ESERCITAZIONE
Dimensionamento di un impianto di
potabilizzazione
A.A. 2005-2006
Prof. Claudio Lubello
PREMESSA e DATI di PROGETTO
DIMENSIONAMENTO DI UN IMPIANTO DI POTABILIZZAZIONE A SERVIZIO DI UN
CENTRO ABITATO
 POPOLAZIONE DA SERVIRE, Stimata a lungo termine (25 anni): 17000 abitanti
 FONTE DI APPROVVIGIONAMENTO: Le acque destinate alla potabilizzazione
provengono da un vicino corso d’acqua (ACQUE DI TIPO SUPERFICIALE)
 CAMPAGNA DI MONITORAGGIO PRELIMINARE
STUDIO IDROLOGICO
equilibrio del corso d’acqua.
CARATTERISTICHE DELL’ACQUA
COMPATIBILITA’
PORTATA DEL FIUME
PORTATA PRELEVATA
IDONEITA’ ALLA
POTABILIZZAZIONE
SCELTA DEL TIPO DI
TRATTAMENTO OPPORTUNO
(FILIERA DI TRATTAMENTO)
NORMATIVA
PREMESSA e DATI di PROGETTO
Caratteristiche fisico-chimiche
Parametro
Temperatura
Unità di
misura
Range
media
°C
10-20
14
7.5 – 8.6
8
pH
Solidi sospesi
mg/l
7-120
20
Materiali colloidali
mg/l
5-45
10
TOC
mg/l
--
6
Caratteristiche granulometriche
-Log2 D
Specie chimiche specifiche (Ossigeno disciolto, Ammonio…)
Specie microbiologiche (CBT, Coliformi,Enterococchi…)
%
passante
2
0,25
100
3
0,125
95
4
6,25E-02
87
5
3,13E-02
77
6
1,56E-02
62
80
7
7,81E-03
49
60
8
3,91E-03
39
9
1,95E-03
25
10
9,77E-04
14
11
4,88E-04
5
12
2,44E-04
0
curva granulometrica
100
% passante
D (mm)
40
20
0
2
4
6
8
-Log2 D
10
12
RIFERIMENTI NORMATIVI
D.Lgs 11/05/1999, n. 152 e Decreto Legislativo 19 gennaio 2006 (TESTO UNICO)
Art.7 Acque superficiali destinate alla produzione di acqua potabile
1. Le acque dolci superficiali per essere utilizzate o destinate alla produzione di acqua
potabile, sono classificate dalle regioni nelle categorie A1, A2 e A3 secondo le
caratteristiche fisiche, chimiche e microbiologiche di cui alla tabella 1/A
dell'allegato 2.
2. A seconda della categoria di appartenenza, le acque dolci superficiali di cui al comma 1
sono sottoposte ai seguenti trattamenti:
Categoria A1: trattamento fisico semplice e disinfezione;
Categoria A2: trattamento fisico e chimico normale e disinfezione;
Categoria A3: trattamento fisico e chimico spinto, affinazione e disinfezione.
3. Le regioni inviano i dati relativi al monitoraggio e classificazione delle acque di cui ai
commi 1 e 2 al Ministero della sanità, che provvede al successivo inoltro alla
Commissione europea.
4. Le acque che presentano caratteristiche inferiori ai valori limite imperativi della
categoria A3 possono essere utilizzate, in via eccezionale, solo nel caso in cui non sia
possibile ricorrere ad altre fonti di approvvigionamento e a condizione che siano
sottoposte ad opportuno trattamento che consenta di rispettare le norme di qualità delle
acque destinate al consumo umano.
RIFERIMENTI NORMATIVI
D.Lgs 11/05/1999, n. 152
Allegato 2
Tabella 1/A: Caratteristiche di qualità per acque superficiali destinate alla produzione di acqua potabile
Num.
Progr.
Parametro
Unità di misura
A1
G
1
pH
unità pH
6,58,5
2
Colore (dopo
filtrazione semplice)
mg/L scala pt
10
3
Totale materie in
sospensione
mg/L MES
4
Temperatura
5
A1
I
A2
G
A2
I
A3
G
A3
I
5,5-9
-
5,5-9
-
20(o)
50
100(o)
50
200(o)
25
-
-
-
-
-
°C
22
25(o)
22
25(o)
22
25(o)
Conduttività
µS /cm a 20°
1000
-
1000
-
1000
-
6
Odore
Fattore di diluizione a 25°C
3
-
10
-
20
-
7
Nitrati
mg/L NO3
25
50(o)
-
50(o)
-
50(o)
8
Fluoruri (1)
mg/L F
0,7/1
1,5
0,7/1,7
-
0,7/1,7
-
..
Cloro organico totale
estraibile
mg/L Cl
-
-
-
-
-
-
..
…….
mg/L Fe
…
…
I = Imperativo
G = Guida
-
RIFERIMENTI NORMATIVI
D.Lgs. 2/02/2001, n. 31 e successive modificazioni
Attuazione della direttiva 98/83/CE
Finalità (Art.1)
Il presente decreto disciplina la qualità delle acque destinate al consumo umano al fine
di proteggere la salute umana dagli effetti negativi derivanti dalla contaminazione delle
acque, garantendone la salubrità e la pulizia.
Obblighi generali (Art. 4)
1. Le acque destinate al consumo umano devono essere salubri e pulite.
2. non devono contenere microrganismi e parassiti, né altre sostanze, in quantità o
concentrazioni tali da rappresentare un potenziale pericolo per la salute umana
3. devono soddisfare i requisiti minimi di cui alle parti A e B dell'allegato I;
Controlli (Art. 6)
1. Sono previsti CONTROLLI INTERNI (All’azienda che gestisce il servizio idrico
integrato) e ESTERNI (A.S.L)
2. La conformità ai limiti di normativa deve essere rispettata nella rete di
distribuzione fino al punto di consegna all’utenza.
CALCOLO DELLE PORTATE
QUANTITA’ DI ACQUA RICHIESTA
La quantità di acqua richiesta ad un impianto di potabilizzazione è direttamente
proporzionale a
POPOLAZIONE DA SERVIRE
DOTAZIONE IDRICA PROCAPITE
1) Popolazione (n°di abitanti allacciati alla rete con previsione a 20-30 anni).
Nel caso considerato dall’esercitazione questo dato è noto: 17000 Abitanti
2) Dotazione idrica pro capite (quantità media di acqua necessaria ad ogni singolo abitante
tenendo conto anche dei consumi a scopi pubblici, commerciali ed industriali).
• Centri medio-piccoli
(<50000 Ab)
200-300 l/Ab d
• Centri medio-grandi
(>100000 Ab)
250-350
l/Ab d
Parametro che aumenta all’aumentare dell’industrializzazione e del benessere.
Una popolazione di 17000 abitanti corrisponde ad un piccolo centro:
si considera una dotazione idrica procapite di 250 L/Ab/d
CALCOLO DELLE PORTATE
Calcoliamo dunque la portata media giornaliera da erogare
Qmedia  17000 Ab * 250(l / Ab d ) : 1000 l / m3  4250 m3 / d
Q progetto  Q media  r
dove r è il rapporto fra la portata media giornaliera su base
annua e la portata media giornaliera nella settimana di max
consumo.
• Piccoli centri
r = 2-3
• Centri medi
r = 1,5
• Grandi centri
r = 1,2
Qprogetto  4250 * 1,29  5482,5m3 / d  5500m3 / d
N.B. La variabilità
attorno alla portata
media è più forte nei
piccoli centri
PORTATA DI PROGETTO
SCHEMA A BLOCCHI
FILIERA DI TRATTAMENTO: In mancanza di dati precisi sulle caratteristiche fisicochimiche dell’acqua da trattare si ipotizza la categoria peggiore (A3) e si
sceglie un tipo di trattamento spinto.
1
opera di
presa
sollevamento
pre-ox.
dissabbiatore
2
3
filtrazione
rapida
sedimentazione
flocculazione
coagulazione
4
5
GAC
Disinfezione
Accumulo
Punti e strumenti di misurazione in continuo (essenziali):
(1) Portata, pH, T, Torbidità
(2) pH, T, Torbidità
(3) Torbidità
(4) Torbidità
(5) Cloro residuo
alla rete
OPERA DI PRESA E TRATTAMENTI PRELIMINARI
La fonte di approvvigionamento deve essere protetta.
In particolare la zona di tutela assoluta (riferita a sorgenti, pozzi e
punti di presa) deve avere un’estensione non inferiore a 10 metri di
raggio dal punto di captazione, deve essere recintata e provvista
di acque di canalizzazione delle acque meteoriche.
A monte dei processi di trattamento sono sempre previsti una serie di
trattamenti preliminari o pretrattamenti.
Questi consistono in una serie di processi fisici e meccanici che permettono la rimozione di
materiali e sostanze che per loro natura e dimensione rischiano di danneggiare le
attrezzature e di compromettere l’efficienza dei successivi stadi di trattamento.
• grigliatura
• rimozione di oli e grassi
• dissabbiatura
Di solito direttamente sull’opera di presa
(Sistemi di griglie e galleggianti)
In un comparto che può funzionare anche come bacino di
pre-accumulo (può non essere presente)
GRIGLIATURA
La grigliatura è un trattamento fisico semplice.
Proteggere l’impianto da oggetti di grandi dimensioni che potrebbero ostruire
o danneggiare le apparecchiature presenti.
OBIETTIVO
Rimuovere il materiale grossolano dalle acque che potrebbe influenzare
negativamente l’efficienza dei successivi processi di trattamento
CLASSIFICAZIONE
Secondo la dimensione delle maglie:
• Grossolana
interasse
i=5 -10 cm
Si può scegliere, ad esempio:
• Media
i=2,5-5 cm
• Sottile
i=1-2,5 cm
GRIGLIATURA GROSSOLANA
direttamente sull’opera di presa
Griglia a maglie quadrate (i = 10 cm)
Secondo la modalità di pulizia:
• Manuale
GRIGLIATURA SOTTILE
prima della stazione di sollevamento
Griglia a maglie quadrate (i=2.5 cm)
• Automatica
p.s. il dimensionamento delle griglie è analogo a quello visto nell’esercitazione sul dimensionamento del depuratore
GRIGLIATURA
STAZIONE DI SOLLEVAMENTO
Perché l’acqua possa circolare attraverso i vari comparti del potabilizzatore per caduta
è necessario prevedere un impianto di sollevamento.
Per il dimensionamento della potenza necessaria al motore della pompa si deve
conoscere la portata e la prevalenza.
DIMENSIONAMENTO:
P = potenza assorbita
ρQH
Potenza assorbita (kW) 
367  η
ρ = densità del fluido (ρacqua=1000 kg/m3)
H = prevalenza della pompa (m)
η = rendimento della pompa (η = 0,6-0,9)
367 = fattore di conversione
La prevalenza H è data dalla seguente formula:
H  Hgeo  H v
prevalenza geodetica, ovvero il dislivello tra il pelo libero sul lato a
monte della stazione di pompaggio e il punto a maggior quota al quale si
vuole fare arrivare l’acqua.
Nelle condotte
Il secondo contributo è dovuto alle perdite di carico
Stramazzi
Filtrazione
DISSABBIATURA
Stadio di separazione solido/liquido per acque ad elevata torbidità
Si sfrutta la forza di gravità per separare dall’acqua le particelle solide
“sedimentabili”, caratterizzate da peso specifico maggiore di quello dell’acqua, e che
sono in grado di depositarsi sul fondo di un contenitore in tempi accettabili.
OBIETTIVI:
L’obiettivo è quello di eliminare il 65-75 % dei solidi sospesi e di migliorare la qualità
dell’acqua da inviare ai trattamenti successivi.
PROBLEMATICA:
La necessità di un’unità di dissabbiatura ed il suo dimensionamento sono difficili da
stabilire; dipendono essenzialmente da:
• natura e concentrazione delle particelle
• frequenza e durata dei picchi di carico dei solidi sospesi
• necessità di mantenere un determinato stato di qualità
• costi operativi
DISSABBIATURA
Dissabbiatore rettangolare
vs= velocità di sedimentazione della particella di
dimensione D
A
Qin
V= velocità dell’acqua nel dissabbiatore
v
vs
Qout
D
b
vs
D

v
L
(per similitudine fra i triangoli)
L
Poiché:
Q  v  (b  D)
Q
vs 
A
C.I.S. (carico idraulico superficiale)
PROGETTAZIONE
Fissato Q = Q progetto
Stabilito il C.I.S., ovvero la velocità di sedimentazione
delle particelle che si vogliono rimuovere
Q
A
C.I.S.
DISSABBIATURA
Velocità di sedimentazione Vs:
Ipotesi: - Particella granulosa (sedimenta senza interferire con le altre particelle)
- regime di moto laminare (assenza di moti vorticosi nel fluido)
g
D2
vs  ( s   H 2O )
18
μ
g  9.81

H 2O
s
Legge di Stokes
m
s2
= densità dell’acqua:
Kg
m3
 Kg 
 3
m 
T°
(°C)
1000
= Densità delle particelle
 Kg 
Sabbia: 2650  3 
m 
D = diametro delle particelle (m)

 Kg 

= viscosità dinamica dell’acqua 
 sm 
   (T )


3 Kg 
  10

sm 

0
1.781
5
1.518
10
1.307
20
1.002
30
0.798
DISSABBIATURA
DIMENSIONAMENTO:
Particelle sabbiose: γ s  2.65  1000
Stokes - Ipotesi:
Kg
m3
Temperatura 20 °C
Granulometria
-Log2 D
D (mm)
V sed (m/h)
%
passante
2
0,25
2,01E+02
100
3
0,125
5,04E+01
95
4
6,25E-02
1,26E+01
87
5
3,13E-02
3,15E+00
77
6
1,56E-02
7,88E-01
62
7
7,81E-03
1,97E-01
49
8
3,91E-03
4,93E-02
39
9
1,95E-03
1,23E-02
25
10
9,77E-04
3,08E-03
14
11
4,88E-04
7,70E-04
5
12
2,44E-04
1,92E-04
0
k
v  8 g ( s  1)d
C
OBIETTIVO: rimozione delle particelle con
D > 0.03 mm cui corrisponde una velocità
di sedimentazione pari a 3,15 m/h
( -Log2 D > 5  D > 0,03 mm)
Q
230 m 3 h
A

 73 m 2
C.I.S.
3.15 m h
Rapporto lati
b 1 1
 
L 2 5
b
Assumo una profondità h= 2.5 m
Tempo residenza idraulica:

A
L
Ah
 0.79 h  47 min
Q
Verifica velocità massima
v 8
k
g ( s  1)d
C
DISSABBIATURA
Osservazioni:
1) Le particelle con dimensioni più piccole di quelle di progetto vengono in parte
rimosse in parte restano nell’effluente, proporzionalmente alla loro velocità di
sedimentazione.
Frazione rimossa (particelle di dimensione n) =
-Log2 D
D (mm)
V sed (m/h)
% passante
%composizione
per classe
% frazione
rimossa
2
0,25
2,019E+02
100
0
100
3
0,125
5,048E+01
95
5
100
4
6,25E-02
1,262E+01
87
8
100
5
3,13E-02
3,155E+00
77
10
100
6
1,56E-02
7,888E-01
62
15
25,00
7
7,81E-03
1,972E-01
49
13
6,25
8
3,91E-03
4,930E-02
39
10
1,56
9
1,95E-03
1,232E-02
25
14
0,39
10
9,77E-04
3,081E-03
14
11
0,10
11
4,88E-04
7,703E-04
5
9
0,02
12
2,44E-04
1,926E-04
0
5
0,01
vn
 100
vs
dimensione superiore
a quella di progetto –
RIMOZIONE
COMPLETA
dimensione inferiore a
quella di progetto –
RIMOZIONE PARZIALE
2) Poiché nell’equazione di Stokes  dipende dalla temperatura, il funzionamento del
comparto dissabbiatore è variabile in funzione della temperatura. Al diminuire della
temperatura diminuisce la rimozione delle particelle (aumenta la dimensione della più
piccola particella totalmente rimossa)
COAGULAZIONE-FLOCCULAZIONE
OBIETTIVO: La rimozione dei solidi sospesi non sedimentabili (frazione colloidale),
che non possono essere rimossi per sedimentazione diretta.
coagulazione
flocculazione
sedimentazione
Coagulazione: è la destabilizzazione delle particelle colloidali in ambiente turbolento
ottenuta mediante l’aggiunta di reagenti chimici (coagulanti) che
permettono la formazione di aggregati elementari.
Elevata turbolenza:miscelazione dell’agente coagulante
Breve tempo
Flocculazione: è l’agglomerazione delle particelle destabilizzate in microfiocchi e poi
in fiocchi voluminosi che possono essere agevolmente separati per
sedimentazione.
Moderata turbolenza: sufficiente a fare collidere le particelle, non
troppa per evitare la rottura del fiocco
Tempo: adeguato all’accrescimento dei fiocchi
COAGULAZIONE-FLOCCULAZIONE
AGENTI COAGULANTI
Composti chimici a base di Ferro o di alluminio. Tali composti liberano in acqua ioni
trivalenti Al3+ e Fe3+, capaci di neutralizzare la carica negativa delle particelle colloidali e
quindi eliminare le forze di repulsione fra le particelle.
Poiché entrano in gioco reazioni del tipo:
M 3  3H 2O  M(OH) 3  3H 
Il pH è uno dei parametri fondamentali nel
processo di coagulazione-flocculazione
Alcuni agenti coagulanti
Solfato di Ferro o di Alluminio
Cloruro di Ferro
Policloruro di Alluminio (PCA)
……...
Varabili di
processo
Tempo di contatto
Turbolenza
Dose di coagulante
pH
Al x (OX) y Cl z
In soluzioni commerciali di
Al 2 O 3
cui sia noto il titolo in
Prove JAR TEST per la determinazione
delle condizioni ottimali di processo
COAGULAZIONE-FLOCCULAZIONE
COAGULAZIONE
(miscelazione veloce)
PγQh
 v2 
h  K 
 g 
Miscelatore
statico
al flocculatore
Gradiente di velocità
G [s-1]
P
G
μV
P fornita dal
Miscelatore
meccanico
motore
al flocculatore
P=Potenza dissipata
 =Viscosità dinamica
P  ρ g ΔH Q
V=Volume agitato
Miscelatore
idraulico
∆H
Range valori:
G  600  1000s 1
t  20  50s
al flocculatore
COAGULAZIONE-FLOCCULAZIONE
FLOCCULAZIONE
(miscelazione lenta)
Flocculazione “a canali”
NB: la larghezza dei canali
aumenta  la velocità
diminuisce
Gradiente di velocità
G [s-1]
P
G
μV
In questo comparto è importante
che G decresca progressivamente
Range valori:
G  20  80 s 1
t  20  60 min
Flocculazione
meccanica
a stadi
COAGULAZIONE-FLOCCULAZIONE
Soluzione impiantistica scelta:
DIMENSIONAMENTO
coagulazione meccanica
flocculazione meccanica a due stadi
Reattivi
M1
M2
M3
OUT
IN
Fanghi
COAGULAZIONE
Fango
FLOCCULAZIONE
SEDIMENTAZIONE
Range valori:
Range valori:
G  600  1000s
t  30 s
Vasca di calma con C.I.S.
tale da permettere la
deposizione dei fiocchi
G  20  80 s 1
t  20  60 min
t  20  50 s
G  900 s
1
1
1
 60 s
1
2° stadio: G  30 s
t  20 min
1° stadio: G
Circolare con flusso
ascensionale, CIS: 0.8-1.35 m/h
C.I.S. = 1.2 m/h
COAGULAZIONE-FLOCCULAZIONE
Dosaggio dell’agente coagulante
Da prove di laboratorio (JAR TEST) è risultato che per rimuovere 10 mg/L di solidi
colloidali serve un dosaggio di 10 mg Al/L.
Dosaggio necessario: 10 mg Al/L
Soluzione:
titolo di Al2O3
6% peso/peso 
peso specifico
1,2 Kg/L
6 Kg Al 2O3
100 Kg soluzione
Dosaggio giornalier o  (5500 m3 /d 1000L/m 3 ) 10mg/L  55 106 mg Al/d  55 Kg Al/d
Tenuto conto dei pesi molari di Al2O3 (102 g/mol) e Al (27 g/mol) per passare a Kg di Al2O3 occorre
moltiplicare per 1.89 (102/54)
104 Kg Al 2O3 /d
In termini di soluzione commerciale al 6% in Al2O3:
Volume soluzione 
1733,3 Kg/d
 1444,4 L/d
1.2 Kg/L
104 Kg Al 2O3 /d
 1733,3 Kg /d
0,06
Questa quantità va considerata
per il volume del serbatoio di
stoccaggio
Es: per un rifornimento ogni 15 gg
occorre un serbatoio di circa 44 m3
COAGULAZIONE-FLOCCULAZIONE
Dimensionamento del comparto COAGULAZIONE
Scelta impiantistica:
Miscelazione meccanica
M1
G  900 s 1
t  30 s
IN
30 s
V  Q progetto  t  230 m /h 
 1,9 m 3
3600 s/h
3
G
P
μV
Ptrasmessa  G 2μV
Assumendo
Coagulante
μ 20  1.002  10 -3
Se η (0.85) è il Rendimento gruppo motore
Kg
m s
OUT
Ptrasmessa= 1.542 kW
Ptrasmessa 1.542
Passorbita 

 1.814 kW
η
0.85
N.B. per temperature più basse μ aumenta
la Potenza da applicare aumenta
 conviene adottare un mixer a numero di giri variabile
COAGULAZIONE-FLOCCULAZIONE
Dimensionamento del comparto FLOCCULAZIONE
M2
M3
IN
Scelta impiantistica:
Miscelazione
meccanica in due stadi
V  Q progetto  t  230 m 3 /h 
G  60 s 1
1
2° stadio: G  30 s
1° stadio:
t  20 min
20 min
 76.6 m 3
60 min/h
STADIO I: GI: 60 s-1
P I assorbita 
G 2  ( 20)V

OUT

60 2 s  2 1.002 10 3 Kg  m 1  s 1  40m 3


0.85
 170 W
40 m3 per ciascuno stadio
STADIO II: GI: 30 s-1
P I assorbita 
G 2μ (20) V

η
30 s 1.002 10 3 Kg  m 1  s 1  40m3


0.85
 42 W
2 2
NB: anche in questo caso attenzione alle temperature per la μ
COAGULAZIONE-FLOCCULAZIONE
Dimensionamento del comparto SEDIMENTATORE
OUT
Vasca di calma con C.I.S. tale da permettere la
deposizione dei fiocchi
Velocità di up-flow (CIS)
Velocità di sedimentazione
Circolare con flusso
ascensionale, CIS: 0.8-1.35 m/h
Q
230 m3 /h
A

 191.6 m 2
C.I.S. 1.2 m/h
Assumendo una profondità h = 3 m
(volume dunque pari a 574,8 m3)
Tempo di ritenzione = 2.49 h
C.I.S. = 1.2 m/h
Raggio = 7.8 m
IN
Fango
COAGULAZIONE-FLOCCULAZIONE
CHIARIFLOCCULATORE A LETTO DI FANGO
CHIARIFLOCCULATORE A
BACINO UNICO
coagulazione
flocculazione
sedimentazione
FILTRAZIONE RAPIDA
FILTRAZIONE
RAPIDA
Processo di separazione che consiste nel passaggio della miscela
solido-liquido attraverso un mezzo poroso che trattiene le particelle
solide
Funzionamento a carico idraulico superficiale (C.I.S) elevati
Q
C.I.S. 
A
Q
 m3 
 2 
m h
Velocità di filtrazione
dipende da:
Progressivamente: INTASAMENTO FILTRO
• Qualità dell’influente
• Caratteristiche del
mezzo filtrante
A
AUMENTO DELLE PERDITE DI CARICO
AUMENTO DEL LIVELLO DELL’ACQUA SUL FILTRO
PEGGIORAMENTO DELLA QUALITA’ DELL’EFFLUENTE
Q
Necessario:
PULIZIA DEL FILTRO
“CONTROLAVAGGIO”
FILTRAZIONE RAPIDA
STRUMENTI DI CONTROLLO ESSENZIALI
PERDITA DI
CARICO
Se supera un certo valore
(1.5 – 2 m)
CONTROLAVAGGIO
IN
FILTRAZIONE RAPIDA
PORTATA
PORTATA
TORBIDITA’
OUT
< 10-20 NTU
(meglio < 5 NTU)
ALTRIMENTI:
precoce intasamento del filtro
TORBIDITA’
ottimo 0.1 NTU
Se supera un certo valore
(0.6 – 0.8 NTU)
CONTROLAVAGGIO
FILTRAZIONE RAPIDA
Misuratore
perdita di carico
Filtro in esercizio
Acqua
da filtrare
∆h
Acqua (+ aria)
di lavaggio
Acqua di
lavaggio
Acqua
filtrata
Funzionamento a CARICO COSTANTE:
Elettrovalvola sulla condotta a monte del filtro
APERTURA/CHIUSURA = funzione (∆h)
FILTRAZIONE RAPIDA
Filtro in controlavaggio
Acqua
da filtrare
espansione
del filtro
Acqua (+ aria)
di lavaggio
Acqua di
lavaggio
Acqua
filtrata
A) Espansione del filtro in controlavaggio:
(Tipicamente, 10 – 20% dell’altezza del letto)
Necessario tenerne conto nel progetto per evitare di
perdere parte del letto filtrante nel controlavaggio
B) Acqua usata per il controlavaggio: acqua finale dell’impianto
C) Acqua di lavaggio: generalmente viene rimandata in testa all’impianto
FILTRAZIONE RAPIDA
PARAMETRI CARATTERISTICI DEL MEZZO FILTRANTE
• Range di dimensione: Dimensione massima e minima dei grani di cui è composto il
mezzo filtrante
• Dimensione effettiva: Dimensione dei fori del setaccio che trattiene il 90% in peso del
mezzo filtrante
• Coefficiente di uniformità:
φ 60
U.C. 
φ10
φ 60
- Dimensione dei fori del setaccio attraverso cui
passa il 60% in peso del mezzo filtrante
φ10
- Dimensione dei fori del setaccio attraverso cui
passa il 10% in peso del mezzo filtrante
• Altri parametri: peso specifico, forma dei grani, porosità.
TIPOLOGIE DI LETTO FILTRANTE
• Single media: Letto filtrante costituito da un singolo materiale (tipicamente SABBIA)
• Dual media: Letto filtrante costituito da due diversi materiali (diverso peso specifico).
Questo tipo di letto permette di avvicinarsi maggiormente al funzionamento
di filtro IDEALE, in seguito alla fase di controlavaggio.
FILTRAZIONE RAPIDA
FILTRO IDEALE: Filtro in cui i primi strati attraversati dall’acqua sono composti da grani
di dimensioni maggiori e gli strati seguenti sono composti da grani di
dimensioni progressivamente più piccole.
L’acqua perde prima i solidi sospesi più grandi e poi quelli più piccoli.
Il filtro funziona ‘bene’ per tempi più lunghi (controlavaggio meno frequente).
Grani più piccoli sedimentano più
lentamente di quelli più grandi.
controlavaggio
vs 
g  (ρ - ρ H 2O )  D 2
18η
Legge di Stokes
FILTRO IDEALE
FILTRO
DUAL MEDIA
(tipico)
FILTRO CONTRARIO
A QUELLO IDEALE
Single Media: conta D
g
, dimensioni maggiori
cm 3
g
Sabbia: ρ  2.65
, dimensioni minori
3
cm
Antracite:
ρ  1.6
Dual Media: conta ρ
L’antracite (dimensioni maggiori, peso specifico minore) sedimenta più lentamente della
sabbia (dimensioni minori, peso specifico maggiore)
RIPRISTINO DEL FILTRO IDEALE
FILTRAZIONE RAPIDA
DIMENSIONAMENTO
1) Preliminare: scelta del tipo di letto filtrante
Caratteristiche note
Materiale/materiali;
Granulometria
Carico idraulico
superficiale
Tabelle,
manuali
 m3 

C.I.S.  2
m h 
Sistema di drenaggio
2) Superficie totale del letto filtrante: A
Letto di sabbia (Ф = 0.5 – 1 mm): C.I.S. = 5-12
m3
Q progetto  230
h
A
A
Q progetto
C.I.S.
m3
m2  h
Assumo: C.I.S.= 8
m3
m2  h
230
 28.75 m 2
8
3) Numero di filtri
Controlavaggio: risparmio di acqua ed energia
Suddivisione della superficie totale in 2 filtri da 15 m 2
Limitazione superficie di ogni filtro
(3 m x 5 m)
FILTRAZIONE RAPIDA
3) Spessore del letto filtrante
Normalmente il letto filtrante ha spessore totale: 0.5 -0.8 m
A sostegno del letto filtrante può essere inserito uno strato drenante in ghiaia di
spessore: 0.2 – 0.3 m
Assumo: Spessore letto di sabbia: 0.6 m
Spessore letto drenante (ghiaia): 0.2 m
4) controlavaggio
Fase 1 – 10 min:
m3
15 2
Acqua
m h
m3
Lavaggio 1 volta al giorno: ogni 24 ore
60 2
Aria
m h
m3
Fase 2 – 10 min: 30
Acqua
2
m h
m3
1
Consumo di acqua: Fase 1 – 15 2
 A filtro  nfiltri  h  75 m3
TOT: 225 m3
m h
6
ogni 24 ore
3
m
1
3
Fase 2 – 30

A

n


h

150
m
filtro
filtri
m2  h
6
Q lavaggio
Acqua prodotta in 24 ore: Qprogetto  24  5500 m3
Accettabile
 100  4%
Q prodotta
(< 5%)
FILTRAZIONE RAPIDA
FILTRO IN ESERCIZIO
Filtri a sabbia Degremont (Anconella)
FILTRAZIONE RAPIDA
FILTRO IN CONTROLAVAGGIO
Filtri a sabbia Degremont (Anconella)
Sistemi di drenaggio dell’acqua filtrata
FILTRAZIONE GAC
Fase del trattamento di potabilizzazione che permette di eliminare dall’acqua sostanze
microinquinanti organici e inorganici che possono dare origine a problemi di odore e sapore.
PRINCIPALI PARAMETRI CARATTERISTICI DEL G.A.C.
• Dimensione dei grani – Materiale più fine corrisponde a una maggiore velocità di
adsorbimento ma anche a maggiori perdite di carico. Tipicamente le dimensioni dei grani sono
0.5 – 1 mm
• Superficie specifica – Superficie totale (tutti i pori compresi) per unità di volume. Per
determinare la superficie dei pori si ricorre a due indici, indice di Iodio e Blu di Metilene: in
pratica si tratta di stabilire la quantità di specifiche sostanze adsorbite da 1 g di carbone
• Densità apparente – Densità del materiale determinata senza contare il volume dei pori
contenuti nel singolo grano e dei vuoti lasciati liberi fra grano e grano
I FILTRI GAC
• Il GAC viene generalmente disposto come una struttura dedicata che ha l’aspetto di un
normale filtro rapido. In alcuni casi due filtri sono disposti in serie: uno in up-flow e uno in
down-flow.
• Anche i filtri GAC sono sottoposti a controlavaggio. Il controlavaggio del filtro GAC ha lo
solo scopo di eliminare i materiali che determinano il intasamento e non di eliminare le
sostanze adsorbite, per cui è invece necessaria la rigenerazione.
FILTRAZIONE GAC
E.B.C.T. – Empity Bed Contact Time -Tempo di contatto del filtro GAC calcolato
considerando vuoto lo spazio occupato dal GAC. Si tratta di uno dei parametri fondamentali
per il dimensionamento di un filtro GAC. Determina il comportamento del filtro (anche
biologico o meno).
Q
EBCT 
VGAC
EBCT > 30 min – Il filtro può ospitare colonie batteriche
Filtro BAC – Biological Activated Carbon
EBCT: 5-30 min – Azione biologica limitata o nulla
ISOTERMA DI ADSORBIMENTO
Isoterma di Freundlich:
Relazione analitica fra la quantità di sostanza assorbita
e la quantità della stessa sostanza che resta in
soluzione (in condizioni di equilibrio e a T° costante).
x
 K C
m
1
n
X = peso del materiale adsorbito
m = peso dell’adsorbente
C = concentrazione che resta in soluzione
n = costante
Le isoterme di adsorbimento sono molto importanti nella progettazione del trattamento di
filtrazione GAC perché permettono di prevedere la durata di un filtro in relazione alle
caratteristiche del GAC, dell’acqua da trattare e degli standard di qualità dell’effluente.
FILTRAZIONE GAC
ROTTURA E ESAURIMENTO DEL FILTRO GAC
Q
Zona di trasferimento di
massa: in questa zona il
carbone adsorbe attivamente
le sostanze in soluzione in
grado variabile nel senso del
flusso fra 0 a 100%.
Sotto questa zona il GAC è
ancora vergine
Q
Q
Conc. effluente
Concentrazione
Sopra questa zona il GAC ha
raggiunto il punto di equilibrio
dinamico
Q
Conc. limite
T. V
CURVA DI ROTTURA
Fissato un valore C limite si individua un
punto sulla curva di rottura raggiunto il quale
occorre procedere alla rigenerazione del
GAC (fisicamente o chimicamente)
PUNTO DI
ROTTURA
PUNTO DI
RIGENERAZIONE
PUNTO DI
ESAURIMENTO
FILTRAZIONE GAC
DIMENSIONAMENTO
1) Superficie del filtro GAC
A
Q progetto
C.I.S.
Scelta di un opportuno C.I.S., generalmente: 4 – 10
m3
Assumo: C.I.S. = 6
m2  h
m3
Q progetto  230
h
A = 38 m2
2) Altezza del filtro GAC
Vgac  Q progetto  EBCT
Scelgo EBCT = 20 min
h
Vgac
A

(NO attività biologica)
Q progetto  EBCT
A
 2m
m3
m2  h
FILTRAZIONE GAC
3) Rateo di utilizzo del GAC
Ipotesi: (a) Il comportamento del GAC può essere descritto dall’isoterma di Freundlich
K  350
mg
g
 L 

 
 mg 
1
n
e
1
 0.35
n
(b) Valore limite TOC in uscita: 0.5 mg/L
(c) Valore medio TOC in entrata: 6 mg/L
1
mgTOC ads
 350  (TOC limite ) n  275
gGAC consumato
In un giorno si accumula sul GAC una quantità pari a:
mg TOC ads
 m3 
 mg 
 L 
6




 TOC IN 

Q

24
h

1000

33.12

10
mg
 progetto 


3

 L 
m 
 h 
gGAC consumato  120 436g
Kg GAC consumato
 120
giorno
FILTRAZIONE GAC
4) Vita utile del filtro GAC
Ipotesi: (a) altezza della zona di trasferimento di massa (ZTM): 15 cm
(b) nella ZTM si ha un incremento del TOC in uscita di 0.15 mg per ogni cm
Kg
(c) Densità apparente GAC: 500
m3
Q
In uscita è accettabile TOC =0.5 mg/L, quindi il filtro può funzionare
Al punto di rottura l’uscita sarebbe ancora TOC nullo con altezza utile:
(2-0.15)= 1.85 m
A questo va aggiunto uno “sprofondamento” fittizio della ZTM di una
quantità tale che il TOC in uscita sia 0.5 mg/L, e cioè:
ZTM = 0.15 m
Altezza filtro = 2m
oltre il punto di rottura fino a che questo limite in uscita è garantito.
Consumo GAC = 120
mg
L
 3.3 cm
mg L
0.15
cm
0.5
altezza utile = (1.85+0.03) m
Volume utile = 1.88 x 38 = 71.4 m3
Massa utile = 71.4 x 500 =35700 Kg
Kg GAC consumato
giorno
Vita Utile 
Massa utile 35700

 297giorni
consumo
120
RIGENERAZIONE DOPO CIRCA 300 giorni
DISINFEZIONE FINALE
OBIETTIVI: • Inattivazione dei microrganismi patogeni presenti in acqua
• Protezione dell’acqua potabile durante la permanenza nella rete di
distribuzione all’utenza
PRODOTTI IMPIEGATI
Tradizionalmente si tratta di prodotti chimici a base di cloro perché permettono l’esistenza
di un residuo nell’acqua trattata stabile nel tempo (protezione nella rete di distribuzione).
• Cloro gas e Ipoclorito di Sodio (NaClO)
• Cloroammine
• Biossido di Cloro (ClO2): attualmente il più
usato
• Ozono
• radiazione UV
PROBLEMATICA
L’impiego di prodotti chimici, efficaci nell’inattivazione dei microrganismi, comporta la
formazione di sottoprodotti di reazione indesiderati, la cui concentrazione è limitata dalla
Normativa in materia (Dlgs. 31/2001).
DISINFEZIONE FINALE
FATTORI CARATTERISTICI DELLA DISINFEZIONE
(A) Concentrazione del disinfettante:
Effetto della concentrazione dato da:
Cn  T  K
C è la concentrazione del disinfettante
T è il tempo di contatto per raggiungere un dato livello di inattivazione dei batteri
K è una costante
n è il coefficiente di diluizione (o l’ordine della reazione): se n > 1 è più importante la
concentrazione, se n < 1 è più importante il tempo di contatto
n e K dipendono da pH, Temperatura, tipo di disinfettante, tipo di batterio
(B) Tempo di contatto
In teoria l’inattivazione dei microrganismi segue la legge di Chick:
dN
  kN
dt
N è il numero degli organismi sopravvissuti
k è il rateo di inattivazione dipendente sia dal tipo di microrganismo che dal tipo di
disinfettante
In pratica la relazione è molto più complessa: dipende da tutte le condizioni particolari sotto
le quali avviene il processo di inattivazione
DISINFEZIONE FINALE
(C) Temperatura
All’aumentare della Temperatura aumenta il rateo di disinfezione chimica
(D) Torbidità
Le sostanze in sospensione possono interferire nel processo di disinfezione proteggendo i
microrganismi contro l’azione del disinfettante. Risulta importante ridurre la torbidità prima
di effettuare il processo di disinfezione.
(E) Richiesta di ossidante (disinfettante)
Si tratta di un parametro sperimentale
che caratterizza l’acqua da trattare e
aiuta il progettista a scegliere il
prodotto e il dosaggio più opportuni.
Dosaggio 1 mg/L di cloro
0,8
0,7
0,6
Cl2 (mg/L)
La richiesta di ossidante è la dose di
disinfettante che è necessario fornire
per trovare un determinato residuo di
esso dopo un tempo stabilito (30
minuti, 1 ora, 2 ore…) .
0,5
cloro
residuo
0,4
0,3
cloro
richiesta
0,2
0,1
0,0
0
200
400
600
800 1000 1200 1400 1600
t (min)
DISINFEZIONE FINALE
DISINFEZIONE:
PROCESSO DIFFICILE DA MODELLARE
• Dosaggio in base a PROVE
SPERIMENTALI PRELIMINARI
• VERIFICA a posteriori
dell’efficienza del processo
VERIFICHE A POSTERIORI - Rispetto della Normativa (Dlgs. 152/2006)
PARAMETRI MICROBIOLOGICI INDICATORI
• Escherichia Coli: assenti in un campione da 100 ml
• Enterococchi: assenti in un campione da 100 ml
DISINFETTANTE RESIDUO
Consigliato un valore minimo di 0.2 mg/L per la protezione nella rete di distribuzione
(campionamento in rete)
SOTTOPRODOTTI DI DISINFEZIONE
Uso di Cloro o Ipoclorito di Sodio: Trialometani (sospetti cancerogeni): < 30 μg/L
Uso di Biossido di Cloro: Ione Clorito (forme anemiche): < 0.7 mg/L
DISINFEZIONE FINALE
DIMENSIONAMENTO
1) Scelta del prodotto e del dosaggio
Ossidante (Disinfettante) scelto: Biossido di Cloro (ClO2)
Il dosaggio viene scelto in base a prove sperimentali che attestino l’efficacia
nell’inattivazione dei microrganismi e l’esistenza di un residuo di disinfettante che
protegga l’acqua nella rete di distribuzione.
Generalmente: 0.5 – 1.5 mg/L di cloro (Cl-ClO2)
2) Vasca di contatto
Il volume della vasca deve garantire un tempo di contatto adeguato al processo di
disinfezione.
Assumo: Tcontatto  1 h
Q progetto  230
3
m
h
V  Qprogetto  Tcontatto  230 m3
DISINFEZIONE FINALE
3) Accorgimenti particolari
TEMPO DI CONTATTO: Per garantire che l’acqua e il disinfettante siano in contatto per il
tempo stabilito occorre evitare la presenza di “zone morte” o “corto-circuiti”. In pratica si
tratta di avvicinarsi il più possibile al comportamento di un rettore di tipo PLUG-FLOW e si
realizza inserendo opportunamente dei SETTI nel bacino di contatto.
PROTEZIONE DELLA VASCA: La vasca di disinfezione raccoglie l’acqua potabilizzata
prima di inviarla alla centrale di spinta e poi alla rete di distribuzione. E’ necessario coprire
le vasche per proteggere l’acqua da possibili fonti di inquinamento.
Bacino di contatto
IN
OUT
n.b. per il dimensionamento della vasca (numero di setti, lunghezza, …) si veda l’esercitazione sulla depurazione