Dossier Introduzione ai processi di trattamento delle acque

Dossier
Introduzione ai processi
di trattamento
delle acque
agosto 2007
Schneider Electric Spa ©
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Acqua bene primario e risorsa preziosa
L’acqua è una risorsa essenziale per tutti gli aspetti della vita: alimenti, energia, trasporti, natura,
tempo libero e per tutti i prodotti di uso quotidiano.
Ora che la crescita della popolazione e lo sviluppo economico imprimono un’accelerazione alla domanda di
tutti i beni, l’importanza dell’acqua diventa sempre più evidente per tutti.
Balzano in primo piano come problemi globali, nell’ambito ambientale e dello sviluppo, il limitato accesso
all’acqua potabile sicura come pure il deterioramento della qualità dell’acqua in Europa e in altre aree del
mondo.
Il 30-40% dell’acqua va perduto a causa degli allacciamenti clandestini alle reti di distribuzione e delle
perdite in rete mentre i trattamenti di depurazione completi coprono poco più del 55% della popolazione.
Migliorare la quantità e qualità delle risorse idriche disponibili per il consumo umano e industriale e il
trattamento delle acque reflue è dunque essenziale ai fini dello sviluppo economico.
Schneider Electric si pone come partner tecnologico al servizio degli operatori del servizio idrico integrato
per rispondere alle esigenze di maggior rendimento, maggior efficienza e miglior sicurezza degli impianti di
trattamento delle acque, dei fanghi e destinati alla distribuzione dell’acqua.
Con un’esperienza tecnologica di oltre 30 anni nel settore dell’acqua siamo in grado di offrire ai nostri
Clienti un'offerta completa di soluzioni integrate di automazione, controllo e supervisione e di distribuzione
elettrica.
Processi Idrici
I processi di gestione e trattamento delle acque possono riassumersi nei seguenti:
•
•
•
Ciclo di potabilizzazione delle acque
Distribuzione delle acque
Ciclo di depurazione delle acque reflue
Ciclo di potabilizzazione delle acque
L’acqua potabile può essere generata da impianti di potabilizzazione (prelievo da fiumi o pozzi) o tramite la
desanilizzazione oppure “estratta” dalle falde.
Prelievo da fiume o da pozzi
1 Prelievo
L'acqua è aspirata mediante pompe elettriche, direttamente dal fiume e da alcuni pozzi localizzati nella
golena, e inviata in tubazione agli impianti di trattamento.
2 Decantazione
L'acqua viene immessa in grandi vasche e lasciata decantare, cioè ad aspettare che le sostanze solide in essa
contenute per effetto del loro peso si depositino sul fondo, per poter raccogliere, in superficie, un'acqua più
pulita di quella di partenza.
In questo modo si eliminano i fanghi, il limo e le sabbie che costituiscono gran parte del materiale portato in
sospensione dall'acqua del fiume.
3 Biodepurazione in bacini di accumulo
L'acqua viene immessa in un grande bacino nel quale si muove lentamente con un percorso obbligato per
alcuni giorni nei quali si attiva un processo di biodegradazione naturale che elimina molte delle sostanze che
possono essere nocive per la salute dell'uomo
4 Chiariflocculazione
All'acqua sono aggiunti dei sali minerali che hanno la capacità di agglomerare, oltre alle particelle più fini in
sospensione, anche gran parte dei metalli pesanti eventualmente presenti.
L'agglomerato si deposita sul fondo, mentre in superficie viene raccolta l'acqua limpida, anche se non ancora
potabile.
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5 Filtrazione su sabbia
Un filtro è formato da uno strato di sabbia granulare dello spessore di un metro. L'acqua attraversa i granelli
che trattengono le molecole più piccole che non si sono depositate nella fase precedente.
Lo strato filtrante viene pulito ogni giorno con getti di aria compressa e acqua.
6 Ozonizzazione
L'ozono è un gas generato sottoponendo aria compressa deumidificata a scariche elettriche con specifici
impianti. Questo gas serve ad igienizzare l'acqua e a distruggere le molecole delle sostanze organiche in essa
disciolte. Inoltre l'acqua si arricchisce di ossigeno migliorando così i successivi trattamenti.
7 Filtrazione su carboni attivi granulari
L'acqua viene fatta passare dentro grandi filtri di acciaio inossidabile riempiti con granelli di carbone attivo
ad elevata porosità.
Le sostanze inquinanti microscopiche eventualmente presenti vengono trattenute all'interno dei pori del
carbone, che va periodicamente rigenerato.
Desalinizzazione
La desalinizzazione è un processo di rimozione non solo del sale (cloruro di sodio), ma anche di minerali e/o
prodotti chimici organici e biologici contenuti nell'acqua non potabile.
In base alla tecnologia usata il prodotto finale è generalmente di alta qualità, contenente solamente da 1 a
500 parti per milione (ppm) di solidi rispetto al valore di 1000 mg per litro contenuti nell'acqua salata.
L'efficienza della desalinizzazione è del 15-50%, cioè 15-50 litri di acqua potabile si possono produrre da 100
litri di acqua marina. Ciò che rimane è rappresentato da acqua ad alto contenuto di sali e solidi di altro tipo.
L'energia richiesta per il processo è di 6 KWh d’elettricità per ogni metro cubo d’acqua trattata.
Per il processo di desalinizzazione possono essere utilizzati quattro procedimenti:
1. la distillazione
2. l'osmosi inversa
3. l'elettrodialisi
4. lo scambio ionico.
Di questi, solo i primi due sono più comunemente usati.
La distillazione
L'acqua marina viene riscaldata fino a produrre vapore che si condensa e viene raccolto. E' il processo più
economico quando è disponibile una sorgente di acqua calda di rifiuto o il propellente, come il petrolio in
Arabia Saudita e in altri paesi del Golfo Persico, dove è economico e abbondante. In alcune zone l'energia
elettrica e l'acqua desalinizzata vengono prodotti nello stesso processo, chiamato di co-generazione, in cui il
calore prodotto durante la generazione di energia elettrica è usato per distillare acqua marina o comunque
salata. La distillazione su scala commerciale impiega normalmente un processo in più fasi.
Si stanno diffonedendo anche soluzioni a bassa temperatura dove la distillazione avviene attraverso sistemi
sottovuoto che possono operare anche su acque calde e inquinate.
Il 60% dei 13'000 impianti mondiali di desalinizzazione funzionano secondo questo principio.
L'osmosi inversa
L'osmosi inversa è il processo in cui si forza il passaggio delle molecole di
solvente dalla soluzione più concentrata alla soluzione meno concentrata
ottenuto applicando alla soluzione più concentrata una pressione maggiore
della pressione osmotica.
In pratica, l'osmosi inversa viene realizzata come un filtro che cattura il
soluto da una parte e permette di ricavare il solvente puro dall'altra.
L'osmosi inversa è l'unico processo che garantisce la produzione d'acqua
di elevatissima qualità chimica e biologica.
Il procedimento dell'osmosi inversa si basa sul principio fisico secondo cui
l'applicazione di una pressione idrostatica superiore alla pressione osmotica esistente tra due comparti
contenenti soluzioni a diversa concentrazione e separati da una membrana semipermeabile, permette il
passaggio di acqua dalla soluzione a più alta concentrazione a quella a più bassa concentrazione di soluti.
Gli impianti ad osmosi inversa sfruttando la proprietà di particolari membrane semipermeabili i cui pori, che
hanno un diametro di circa 5A° (0,0005 micron) ad elevata pressione (14 BAR e 20 BAR) si lasciano
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attraversare dalle molecole dell'acqua e non dai sali in essa presenti, impedendo il passaggio di batteri,
pirogeni e sostanze organiche rappresentando la tecnologia più sofisticata e più efficace per la rimozione dei
sali e delle altre sostanze presenti nelle acque. Il danno alla membrana è comune perché si utilizzano alte
pressioni (fino a 100 bar o 1500 psi) e la loro sostituzione è costosa. Le pompe ad alta pressione richiedono
molta energia elettrica e gli impianti sono di conseguenza azionati di notte per poter favorire il più
conveniente utilizzo di energia. Tale processo è utilizzato nel trattamento dell'acqua, sia per la
desalinizzazione, sia per la rimozione di tracce di fosfati, calcio e metalli pesanti. Va sempre più
aumentando, soprattutto nelle grandi città inquinate, la pratica di trattamento dell'acqua che arriva ai
rubinetti domestici tramite apparecchiature filtranti basate sul processo dell'osmosi inversa.
L'elettrodialisi
I sali vengono separati dall'acqua per migrazione ionica attraverso membrane inserite in campo elettrico. Gli
elettrodi sono attivati da corrente diretta. I costi di una desalinizzazione attraverso elettrolisi sono molto
elevati e anche in questo caso gli impianti vengono azionati di notte per potersi avvalere delle tariffe più
basse.
Desalinizzazione a scambio ionico con elettrodi a carbone-aerogel
La deionizzazione con elettrodi a carbone-aerogel è un processo per rimuovere i sali e altre impurità
dall'acqua. L'acqua viene fatta passare tra due elettrodi mantenuti a bassa differenza di potenziale (circa 1
volt).
Quando sono in saturazione, gli elettrodi vengono rigenerati elettrostaticamente e i sali eliminati come
soluzione molto concentrata. Il sistema periodicamente pulito dai sali facendo passare acqua in senso
inverso.
Gli elettrodi a carbone-aerogel sono molto stabili a livello chimico e possono coprire una grande area (6001000 m2/g di aerogel).
Distribuzione delle acque
Accumulo acqua potabilizzata
L'acqua, terminati tutti i trattamenti ed ormai potabile, viene accumulata in grandi vasche seminterrate per
l'invio ai centri abitati.
Trattamento di clorazione e invio in rete
L'acqua potabilizzata scorre nei tubi posti sottoterra per tantissimi chilometri. Per proteggerla da eventuali
contaminazioni viene aggiunto del biossido di cloro prima dell'invio in rete.
La presenza del biossido di cloro garantisce che l'acqua erogata dai rubinetti sia batteriologicamente pura.
Boosting
L’acqua nelle tubazioni deve essere mantenuta ad una determinata pressione, un metodo è quello di
utilizzare delle pompe di boosting.
Laboratorio di controllo
Il laboratorio si occupa delle analisi e dei controlli di tutte le fasi della potabilizzazione.
Verifica inoltre la qualità delle acque distribuite con prelievi periodici ai punti di utilizzo (fontanelle
pubbliche, scuole, case private, ecc.)
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Ciclo di depurazione delle acque reflue
Il ciclo di depurazione ha lo scopo di:
1. Rimuovere solidi sospesi (es.
plastica, sabbia, piccole particelle)
2. Ridurre il materiale organico e
chimico sospeso
3. Ripristinare i livelli di ossigeno
necessari per garantire la vita
4. Trattare i fanghi residui e i gas
biologici generati nel processo
Ciascuno di questi trova corrispondenza
in un preciso processo:
1. Trattamenti meccanici
2. Trattamenti biologici
3. Trattamenti chimico – fisico
4. Trattamento dei fanghi
Trattamenti meccanici
Con i trattamenti meccanici si eliminano dalle acque reflue urbane, affluenti all’impianto di depurazione, le
sostanze grossolane mediante una separazione fisica.
Da notare che all’ingresso (influent line) potrebbe essere richiesta la separazione delle acque di prima
pioggia normalmente inquinate da agenti chimici residuo della combustione di derivati dal petrolio.
Tale separazione avviene specificamente nelle seguenti fasi:
Asportazione materiale lapideo
Il materiale lapideo, trasportato dalle acque di scarico, cade in apposita fossa inserita all’interno del canale
di adduzione da dove, tramite benna di carico a chiusura idraulica accoppiata a carro ponte o mediante
coclea, viene asportato e scaricato in contenitore carrabile.
Grigliatura grossolana
Con la grigliatura grossolana vengono trattenuti i materiali aventi dimensioni superiori ai 2 ÷ 5 centimetri
(legno, stracci, materiale vario) trasportati dalle acque reflue; la griglia è costituita da una intelaiatura in
acciaio avente barre poste verticalmente e distanziate di 2 ÷ 5 cm. L’asporto del materiale trattenuto dalle
barre può essere fatto in modo manuale od automatico in funzione della tipologia della griglia.
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Grigliatura fine
La grigliatura fine serve a trattenere le particelle sospese aventi dimensioni superiori ad 1 ÷ 1,5 millimetri; il
mercato offre diverse tipologie costruttive di griglie fini ad es. a gradini, a tamburo, a disco, ecc. Trattasi
sempre di macchine a funzionamento automatico. Il materiale trattenuto viene inviato ad un compattatore
per mezzo di coclea e insaccato.
Dissabbiatura
Con la dissabbiatura vengono trattenute le sabbie fini trasportate dalle acque reflue; la separazione fisica
avviene in apposita vasca che, in funzione della tipologia costruttiva, può essere, di tipo circolare con
asporto per aspirazione centrale delle sabbie, oppure di tipo rettangolare con asporto per aspirazione delle
sabbie mediante pompa installata in carro ponte va e vieni. Le sabbie estratte sono inviate al dissabbiatore
statico munito di coclea inclinata per il caricamento del cassone contenitore.
Sollevamento
Generalmente le acque reflue urbane devono essere sollevate alfine di consentire loro di attraversare le
diverse sezioni dell’impianto di depurazione che si susseguono idraulicamente. Il sollevamento può essere
posto, in funzione delle quote, sia successivamente alla asportazione del materiale lapideo sia
successivamente ai pretrattamenti meccanici sopra descritti. Le acque vengono sollevate alle successive
sezioni dell’impianto per mezzo di pompe di tipo sommergibile installate in pozzi di sollevamento
adeguatamente attrezzati con paratoie di separazione.
Omogeneizzazione (trattamento preliminare)
In funzione della tipologia di impianto può essere presente una vasca avente lo scopo sia di omogeneizzare il
carico inquinante affluente sia di equalizzare le portate da inviare ai successivi trattamenti. All’interno della
vasca sono installati dei miscelatori sommergibili ed un sistema di aerazione per evitare fenomeni di
anaerobiosi.
Trattamenti biologici
Con i trattamenti biologici s’intende eliminare dalle acque reflue urbane, affluenti all’impianto di
depurazione, le sostanze organiche ed inorganiche che possono essere assimilate in via aerobica e/o
anaerobica da parte di batteri e dei microrganismi che fanno parte dell’ecosistema.
Nel trattamento biologico dove viene favorita la crescita e le riproduzione batteriche si distinguono le
seguenti fasi:
Denitrificazione
Con la denitrificazione viene ridotta la quantità dei nitrati presenti nel liquame trattato, che verrà
successivamente avviato allo scarico.
La denitrificazione è il processo biologico di riduzione dei nitrati per mezzo di batteri denitrificanti presenti
in ambiente anossico. I microrganismi denitrificanti metabolizzano la sostanza organica utilizzando come
fonte di ossigeno l’ossigeno dei nitrati e riducendo quest’ultimi ad azoto.
I residui della reazione di denitrificazione, in sintesi, sono: microrganismi e azoto gassoso.
La reazione avviene in vasche di opportune dimensione dove vengono posti in contatto i fanghi di ricircolo,
contenenti i batteri denitrificanti, e/o il liquame proveniente dal processo di ossidazione - nitrificazione,
contenenti i nitrati, e le acque reflue in ingresso che contengono il carbonio organico biodegradabile.
Ossidazione - Nitrificazione
Con la ossidazione - nitrificazione vengono ridotte le quantità di sostanze organiche e di ammoniaca presenti
nelle acque reflue urbane.
L’ossidazione è il processo biologico di metabolizzazione delle sostanze organiche e di ossidazione
dell’ammoniaca, per mezzo di batteri aerobi e nitrificanti.
I residui della reazione di ossidazione - nitrificazione, in sintesi, sono: microrganismi, nitrati, acqua e
anidride carbonica.
La reazione avviene in vasche di opportune dimensione dove vengono posti in contatto le acque reflue
provenienti dalla omogeneizzazione e/o dalla denitrificazione con i microrganismi aerobi e nitrificanti e
l’ossigeno loro necessario per il metabolismo; i microrganismi, comunemente denominati fango biologico,
vengono mantenuti in concentrazione di circa 3 ÷ 5 gr./lt.
A mezzo di un sistema di compressione e distribuzione di aria in microbolle viene fornito l’ossigeno
necessario alla metabolizzazione delle sostanze organiche e alla ossidazione dell’ammoniaca contenuti nel
liquame.
Il processo di ossidazione - nitrificazione determina una crescita batterica, quantificata in circa 0,2 ÷ 0.3 gr.
per kg. di COD trattato, che deve essere giornalmente asportata e smaltita.
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Decantazione / Ricircolo fanghi (secondary clarifier)
La decantazione è la fase di separazione fisica del fango biologico, prodotto nel trattamento di ossidazione,
dall’acqua depurata che lo contiene.
La decantazione viene effettuata in vasche circolari munite di sistema raschia fanghi.
Il fango depositatosi sul fondo del decantatore con una concentrazione di circa 6 ÷ 8 gr./lt. viene, tramite
pompe, in parte ricircolato nelle vasche di ossidazione con lo scopo di mantenere in queste la
concentrazione ottimale di microrganismi ed in parte, denominato “fango di supero”, inviato al trattamento
fanghi.
Trattamenti chimico - fisici
Lo scopo dei trattamenti chimico - fisici è quello di rimuovere dalle acque trattate biologicamente le
sostanze colloidali e sospese residue, parte delle sostanze organiche non biodegradabili (colore e
tensioattivi) e i microrganismi residui.
Chiariflocculazione
La chiariflocculazione è un trattamento effettuato con lo scopo di eliminare dalle acque trattate
biologicamente parte delle sostanze sospese e colloidali.
Il contatto fra acqua da trattare, sale di alluminio e polielettrolita avviene in una vasca di reazione munita
di agitazione lenta.
La separazione del fiocco di fango dall’acqua limpida che lo contiene viene effettuata in decantatori di tipo
lamellare.
Decolorazione - Ozonizzazione
Le acque trattate presentano una colorazione residua derivante dalla presenza di coloranti non
metabolizzati nel processo biologico.
Al fine di ridurre o eliminare detta colorazione vengono utilizzati prodotti organici decoloranti, dosati nella
vasca di ossidazione, oppure si applica il processo di ossidazione mediante reazione con ozono.
Ozonizzazione
L’ozonizzazione consente una reazione di ossidazione violenta fra l’ozono (O3) e le residue sostanze
organiche presenti nell’acqua trattata, prima di essere avviata allo scarico.
L’ozono ha anche un effetto battericida.
L’ozono viene prodotto in reattori sottoponendo l’ossigeno gassoso a scariche elettriche.
La miscela gassosa di ossigeno e ozono viene inviata alle vasche di contatto, a tenuta di gas, dove è diffusa
nell’acqua attraverso setti porosi.
Trattamento e smaltimento fanghi
I microrganismi cresciuti a seguito della metabolizzazione delle sostanze organiche, il cosiddetto “fango di
supero”, sono allontanati dal sistema depurativo e smaltiti nel seguente modo:
Digestione
La digestione è un processo biologico finalizzato alla riduzione della massa di microrganismi separati con il
fango di supero; può essere di tipo anaerobico o aerobico.
I residui della reazione di digestione, dopo la riduzione della massa di microrganismi sono in sintesi:
per la digestione anaerobica: metano, idrogeno solforato;
per la digestione aerobica: acqua e anidride carbonica.
In quest’ultimo caso il fango di supero asportato dai decantatori secondari viene inviato alla vasca di
digestione aerobica dove viene ossidato con ossigeno, insufflando aria e/o ossigeno gassoso.
Addensamento
Con l’addensamento del fango digerito si riduce ulteriormente il volume della massa separandone l’acqua
contenuta sino ad ottenere una concentrazione di sostanza secca di circa 30 ÷ 40 gr./lt.
Il fango proveniente dal ricircolo fanghi e/o dalla digestione aerobica viene addensato e successivamente
disidratato, mentre l’acqua drenata è ricircolata in testa alla linea acqua dell’impianto.
Disidratazione meccanica
I fanghi provenienti dall’addensamento e/o dalla digestione biologica vengono ulteriormente ridotti di
volume mediante disidratazione meccanica in centrifughe.
Dopo centrifugazione il fango, contenente circa il 18 ÷ 20% di sostanza secca, è avviato allo stoccaggio per
mezzo di coclee trasportatrici e/o pompe monovite.
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Stoccaggio
In attesa del conferimento per lo smaltimento finale come rifiuto speciale, il fango disidratato viene
stoccato in appositi silos muniti di sistema di caricamento dei cassoni adibiti al trasporto.
Essiccazione
Il fango stoccato nel silos, prima di essere avviato allo smaltimento, può essere ulteriormente disidratato in
impianto di disidratazione termica a film sottile; dopo l’essiccamento il contenuto di sostanza secca nel
fango si eleva a circa il 80 ÷ 90 %.
I controlli
Il processo di depurazione è costantemente sorvegliato sia mediante controlli analitici sia con un controllo
del processo.
Controlli analitici
Le analisi giornaliere sono eseguite sulle acque reflue urbane in ingresso, nelle fasi di trattamento di
depurazione intermedie e nelle acque trattate allo scarico.
Il prelievo dei campioni da analizzare è effettuato con campionatori automatici proporzionali alla portata
per le acque reflue in ingresso e allo scarico e con attrezzo per il campionamento istantaneo per le fasi
intermedie.
Controllo del processo
Il controllo del processo viene attuato in automatico nelle varie fasi di trattamento mediante supervisori PLC
che effettuano un monitoraggio continuo delle macchine e delle apparecchiature.
I PLC sono collegati con un server di rete centrale il quale elabora i dati pervenuti è in funzione dei
parametri di controllo impostati ne verifica la rispondenza inviando, se del caso, segnalazione di allarme.
Le segnalazioni di allarme sono inviate al personale in servizio per il loro intervento 24h su 24h.
Per maggiori informazioni visitate il nostro sito
www.schneiderelectric.it
In ragione dell’evoluzione delle Norme e dei materiali,
le caratteristiche riportate nei testi e nelle illustrazioni
del presente documento si potranno ritenere
impegnative solo dopo conferma da parte di
Schneider Electric.
Schneider Electric S.p.A.
Sede Legale e Direzionale
Via Circonvallazione Est, 1
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