I trattamenti degli effluenti per la rimozione dei solidi
Terminologia della sedimentazione
Decantazione
Operazione effettuata per separare particelle più pesanti presenti in un fluido o
per separare fluidi di diversa densità.
Sedimentazione
Quando la decantazione riguarda la separazione per gravità di particelle solide
più pesanti in un fluido, l’operazione prende il nome di sedimentazione.
Flocculazione
In alcuni casi, per separare particelle molto piccole e leggere presenti in un
liquido si ricorre ad una operazione di flocculazione (impropriamente chiamata
anche chiarificazione) consistente nell’aggiunta di un agente chimico
“coagulante”, la cui funzione è quella di “legare” le particelle più fini,
rendendole più pesanti e favorendone la sedimentazione.
Solidi sospesi
(non filtrabili)
Vengono
trattenuti da un
filtro (membrana
porosa) e si
quantificano per
via gravimetrica,
pesando il filtro
con i solidi
trattenuti (mg/l)
Solidi
sedimentabili
Sedimentano in 1 ora in un cono
Imhoff e si quantificano per via
volumetrica, leggendo il livello
corrispondente direttamente sul cono
graduato (ml/l)
A partire da una sospensione, la
chiarificazione può evolvere in due
modi.
Sospensione
iniziale
Il primo (chiarificazione perfetta)
consente la separazione di un fluido
limpido, che occuperà un piccolo
volume rispetto alla sospensione
iniziale.
Il secondo modo conduce ad una
separazione non completa, ma ad
un superiore volume di fluido
(sebbene non perfettamente
chiarificato).
In pratica si cercherà un
compromesso fra le due situazioni:
un volume ridotto di solidi da
separare ed un ampio volume di
fluido chiarificato al meglio.
Chiarificazione
perfetta
Chiarificazione
povera
Il principio della sedimentazione
H interfaccia
Misura pratica della velocità di
sedimentazione:
tempo
In un cilindro graduato, si può
facilmente misurare l’altezza della
interfaccia fra liquido chiarificato e
solidi decantati e la sua variazione
nel tempo.
La velocità media di sedimentazione
ad un certo tempo si ottiene con la
relazione:
v=
z1 – z0
t1 – t0
Sedimentazione discreta
Sedimentazione a fiocchi
Sedimentazione a zona
Sedimentazione a
compressione
Sono descritti 4 tipi di
sedimentazione, ciascuno
influenzato dalla
concentrazione delle
particelle e dalle loro
interazioni fisiche.
Considerata la bassa
concentrazione dei solidi,
generalmente le acque di
scarico dell’acquacoltura
sono soggette a
sedimentazione di tipo
discreto, cioè le particelle
tendono a sedimentare senza
essere soggette ad
interazioni reciproche.
La sedimentazione di particelle discrete
Questa sedimentazione avviene quando la concentrazione dei solidi è bassa e questi non
interagiscono tra di loro.
Questo tipo di sedimentazione può essere analizzato mediante le leggi classiche di
sedimentazione che si ottengono uguagliando le forze agenti sulla particella:
Forza di inerzia = Forza peso – Spinta di Archimede – Forza di resistenza
Quando queste forze si equivalgono, infatti, si verificano le condizioni stazionarie, ossia il
sistema raggiunge la condizione di moto uniforme (Forza di inerzia = 0).
La velocità di sedimentazione, a parità di altre condizioni, dipende dal diametro delle
particelle.
I dati riportati nella Tabella seguente indicano la velocità di sedimentazione dall’altezza
di 1 m per particelle di vario diametro. Tali dati sono calcolati teoricamente per particelle
supposte sferiche, prive di carica elettrica, con densità 2,6, sospese in acqua a 100C.
In pratica, solo le sospensioni di particelle con diametri superiori a 10 µm richiedono
tempi di sedimentazione accettabili nel campo del trattamento degli scarichi.
La relazione fisica che permette questi calcoli teorici è nota come Legge di Stokes,
ed è la legge base della sedimentazione.
Legge di Stokes
Stokes ha fornito una relazione il cui sviluppo permette di calcolare la velocità di
sedimentazione delle particelle solide in un fluido. Da questa relazione risulta che la
velocità di sedimentazione di una particella indisturbata dipende dal quadrato del suo
diametro.
v
velocità di caduta della particella
g
accelerazione di gravità
D
diametro della particella
rp
densità della particella
rf
densità del liquido
m
viscosità del liquido
Nella pratica, però, il processo di sedimentazione viene quasi sempre condotto in continuo
con modalità che quindi differiscono da quelle di sedimentazione statica.
In una vasca ideale a flusso orizzontale (e cioè con una velocità di trasporto V data da un
vettore orizzontale) ed a pianta rettangolare, in una sezione longitudinale si possono
distinguere 4 zone.
La prima di ingresso e la seconda, di
uscita, in cui la sedimentazione è
disturbata dalla vicinanza dei
dispositivi di immissione e di scarico;
la terza, indicata come zona del
fango, in cui si raccolgono le parti
sedimentate;
ed infine la quarta, di sedimentazione
vera e propria, in cui la velocità di
trasporto del liquido V si mantiene
costante e nella cui sezione iniziale si
ammette che la concentrazione e la
distribuzione delle particelle delle
diverse dimensioni sia uniforme.
Se il liquido non è in quiete, quindi, a ciascuna particella solida compete una velocità che
è determinata, istante per istante, dalla composizione vettoriale della velocità di trasporto
V dovuta al movimento del liquido e della velocità di sedimentazione v, calcolata secondo
la legge di Stokes.
V
v
La velocità di traslazione V risulta uguale per tutte le particelle, perché è funzione della
sola portata e dell’area ortogonale alla loro direzione.
La velocità di sedimentazione v delle particelle, invece, dipende dalle loro dimensioni,
secondo la legge di Stokes.
Detta vo la velocità di caduta che, in base alla legge di Stokes, compete alle particelle più
piccole di cui si vuole ottenere la separazione, la retta h_f rappresenta il cammino
percorso da una di tali particelle che inizialmente si trovi nel punto h.
Le particelle sospese, caratterizzate da dimensioni e quindi da velocità di sedimentazione
uguali o maggiori, potranno raggiungere la zona del fango qualunque sia la distanza dal
fondo con cui attraversano la sezione d'ingresso della vasca, visto che l'inclinazione della
loro traiettoria rispetto all'orizzontale sarà uguale o superiore a quella delle particelle più
piccole che si vogliono separare.
h
V
h
V
vc
vz
f
f
zona del fango
Particella di dimensioni c, con velocità vc
zona del fango
Particella di dimensioni z > c, con velocità vz > vc
Di conseguenza, vc potrà anche essere considerata la velocità critica di sedimentazione,
perché dal sistema così congegnato non potranno essere separate particelle più piccole di
c, dotate di velocità vc.
h
V
Supponiamo ora di considerare la stessa
particella con velocità di sedimentazione vc
e di dimezzare l’altezza della vasca,
mantenendo però costanti la portata del
fluido e la superficie di base della vasca.
vc
f
zona del fango
h/2
2V
vc
f
zona del fango
La prima conseguenza è che la velocità del
fluido e cioè la velocità di trasporto delle
particelle V, raddoppia, perché la sezione
della vasca viene dimezzata e la portata
rimane costante.
Tuttavia, anche la traiettoria di caduta della
particella viene modificata e rimanendo
inalterata la velocità critica vc, la particella
ricade comunque nella zona del fango, cioè,
ha ancora la posssibilità di essere separata.
Queste considerazioni permettono, in via intuitiva, di enunciare che:
per una determinata portata la percentuale di rimozione delle sostanze sospese
dipende esclusivamente dalla superficie e non dalla profondità h della vasca o dal
punto h in cui entrano nella vasca.
h
Se le dimensioni della vasca
sono quelle indicate in figura (B
x h x L), allora la portata
d’acqua risulta:
V
h
vc
V
Q=V.B.h
Osservando però i triangoli
tratteggiati in figura, essi
risultano simili e quindi sarà:
B
L
V
h
=
h
L
V
h
vc
risolvendola per vc:
V
B
vc
vc =
Vh
L
moltiplicando i termini per B:
L
vc B =
VBh
L
Sostituendo la precedente relazione Q = V B h, si ottiene:
vc B =
Q
L
Risolvendo quest’ultima per Q, si ottiene:
Q = vc B L
Da questa, dato che B.L = A, risulta:
Q = vc A
Quest’ultima relazione rappresenta un altro modo per
calcolare la portata Q, che come si vede dipende
dalla velocità di sedimentazione vc e dalla superficie
A della vasca.
Risolvendo la stessa relazione per vc, ottengo:
Quest’ultima relazione prende il nome di carico idraulico
applicato alla vasca di sedimentazione, che si esprime con
ci ed ha le dimensioni di una velocità (m/s).
vc =
ci =
Q
A
Q
A
Tutto ciò dimostra quanto già precedentemente affermato, e cioè che la percentuale
di rimozione delle sostanze sospese dipende esclusivamente dalla superficie e non
dalla profondità della vasca; inoltre il processo non è influenzato dal tempo di
permanenza.
In altre parole, una volta fissato il valore del carico, l’efficienza di rimozione dei
solidi è indipendente dalla profondità del bacino o dal tempo di residenza. In
realtà, affinché siano verificate le ipotesi alla base della teoria è necessario che
la profondità del bacino non sia inferiore a determinati valori (2-3 m) in modo da
non avere perturbazioni nel flusso che possano ostacolare la sedimentazione.
La procedura di progettazione dei bacini di sedimentazione, quindi, consiste nel
selezionare una particella con una velocità terminale di sedimentazione vc e
progettare la vasca in modo che tutte le particelle che hanno una v*c > vc siano
rimosse. La portata alla quale viene prodotta acqua “pulita” risulterà proprio:
Q = A . vc
dove A è la superficie del bacino.
Come appena visto, da questa relazione risulta anche che
vc = Q/A
ossia risulta che il carico superficiale impiegato per la progettazione coincide
proprio con la velocità di sedimentazione della particella critica. L’equazione
indica, ancora una volta, che la capacità del flusso è indipendente dalla
profondità.
Il fenomeno della sedimentazione nella realtà non è però così “semplice”, perché
esistono numerosi aspetti che tendono a “complicarlo”:
 non tutte le particelle hanno la stessa dimensione,
 il diametro delle particelle non è sferico,
 il moto delle particelle non procede in modo laminare,
 può essere presente l’effetto parete, determinato dall’attrito delle particelle sulle pareti
dei bacini di sedimentazione,
 nel caso di liquidi ad elevate concentrazione di solidi, le particelle tendono ad
interagire tra loro, in alcuni casi si ostacolano a vicenda e rallentano la velocità di
sedimentazione, in altri casi coagulano e tendono ad aumentarla.
In realtà, dunque, se tutte le particelle presenti avessero le stesse caratteristiche, e quindi
lo stesso valore di velocità di sedimentazione, la loro completa rimozione sarebbe
assicurata per un dimensionamento della superficie della vasca (A) ottenuto con la
relazione precedentemente esposta vc = Q/A.
h
V
vc
b
V
vb
zona del fango
2 particelle di dimensioni c > b, con
velocità di sedimentazione vc > vb
f
In realtà, essendo le dimensioni delle
particelle diverse, dei solidi sospesi dotati
di una velocità di sedimentazione vb < vc,
possono essere eliminati solo quelli che
entrano nella zona di sedimentazione al di
sotto del punto b. Gli altri non ricadono
nella zona del fango, quindi non vengono
separati e raggiungono l’uscita della vasca
rimanendo nell’effluente.
Quindi tutte le particelle con vx > vc (più
grandi) verranno separate, mentre quelle
con vx < vc (più piccole) verranno separate
con una resa (= efficienza) che dipende
dalla loro dimensione e punto di entrata
nella vasca.
Frazione
surnatante
Fanghi
primari
Acqua
depurata
Fanghi
secondari
Negli allevamenti zootecnici
tradizionali la sedimentazione viene
prevalentemente attuata a diversi
stadi del processo di depurazione
degli effluenti, quindi rappresenta
una casistica estremamente limitata,
perché limitata ad allevamenti
suinicoli che impiegano elevate
quantità di acque di lavaggio e che
gestiscono i liquami di allevamento
insieme a reflui di lavorazione dei
caseifici.
Bacini semplici di sedimentazione
E’ questo il tipo più semplice di sistema di
separazione, costituito da una vasca nella quale il
fluido entra da una parte ed esce dall’altra.
La velocità del flusso nel bacino deve essere
inferiore alla velocità di sedimentazione, cosicchè le
particelle della sospensione possano decantare sul
fondo della vasca. In caso contrario, le stesse
particelle attraverserebbero la vasca senza avere la
possibilità di separarsi.
Nota la sezione del bacino (A), ne risulta che in
regime superlaminare la portata volumetrica limite di
alimentazione (V*) è calcolabile con la legge della
sedimentazione.
A
Ovviamente non è importante quanto il bacino sia profondo, piuttosto è importante
quanto sia ampio! L’altezza della vasca interessa esclusivamente la fase di
compattamento del deposito e l’eventuale operazione di pulizia o estrazione dei solidi
decantati.
Bacini semplici di classazione
Questo tipo di bacini vengono
utilizzati per separare le
particelle solide o pesanti, in
funzione della loro densità. Ci
sono due tipi di sistemi di
classificazione, operanti sullo
stesso principio.
Particelle a inferiore densità sedimentano più lentamente e, se il flusso attraversa
tangenzialmente il bacino, si separeranno nella parte più lontana rispetto al punto di
alimentazione. Viceversa, le particelle più pesanti raggiungeranno il fondo del bacino
vicino al punto di alimentazione.
Il disegno di queste vasche è simile a quello dei bacini semplici di sedimentazione. Il fondo
del bacino è però suddiviso in camere con uno svadsamento conico. A partire dalla camera
più vicina al punto di alimentazione si otterrà la separazione di particelle progressivamente
di inferiore densità (il che coincide spesso anche con le dimensioni delle particelle!)
Ispessitori
Questo tipo di vasche attrezzate ha forma cilindrica, con svasatura conica sul fondo. La
sospensione torbida è alimentata al centro della vasca, poco sotto il pelo del liquido. La
vasca cilindrica è munita di paratie, dalle quali per sfioramento fuoriesce il liquido
chiarificato. Sul fondo della vasca è presente un braccio girante che convoglia i solidi
separati verso la parte centrale, onde compattarli e consentirne l’evacuazione, che avviene
in continuo.
Questo tipo di bacini è molto utilizzato in alcuni stadi di depurazione degli effluenti.
Sedimentatori o decantatori
Schema di decantatore
tradizionale a pianta circolare e
fondo conico (tipo decantazione
acque di scarico civili)
Schema di decantatore
lamellare: consente di diminuire
notevolmente lo spazio
necessario rispetto ad un
decantatore tradizionale
Le caratteristiche funzionali di diversi tipi di sedimentatori
Coagulazione o flocculazione
Le sospensioni finemente disperse sedimentano con gran difficoltà, non solo a causa del
piccolo diametro particellare, ma anche perché si respingono reciprocamente per la loro
carica elettrica positiva o, più frequentemente negativa. Ciò impedisce alle particelle di
riunirsi a grappolo (coagulazione), formando un corpo unico (fiocco) il quale, avendo
dimensioni maggiori, cadrebbe con velocità più elevata.
Mediante l'aggiunta di appositi reagenti (coagulanti o flocculanti), si può provocare
l'aggregazione (coagulazione indotta) e l'addensamento delle particelle, con formazione di
fiocchi pesanti che sedimentano velocemente.
La separazione con idrocicloni
Gli idrocicloni sono impiegati nel trattamento primario delle acque di scarico.
L’acqua entra tangenzialmente in testa all’unità creando un flusso idrico con andamento a spirale che
determina una zona in depressione verso il centro della struttura. Mentre i solidi tendono a
precipitare e sono scaricati dal fondo conico, l’acqua pulita esce dall’alto.
Le prestazioni degli idrocicloni risultano inferiori a quelle dei sedimentatori ed inoltre comportano
spese energetiche per il sollevamento e l’immissione dell’acqua ad una velocità adeguata.
L’utilizzo degli idrocicloni è quindi limitato a particolari situazioni:

bassi carichi inquinanti dell’acqua da trattare,

impossibilità di installare sedimentatori per mancanza di spazio.
Applicazioni dei bacini di sedimentazione agli effluenti di acquacoltura
A causa del gran numero di parametri che influenzano il processo di sedimentazione e
delle complicate caratteristiche fisiche degli effluenti, è improponibile basarsi solamente
su equazioni teoriche e quindi, prima di dimensionare e progettare un bacino di
sedimentazione, si effettua normalmente una analisi sperimentale del caso specifico.
I bacini di sedimentazione sono generalmente progettati per stabilire un flusso
longitudinale, nel quale siano minimizzati i fenomeni di turbolenza e ri-sospensione dei
solidi.
Il bacino di sedimentazione deve avere tre funzioni progettuali:
1.
essere efficace nel rimuovere i solidi sospesi, rilasciando un effluente
sufficientemente chiarificato,
2.
raccogliere e scaricare efficacemente i solidi sedimentati (fanghi ispessiti),
3.
ridurre il più possibile il volume del fango ispessito.
Se una di queste tre funzioni viene meno, la funzionalità globale del bacino di
sedimentazione risulta compromessa.
Di seguito vengono riportati i risultati di diversi studi sperimentali dai quali è possibile
trarre le informazioni fondamentali che consentono il dimensionamento di un bacino di
sedimentazione per effluenti di acquacoltura
Innanzitutto è opportuno ricordare che per la Legge di Hazen, l’efficienza di
sedimentazione risulta indipendente dalla profondità del bacino. Il parametro più
importante per il dimensionamento dei bacini di sedimentazione diventa quindi il
cosiddetto overflow rate, parametro che quantifica la massima portata d’acqua per unità di
superficie del bacino che ancora permette la sedimentazione delle particelle che si
vogliono separare.
Overflow rate
Esprime la portata d’effluente da trattare per unità di superficie del bacino. Vari Autori per
gli effluenti di acquacoltura propongono valori compresi nel range
1,5 – 3,0 m3/h m2
Velocità dell’acqua nel bacino di sedimentazione
La velocità del flusso nel bacino di sedimentazione dovrebbe mantenersi non superiore a
4 m/min
ma preferibilmente dovrebbe essere intorno a
1 m/min
mediamente, quindi si consigliano valori di
1,2 – 2,4 m/min
Tempo di ritenzione nel bacino
Vari Autori propongono che il tempo di ritenzione
T = Q/Vol
dove:
T tempo di ritenzione (h)
Q portata d’acqua (m3/h)
Vol Volume utile del bacino (m3)
si mantenga inferiore a
0,5 ore
Impiego di flocculanti
L’impiego di agenti chimici flocculanti per favorire la formazione di aggregati che
aumentino la velocità di sedimentazione anche delle particelle più piccole, sperimentato
da diversi Autori è risultato, dal punto di vista economico,
non conveniente
Tipo di sedimentatori
Nell’industria e nel settore civile sono utilizzati diversi tipi di sedimentatori, che variano
nel disegno da semplici stagni di sedimentazione con lento flusso longitudinale a
complesse vasche coniche con incorporati sistemi di regolazione del flusso e di
asportazione dei fanghi sedimentati.
Nonostante la larga diffusione di queste attrezzature, alcuni problemi pratici di
funzionamento, come la spesso inadeguata dinamica del flusso d’acqua e la difficoltà di
rimozione dei fanghi sedimentati, ne hanno molto limitato l’impiego per gli effluenti di
acquacoltura.
Molti Autori ritengono, infatti, che i sedimentatori, qualunque sia il tipo, non risultino
affatto adatti per il trattamento primario degli scarichi provenienti dai sistemi di
acquacoltura intensiva di terra che sfruttano il by-pass delle acque superficiali torrentizie
(es. raceways per le trote).
In queste situazioni, sebbene le caratteristiche delle particelle solide del refluo siano
facilmente e velocemente sedimentabili, le elevate velocità del flusso comportano spesso
tempi di ritenzione insufficienti, ri-sospensione delle particelle solide sedimentate e cortocircuitazione dell’effluente caricato direttamente verso la zona di scarico.
Possibilità di applicazione
Secondo molti, l’impiego della sedimentazione per il trattamento degli effluenti di
acquacoltura non è deliberatamente sbagliato. E’, tuttavia, il tipo di applicazione che se ne
fa che spesso risulta inappropriato.
Le portate d’acqua degli scarichi primari non trattati risultano spesso troppo elevate e
questo come è già stato rilevato compromette la funzionalità dei sedimentatori.
Invece, i fanghi che residuano da eventuali stadi di trattamento, ad esempio dai sistemi di
filtratura meccanica, sono notevolmente più bassi, tanto che normalmente risultano
dell’ordine dell’1% rispetto al flusso di scarico primario.
Tali fanghi richiedono quasi sempre un’operazione di ulteriore disidratazione e la
sedimentazione è uno dei metodi più efficaci proprio per effettuare questo trattamento.
La sedimentazione, quindi, non è applicabile per la chiarificazione degli effluenti primari,
o meglio risulterebbe applicabile solo realizzando bacini di sedimentazione di vasta
superficie.
Al contrario, la sedimentazione risulta vantaggiosamente applicabile per l’ispessimento
dei fanghi separati in un secondo stadio di trattamento o per una pre-concentrazione
localizzata dello scarico.
Caratteristiche dell’effluente dal bacino di sedimentazione
Nei bacini di sedimentazione, a causa delle elevate portate d’acqua, non è raro che si
verifichino fenomeni di turbolenza e quindi il contenuto di solidi dell’effluente
chiarificato risulta quasi sempre superiore a
10 mg/l