di denitrificazione-nitrificazione: simulazioni mediante software con e senza la denitrificazione "aerobica"

Introduzione
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e, attraverso la calibrazione dei coefficienti cinetici del modello matematico di
simulazione e assumendo delle ipotesi su alcune caratteristiche qualitative
dell’influente non disponibili (come il frazionamento del COD nelle sue componenti
solubili, sospese, biodegradabili e inerti), si è cercato di far avvicinare i risultati
ottenuti a quelli delle serie storiche del liquame in uscita.
La seconda parte consiste nella simulazione dell’impianto “raddoppiato”, utilizzando
i parametri calibrati attraverso la taratura precedente. Sono stati posti al vaglio
diversi scenari (temperatura estiva e invernale, stato stazionario e dinamico, …),
ricercando le migliori scelte gestionali d’impianto che soddisfacessero la nuova
normativa.
Il modello matematico utilizzato è il MANTIS, una versione modificata del più noto
ASM1 dell’IWA (International Water Association), che differisce da quest’ultimo
sostanzialmente per il fatto di tenere conto di un processo in più: la “denitrificazione
aerobica”. Molto spesso infatti le simulazioni al calcolatore che utilizzano il modello
originale ASM1 portano ad una sovrastima del livello di nitrati in uscita dalla vasca
di nitrificazione. Il modello MANTIS, che riprende i concetti di DENITRO-GEST
(Vismara, 1990 e segg.) consente di avvicinarsi maggiormente ai reali valori
gestionali.
Il monitoraggio più accurato possibile dell’azoto nitrico nel liquame di questo
comprensorio risulta inoltre di particolare interesse, essendo stata accertata la
presenza di NO3- in quantità non trascurabile già nelle acque primarie
dell’acquedotto del Brianteo, che serve i comuni consorziati.
Capitolo 1 – Attuale impianto di depurazione di Os ago (LC)
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CAPITOLO 1:
ATTUALE IMPIANTO DI
DEPURAZIONE DI OSNAGO (LC)
1.1 GENERALITÀ E LOC ALIZZAZIONE
DELL’IMPIANTO
L’impianto di depurazione consortile di Osnago è in funzione dal 1993 e serve un
comprensorio costituito dai cinque comuni di Osnago, Merate, Cernusco
Lombardone, Olgiate Molgora e Calco (parzialmente). E’ situato nella zona sud del
comune di Osnago, nelle vicinanze della linea ferroviaria Milano-Lecco e della linea
di confine con il comune di Lomagna. E’ attualmente funzionante  solo il primo dei
due lotti dell’impianto (e l’unico per ora realizzato), progettato per trattare la portata
prodotta dall’attuale popolazione servita. Essa è attualmente di circa 25.000 abitanti
equivalenti e non presenta significative fluttuazioni stagionali.
Il sistema di raccolta dei liquami è costituito da diversi rami prevalentemente di tipo
unitario che convergono in un unico collettore consortile terminante presso
l’impianto, mentre lo scarico delle acque depurate è situato presso il vicino torrente
Molgora.
Capitolo 1 – Attuale impianto di depurazione di Os ago (LC)
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1.2 SCHEMA ATTUALE DI  PROCESSO:
OPERAZIONI UNITARIE E SCHEMA DI FLUSSO
L’impianto di depurazione si sviluppa secondo le seguenti unità di processo:
Linea liquami:
- Grigliatura grossolana;
- Sollevamento;
- Grigliatura fine;
- Dissabbiatura;
- Sedi-flottazione (tuttora in uso solamente come sedimentazione primaria);
- Rimozione biologica dei nutrienti mediante pre-denitrificazione e
nitrificazione;
- Sedimentazione secondaria;
- Clorazione di emergenza.
Linea fanghi:
- Sollevamento fanghi primari;
- Sollevamento fanghi biologici di ricircolo e di supero;
- Preispessimento fanghi primari e biologici;
- Digestione anaerobica;
- Postispessimento;
- Condizionamento e disidratazione.
Linea biogas:
- Stoccaggio in campana gasometrica;
- Utilizzo in centrale termica per il riscaldamento del digestore;
- Torcia per la combustione del gas prodotto in eccesso.
La figura 1.1 mostra lo schema di flusso del liquame, dei fanghi e del bio as
nell’impianto.
Capitolo 1 – Attuale impianto di depurazione di Os ago (LC)
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Figura 1.1 - Schema di flusso dell’impianto di depurazione di Osnago
grigliatura 
grossolana
grigliatura
fine
dissabbiatura
flocculazione
comparto 
biologico
sedim. primaria
flottazione
sedim. 
secondaria
disinfezione
ingresso
preispessimento
digestione 
anerobica
post
ispessimento
gasometro
torcia
condizionamento
disidratazione 
meccanica
biogas
grigliato
fanghi
biologici
fanghi
primari
fanghi
di
flottazione
sollevamento
grigliato
sabbie
reagenti
scarico
liquame
ipoclorito
scarico
fanghi
reagenti
Capitolo 1 – Attuale impianto di depurazione di Os ago (LC)
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1.3 DATI DIMENSIONALI
DELLE UNITÀ DI PROCESSO
Vengono riportati i dati dimensionali delle principali unità di processo:
U.M. Valori
Grigliatura grossolana
Numero unità: - 1
Larghezza: m 1
Luce libera: mm 70
Funzionamento: manuale
Stazione di sollevamento
Numero pompe installate: - 3
Numero pompe in funzione: - 2
Portata unitaria: m3/h 375
Volume utile pozzetto: m3 65
Grigliatura fine
Numero griglie installate: - 2
Numero griglie in funzione: - 1
Portata unitaria griglia: m3/h 1500
Spaziatura griglie: mm 3
Dissabbiatura
Numero unita: - 1
Diametro: m 3.5
Volume utile: m3 13
Sedimentazione primaria
Capitolo 1 – Attuale impianto di depurazione di Os ago (LC)
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Numero unità: - 1 (a pianta circolare)
Superficie: m2 314
Profondità media: m 3
Comparto biologico
Volume denitrificazione: m3 360
Volume nitrificazione: m3 1440
Sedimentazione secondaria
Numero unità: - 1 (a pianta circolare)
Superficie: m2 530
Profondità media: m 2.5
Numero pompe ricircolo: - 3
Numero pompe in funzione: - 2
Portata unitaria: m3/h 180
Preispessimento
Numero unità: - 1 (a pianta circolare)
Superficie: m2 38
Profondità media: m 3.5
Digestione anaerobica
Numero unità: - 1
Diametro: m 13
Altezza parte cilindrica: m 8.5
Inclinazione fondo: ° 15
Inclinazione tetto: ° 20
Postispessimento
Numero unità: - 1 (a pianta circolare)
Superficie: m2 38
Capitolo 1 – Attuale impianto di depurazione di Os ago (LC)
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Profondità media: m 3
Disidratazione
Numero unità: - 1 (con filtri a piastre)
Conc. fanghi disidratati: % 40
Produzione fanghi: m3/d 5.12
(ipotizzando un funzionamento per 8
h/d, 5 d/settimana)
1.4 CARATTERISTICHE DEI LIQUAMI AFFLUENTI
ED EFFLUENTI, NEI CASI INVERNALE ED
ESTIVO
1.4.1Concentrazioni degli inquinanti
I dati a disposizione per le elaborazioni consistono nei campionamenti del liquame
all’ingresso dell’impianto (allo sbocco della fognatura) e in uscita (a valle della vasca
di clorazione) effettuati dal personale dell’impianto all’incirca una volta alla
settimana, in periodi di tempo secco.
Le analisi sui campioni consistono nel monitoraggio delle seguenti grandezze:
temperatura, pH, COD, BOD5, solidi sospesi totali (d’ora in poi SST), solidi sospesi
sedimentabili, tensioattivi, azoto ammoniacale, azoto nitrico, azoto nitroso, fosforo
totale, grassi e oli, solfati, cloruri, metalli. Le serie storiche prese in considerazione
sono quelle degli anni 1999 (parzialmente), 2000 e 2001 (parzialmente).
Capitolo 1 – Attuale impianto di depurazione di Os ago (LC)
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I prelevamenti dei campioni avvengono ad orari diversi della giornata
(indicativamente tra le ore 9.00 e le ore 18.00) e quasi contemporaneamente nelle
sezioni di ingresso e di uscita del liquame. Questa modalità di prelievo porta a fare
due considerazioni:
- non è possibile correlare i valori dei campioni in ingresso con quelli in uscita,
altrimenti non si terrebbe in considerazione il tempo di residenza del liquame
nell’impianto; spesso le concentrazioni di alcune specie sono maggiori in
uscita che nel contemporaneo ingresso.
- è lecito lavorare sulle medie delle serie storiche dei vari parametri
considerandole come medie giornaliere, poiché gli eventuali campioni
prelevati in orari di picco vengono compensati da prelievi di campioni più
diluiti;
L’unica elaborazione possibile su queste serie storiche per preparare la taratura
consiste nell’ipotizzare che l’unico legame tra i dati in ingresso e in uscita esista solo
per i valori medi.
Per avere più scenari (almeno uno per la taratura e un altro per la verifica),
l’abbondanza di dati ha permesso quantomeno la distinzione tra una condizione
invernale, raggruppando i dati dei campioni prelevati nei mesi di dicembre, gennaio e
febbraio del 1999 2000 e 2001, e una condizione estiva, considerando i mesi di
giugno, luglio e settembre 1999 e 2000. La decisione di scartare i dati di agosto è
stata presa in base alla considerazione del fatto che la popolazione, sia residente che
equivalente, è troppo fluttuante e non consente che i dati di questo mese vengano
utilizzati per elaborare dei dati medi.
Le figure da 1.2 a 1.6 mostrano i dati in ingresso per i parametri di maggior interesse,
elaborati secondo curve di frequenza cumulata.
Capitolo 1 – Attuale impianto di depurazione di Os ago (LC)
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Figura 1.2 - Elaborazione grafica dati COD in ingresso
Figura 1.3 – Elaborazione grafica dati BOD5 in ingresso
QUANTILI COD INGRESSO
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850
COD ingresso (mg/l)
k
-%
tutti i dati
COD inverno
COD estate
media
231 mg/l
media
258 mg/l
media
248 mg/l
QUANTILI BOD5 INGRESSO
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350
BOD5 ingresso (mg/l)
k-
%
tutti i dati
BOD5 inverno
BOD5 estate
media
147 mg/l
media
134 mg/l
media
125 mg/l
Capitolo 1 – Attuale impianto di depurazione di Os ago (LC)
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Figura 1.4 – Elaborazione grafica dati SST in ingresso
Figura 1.5 – Elaborazione grafica dati N-NH4+ in ingresso
QUANTILI SST INGRESSO
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510
SST ingresso (mg/l)
k
-%
tutti i dati
SST inverno
SST estate
media
146 mg/l
media
149 mg/l
media
177 mg/l
QUANTILI N-NH4+ INGRESSO
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
NH4+ ingresso (mg/l)
k
-%
tutti i dati
N-NH4 inverno
N-NH4 estate
media
31.5 mg/l
media
30.5 mg/l
media
35.8 mg/l
Capitolo 1 – Attuale impianto di depurazione di Os ago (LC)
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Figura 1.6 – Elaborazione grafica dati N-NO3- in ingresso
I grafici per le concentrazioni dei parametri in ingresso non mostrano sostanziali
differenze nei valori medi degli scenari invernale ed estivo. E’ però interessante
notare come la concentrazione di nitrati non risulti trascurabile (come di solito
avviene), se non nel caso estivo, dove probabilmente si assiste ad una maggiore
attività batterica atta a denitrificare il liquame, essendo le condizioni in fognatura
prevalentemente anossiche.
Le figure seguenti mostrano le serie dei dati in uscita, elaborate secondo lo stesso
criterio. Sui grafici sono inoltre riportate le concentrazioni massime ammissibili
secondo la nuova normativa.
QUANTILI N-NO3- INGRESSO
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10
NO3- ingresso (mg/l)
k-
%
tutti i dati
N-NO3 inverno
N-NO3 estate
media
1.2 mg/l
media
2.6 mg/l
media
3.4 mg/l
Capitolo 1 – Attuale impianto di depurazione di Os ago (LC)
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Figura 1.7 – Elaborazione grafica dati COD in uscita
Figura 1.8 – Elaborazione grafica dati BOD5 in uscita
QUANTILI COD USCITA
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
COD uscita (mg/l)
k-
%
tutti i dati
COD inverno
COD estate
media
26 mg/l
media
32 mg/lmedia22 mg/l
Tab.1 All.5 
152/99
QUANTILI BOD5 USCITA
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
BOD5 uscita (mg/l)
k-
%
tutti i dati
BOD5 inverno
BOD5 estate
media
16 mg/l
media
13 mg/l
media
12 mg/l
Tab.1 All.5 
152/99
Capitolo 1 – Attuale impianto di depurazione di Os ago (LC)
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Figura 1.9 – Elaborazione grafica dati SST in uscita
Figura 1.10 – Elaborazione grafica dati N-NH4+ in uscita
QUANTILI SST USCITA
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
SST uscita (mg/l)
k-
%
tutti i dati
SST inverno
SST estate
media
16 mg/l
media
19 mg/l
media
16 mg/l
Tab.1 All.5 
152/99
QUANTILI N-NH4+ USCITA
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0 27.5 30.0
N-NH4+ uscita (mg/l)
k-
%
tutti i dati
N-NH4+ inverno
N-NH4+ estate
Tab.3 All.5 
152/99
media
6.9 mg/l
media
7.9 mg/l
media
3.8 mg/l
Capitolo 1 – Attuale impianto di depurazione di Os ago (LC)
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Figura 1.11 – Elaborazione grafica dati N-NO3- in uscita
Figura 1.12 – Elaborazione grafica dati N-NO2- in uscita
QUANTILI N-NO3- USCITA
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 1.5 3 4.5 6 7.5 9 10.5 12 13.5 15 16.5 18 19.5 21
NO3- uscita (mg/l)
k-
%
NO3- tutto
NO3- inverno
NO3- estate
Tab.3 All.5 
152/99
media
3.2 mg/l
media
7.0 mg/l
media
5.5 mg/l
QUANTILI N-NO2- USCITA
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6
NO2- uscita (mg/l)
k-
%
NO2- tutti
NO2- inverno
NO2- estate
Tab.3 All.5 
152/99
media
0.51 mg/l
media
0.82 mg/l
media
0.21 mg/l