trattamenti acque grezze PARTE2 vers_2

TRATTAMENTI delle ACQUE GREZZE - 2° PARTE
vers_2 - Prof.A.Tonini
ELENCO TRATTAMENTI delle
ACQUE - 2°PARTE:
1-CHIARIFLOCCULAZIONE;
2-STERILIZZAZIONE;
3-ALTRI TRATTAMENTI:
ADSORBIMENTO – DEGASAZIONE ELIMINAZIONE SOSTANZE DISCIOLTE Fe2+ Mn2+ -
1- TRATTAMENTO DI CHIARIFLOCCULAZIONE (precipitazione chimica)
ELIMINAZIONE DEI SOLIDI SOSPESI FINISSIMI E COLLOIDALI: la rimozione dei solidi sospesi (tutti i solidi di
dimensioni superiori a 0,45 µm ) è sempre il primo stadio di qualunque ciclo di trattamento. I solidi sospesi possono essere
distinti in solidi sedimentabili (posto 1 dm3 in un cono imhoff, raggiungono il fondo entro 2 ore), in solidi sedimentabili
finissimi e colloidali (tempi di sedim.molto grandi, Φ=1µm→vSEDIM=3mm/s) e non sedimentabili.
Le apparecchiature più utilizzate sono i sedimentatori e i filtri a sabbia, in pressione o sotto vuoto( VEDI trattamenti di
separazione Solido-Liquido)
Sedimentazione di solidi colloidali
I colloidi si distinguono in colloidi idrofili (di origine organica, ac.umici,alghe...,sostanze
con gruppi –OH,-COOH,-NH2, che assorbono in superficie uno strato di H2O) e idrofobi
(di natura inorganica,argille,silicati..., presentano un’interfaccia più netta).
L’aspetto caratterizzante dei colloidi è la repulsione elettrostatica che si esercita a breve
distanza tra le varie particelle, per opera di cariche disposte sulla superficie: la repulsione
impedisce la collisione tra le particelle e la conseguente formazione di aggregati più
voluminosi, e quindi più facilmente sedimentabili.
Come si vede in fig.,sulla superficie vengono attratti gli ioni opposti presenti nell’acqua;
quindi nel caso di cariche negative sulla superficie si contrapporrà uno strato di cariche
positive a diretto contatto con quelle negative; questo strato formato si chiama “strato di
Stern”; oltre questo strato si distingue un altro dove concentrazione degli ioni positivi è
prevalente. Il valore del potenziale elettrico dello strato di Stern è detto potenziale zeta.
L’avvicinamento di più particelle di colloidi, quindi una minor repulsione fino ad
annullamento, sarà possibile abbassando questo potenziale: si usano per questo agenti di
coagulazione a base di ioni Al3+ e Fe3+, ioni relativamente piccoli ma con grande carica,
che hanno effetto di eliminare le repulsioni e facilitare l’aggregazione.
legenda potenziali di particella:
N:potenziale Nernst
Z:pot.Z del doppio strato
D:doppio strato;d:strato Stern
S:strato Stern
Z*:pot.in presenza agenti coagul.
CHIARIFLOCCULAZIONE
L’eliminazione dei solidi finissimi e colloidali avviene in tempi industrialmente
accettabili, mediante un trattamento con aggiunta di sostanze chimiche in 3 fasi:
1. COAGULAZIONE: sfrutta l’azione di sostanze, dette coagulanti, di natura
inorganica; vengono destabilizzate le piccole particelle caricate e i colloidi rendendo
possibile la formazione di agglomerati. I meccanismi in cui avviene la
destabilizzazione sono diversi in funzione del pH; a pH acidi (o comunque quando in
soluzione abbiamo i cationi) il meccanismo è la neutralizzazione di carica;
AGENTI COAGULANTI più comuni:
azione:
- abbassare i valori di potenziale elettrico (Z) in prossimità della
-Al2(SO4)3:buona azione a pH5-7,precipitato fioccoso;
superficie del colloide (destabilizzazione);
3+
3+
-PAC
policloruro Al (AlN(OH)MCl3N-M]X): maggior
- idrolisi dei sali di Al e Fe , con formazione di ioni
potere coag.,pH5-10, per acque anche di fiume uso
polinucleari;
potabilizzazione;
- formazione di precipitati fioccosi di Al(OH)3 e Fe(OH)3, che
-FeCl3: buon potere, basso costo,pH4-10,molto
sfruttano come centri di nucleazione particelle colloidali in
corrosivo, possibili colorazioni;
sospensione, con crescita di un precipitato amorfo in cui le
-Ca(OH)2 CaCl2: uso per elim. fosfati N ammoniacale;
particelle colloidali rimangono intrappolate.
Maggiore sarà la concentrazione di sali, maggiore sarà l’effetto schermante.
modalità: agitazione rapida, per circa 5 minuti (per favorire la dispersione dell’agente).
2. FLOCCULAZIONE: gli aggregati continuano ad ingrossarsi fino a diventare sedimentabili;
agenti di flocculazione: PAC (policloruro, [AlN(OH)MCl3N-M]X); polielettroliti organici: macromolecole organiche
ottenute per processi di polimerizzazione:Pacr.Ammidi (non-ion.), Pacrilici (anion.), Poliammine (cation.).
Le loro dimensioni sono paragonabili ai colloidi in sospensione; il funzionamento prevede che le catene polimeriche
vengano inizialmente adsorbite sulla superficie delle particelle solide, creando dei ponti tra le particelle; maggiore è il
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peso molecolare del polimero maggiore sarà la capacità legante. (Accorgimenti per la scelta del polielettrolita: quando i
polielettroliti vengono usati da soli è preferibile usare polielettroliti cationici; se l’acqua è già stata trattata con
coagulanti organici, è preferibile usare polielettroliti anionici)
modalità: agitazione lenta, per circa 15 minuti (favorire l’accrescimento dei fiocchi).
3. SEDIMENTAZIONE:
prevalgono le forze di gravità, i fiocchi sedimentano in circa 2-4 ore, in condizioni di calma; il liquido surnatante esce
dalle canalette in superficie
N.B.: la scelta ed il dosaggio di coagulanti /flocculanti deve essere determinato in laboratorio con un jar test sull’acqua da
trattare o meglio con degli impianti pilota. Il dosaggio è funzione della natura dell’acqua grezza (pH, alcalinità, solidi
sospesi, ecc.) e sul grado d’abbattimento richiesto dei parametri come (torbidità, colore, carbone organico totale (TOC),
THMs, ecc.). Numerosi prodotti chimici sono utilizzati nei processi di coagulazione e flocculazione. Ad ogni prodotto sono
associati vantaggi e svantaggi.
APPARECCHIATURE (sedimentatori: vedi separazione S/L
parte1) [uso in imp.potabilizzazione e depurazione chimica]
a)-a vasche separate
Da un punto di vista impiantistico le prime due fasi avvengono
all’interno di un miscelatore se la portata da trattare non è eccessiva,
oppure in un miscelatore e in una vasca di coagulazione in cui si
fornisce il tempo sufficiente a far maturare il fiocco. All’interno del
miscelatore viene effettuato anche il dosaggio dei reagenti. La fase
finale avviene in parte durante la coagulazione, in parte durante la sedimentazione, in cui avviene anche la separazione delle
sostanze inquinati dal corpo veicolante.
Essenziali sono il giusto valore del pH e la temperatura, il cui aumento favorisce la coagulazione, sia per ragioni cinetiche,
sia perché fa diminuire la viscosità e la densità della soluzione.
b)-a vasca unica: accelator
È un’apparecchiatura a pianta circolare, suddivisa in tre zone: una
centrale (6), dove entra l’acqua da trattare (1) e i reagenti, coagulanti;
un’altra centrale (4 – 5) dove entrano i polielettroliti (e calce per il
pH); la zona esterna (7 – 9), dove lo stato di relativa calma dell’acqua,
che si muove verso l’uscita a velocità sempre più bassa, consente la
sedimentazione dei solidi. L’acqua chiarificata esce dalle canale
superiori (2), il fango da (10), una parte riciclato (8) per accellerare il
processo. L’efficienza di questo apparecchio non è del 100 %, quindi dopo il trattamento dovrà seguire la filtrazione.
c)-a vasca unica: pulsator
Da un punto di vista costruttivo il Pulsator mod. Degremont (vedi figura) è
formato da un bacino a fondo piatto, alla base del quale ci sono dei tubi (3) che
rendono possibile l’introduzione dell’acqua grezza da trattare in modo uniforme su
tutta la superficie dell’apparecchio. In alto, sopra le tubazioni di immissione
dell’acqua, ci sono dei canali (6) che permettono la raccolta uniforme dell’acqua
decantata, evitando così di creare velocità ascensionali diverse nelle varie zone del
decantatore.
Il sistema di alimentazione di questo apparecchio è costituito da un camino (2)
dentro il quale viene mandata la torbida da trattare già addizionata di coagulanti; in
questa zona viene aspirata aria mediante un compressore (7). Quando l’acqua
raggiunge il livello di 1 metro sopra il livello dell’acqua del decantatore si apre una
valvola (8) che ristabilisce la pressione atmosferica, permettendo al liquido di scendere e passare nella zona del decantatore.
In questa apparecchiatura il tempo di svuotamento della campana è di 5 secondi, mentre quello di riempimento è di
15/20 secondi. In questo modo nella parte bassa del decantatore si crea un letto di fango pulsante omogeneo (5), percorso
dall’alto verso il basso durante i periodi di calma e dal basso verso l’alto durante lo svuotamento della campana, assicurando
così il contatto tra l’acqua trattata con i reattivi ed il fango, e realizzando un’ottima filtrazione delle particelle colloidali e dei
fiocchi di precipitati contenuti nell’acqua. Con l’apporto dei fanghi presenti nell’acqua, la massa del letto di fango aumenterà
regolarmente fino a quando viene scaricata. Lo scarico (4) avviene in alcune zone del decantatore a forma di fossa a fondo
inclinato poste ai lati del decantatore, dove il fango oltre a raccogliersi si concentra. Da questa vasca si effettuano gli spurghi
mediante delle valvole automatiche comandate da un timer. Un vantaggio di questo sistema è che spurgando solo l’eccesso di
fango non c’è pericolo di abbassare la concentrazione dei fanghi nel decantatore.
L’acqua decantata esce dalle canalette superiori (6) verso i filtri a sabbia.
2 .TRATTAMENTI DI DISINFEZIONE – STERILIZZAZIONE
La disinfezione dell’acqua comporta la rimozione dei microrganismi patogeni [con meccanismo di distruzione di celluleblocco del catabolismo- blocco di crescita], e degli agenti che causano le malattie , di origine idrica.
La sterilizzazione elimina tutti i microrganismi; (vedi documento a parte biotecnologie – sterilizzazione).
La disinfezione vera e propria, avente scopi essenzialmente igienico - sanitari, viene praticata sull’acqua potabile e sui
liquami di origine domestica; quella alla fine di un impianto di depurazione serve ad assicurare lo sversamento, o il riutilizzo,
dell’acqua depurata nei recettori naturali, secondo i limiti di legge; nelle acque residue industriali, invece, la disinfezione
viene effettuata per inibire la crescita dei microrganismi, al fine di evitare il blocco di apparecchi e tubazioni, la formazione
di cattivi odori e il verificarsi di fenomeni corrosivi e la diminuzione della trasmissione del calore; questi interventi sono
particolarmente utili quando la depurazione delle acque viene associata ad un riutilizzo interno.
A –METODI FISICI:
-
-
-
luce ultravioletta UV: irraggiamento mediante lampade di quarzo a vapori di mercurio. Si tratta di un
sistema costoso, ma che fornisce risultati eccellenti e sicuri nell’eliminazione di batteri spore virus
(massima con UV C), su acque abbastanza limpide. Particolarmente interessante, nel campo del
trattamento reflui, risulta la sua applicazione nel campo dei liquami di origine ospedaliera (in particolare
effluenti provenienti da piscine riservate al trattamento riabilitante dei pazienti). Ha scarsa profondità di
utilizzo (vasche poco profonde o tubazioni piccole). I raggi UV hanno un potere biocida molto elevato nei confronti di
batteri, spore, virus, funghi, nematodi. Utilizzabile solo in piccoli impianti di depurazione o di trattamento acque
potabili.
Ozonizzazione O3: consiste nel contatto del liquido con aria ozonizzata, ottenuta con passaggio
dell’aria preventivamente deumidificata entro tubi soggetti a scariche elettriche ad alto voltaggio.
L’ossigeno dell’aria si trasforma così in ozono: O2+energia ↔ 2O*; O*+O2 ↔ O3. L’ozono è molto
instabile e si decompone facilmente, generando ossigeno atomico che risulta letale per i
microrganismi grazie al suo fortissimo potere ossidante. Essendo scarsamente solubile in
acqua,viene posto a contatto in opportune apparecchiature, e la parte residua viene ossidata prima
di immetterla in atmosfera.
Vantaggi: elevata efficacia nei confronti di batteri e virus; elimina odori e sapori; ossidazione di
sostanze residue anche in tracce; minore formazione di composti secondari nocivi; utilizzabile in
impianti di depurazione o trattamenti acque potabili di varie potenzialità, anche all’inizio.
Svantaggi: costo elevato; bassa permanenza nell’acqua (≅30 min);
Raggi γ: (raggi gamma da 60Co); determinano rotture e mutazioni negli acidi nucleici sia
direttamente che attraverso radicali dell'O2 che si producono dalla scissione dell'acqua; efficacia =
ottima (radiazioni penetranti) ma costo elevato.
B –METODI CHIMICI:
-Clorazione mediante cloro liquido o gassoso, ipoclorito di sodio e altri composti clorici.
CLORO Cl2
-Vantaggi: azione del Cl biocida e ossidante, elevata stabilità e
permanenza (scadente azione su spore e virus); meccanismo a pH6-8:
Cl2 + H2O→ HCl + HClO; HClO→H+ ClO- (vero agente su cellule
biologiche microrg.);
-Svantaggi (Cl2): formazione di THM (trialometani) cancerogeni in
presenza di acque umiche, di clorammine in presenza di composti
dell’azoto (NH2Cl- NHCl2) con consumo di cloro, e formazione di
sostanze maleodoranti in presenza di sostanze azotate e fenoli
(→clorofenoli); problemi notevoli di sicurezza per personale e
apparecchiature.
Quando è indispensabile una clorazione in forte eccesso, è
consigliabile effettuare una successiva declorazione a mezzo di agenti
riducenti, per adsorbimento su carbone attivo, o mediante aerazione.
azione del cloro:
Il cloro viene aggiunto all'acqua fino a che la domanda di cloro presentata dalle sostanze organiche disciolte sia soddisfatta,
l'ammoniaca presente ossidata, e rimanga in soluzione un residuo di cloro libero; si raggiunge il punto di rottura (break point) quando
il tenore di cloro libero presente nell'acqua aumenta proporzionalmente alla dose di cloro introdotta (diagramma di clorazione: cloro
aggiunto-cloro residuo).La presenza nell'acqua di cloro libero è importante per rendere l'acqua batteriologicamente pura fino al
rubinetto delle utenze, prevenendo inquinamenti accidentali lungo il percorso dell'acqua.
[N.B.:Il cloro può in presenza di ammoniaca dare origine a cloroammine primarie, secondarie o terziarie con efficacia germicida
decrescente. La formazione di un tipo di ammine piuttosto che altre dipende dalla concentrazione di cloro: maggiore è questa,
maggiore è la produzione di ammine terziarie con basso potere di disinfezione, in quanto queste si decompongono rapidamente].
-Ipoclorito NaClO: L'utilizzo è più costoso del clorogas e risulta più competitivo di questo nel caso di disinfezione
saltuaria e per piccoli impianti: ha una azione sterilizzante per il fatto che si inserisce nella membrana cellulare, per
andare a reagire con l’enzima deidrogenasi fosfatica, inibendo la vitalità e la riproducibilità dei microrganismi.
Contemporaneamente all’azione sterilizzante viene svolta un’azione ossidante sulle sostanze ridotte. Come il cloro
gassoso può formare trialometani (THM) e acidi aloacetici.
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-Biossido di cloro (ClO2). [5NaClO2 + 4HCl → 5NaCl + 4ClO2 + 2H2O]
Si produce per reazione tra clorito di sodio e acido cloridrico in soluzione a
temperatura ambiente.
Vantaggi: più efficace (con batteri virus spore) e con alto t permanenza, il biossido di
cloro è poco influenzato dal pH e dalla temperatura, sia come ossidante, sia come
disinfettante, non da’ cattivo odore, non forma aloformi ; esso è efficace a dosaggi
generalmente inferiori a quelli occorrenti per il cloro. Si osserva che la demolizione
della materia organica da parte del biossido di cloro ha luogo secondo meccanismi non molto dissimili da quelli dei
processi biologici naturali; è quindi verosimile che i prodotti di demolizione siano biodegradabili e poco tossici.
Svantaggi: forma sottoprodotti tossici (cloriti clorati): il suo dosaggio deve essere limitato in quanto ossida l’emoglobina
del sangue.
-Acido peracetico (CH3CO-OOH): [decomposizione CH3COOOH-->CH3COOH+O2]
è un potente biocida che basa la sua azione sull’alterazione di strutture cellulari come enzimi e membrane. Viene
prodotto per reazione fra perossido d’idrogeno e anidride acetica. È particolarmente instabile pertanto viene
commercializzato in soluzioni al 5% o 15% pronto per essere solubilizzato nelle giuste quantità nelle acque da depurare.
Tempo di contatto relativamente elevato (circa 50 min.). Utilizzabile in impianti di depurazione.
3 . ALTRI TRATTAMENTI:
3.1 ADSORBIMENTO SU CARBONI ATTIVI
Il metodo dei carboni attivi è usato per l’eliminazione di microinquinanti, (es. metalli pesanti,
insetticidi, pesticidi, clorammine, trialometani, ...), sostanze a bassissima concentrazione, nocive
maleodoranti e di possibile reazione nei processi di impiego delle acque. L’adsorbimento è un
processo esotermo e pertanto diminuisce al crescere della temperatura: questa caratteristica viene
sfruttata per rigenerare il carbone esaurito dopo l’uso, mediante semplice riscaldamento. Al
contrario, l’aumento di pressione fa aumentare l’adsorbimento.
CARBONI ATTIVI: prodotti a partire da gusci di noci e mandorle (vegetali) o da sostanze minerali;
sono caratterizzati da un enorme superficie specifica, questo fa sì che si formano legami deboli tra
carboni attivi e microinquinanti, consentendo una elevata efficienza di rimozione. Tipologie:
- carbone attivo granulare o GAC: su letto filtrante fisso, in colonne o vasche , previa filtrazione, può
essere riattivato previo lavaggiouna volta esaurito e quindi riutilizzato. È importante cambiare i filtri
con regolarità sia perché la capacità dei carboni attivi va via via diminuendo, sia perché c’è il rischio
che si formino microrganismi vari, anche nocivi.
- carbone attivo in polvere o PAC:usato in sospensione, viene introdotto nell'acqua ad esempio
durante la chiariflocculazione funzionando anche da coadiuvante di coagulazione, e quindi viene perso nei fanghi.
3.2 TRATTAMENTI DI DEMINERALIZZAZIONE (vedi parte1 acque di primo impiego)
3.3 ELIMINAZIONE DI ALCUNE SOSTANZE DISCIOLTE :
-
IONI Fe2+ ed Mn2+
problemi nell’acqua: colore giallo-rossastro, causa di macchie e aloni su biancheria, ind carta concerie stoffe, sanitari,
nonché sapore metallico sgradevole, innesco di biocorrosione dei materiali metallici e la degradazione dei materiali
cementizi, precipitazione e saturazione di resine scambio ionico.
Metodo di eliminazione:
-ossidazione, precipitazione e filtrazione: reazione di ossidazione mediante ossigeno dell’aria o altri reagenti ossidanti,
che li fa precipitare come idrossidi colloidali. Data la formazione di H+, l’ambiente alcalino favorisce la reazione che
può essere eseguita in torri di areazione, seguite da uno stadio di filtrazione con filtri a sabbia o in pressione.
-eliminazione completa: successiva all’ossidazione si fa un trattamento con permutiti al manganese o anioniche, che
bloccano gli ioni.
-
ELIMINAZIONE DI GAS: si utilizza l’aria come gas di strippaggio che è favorevole per
l’eliminazione di tutti i gas tranne l’azoto e l’ossigeno: in questo caso provocheremo una saturazione.
Per l’operazione di degasaggio totale si utilizza vapore d’acqua alla pressione di 5 ata e a 141°C.
-funzionamento: l’acqua da degasare viene preriscaldata e introdotta nella colonna di degasaggio (a
piatti) dove dal basso viene introdotto il vapore: per effetto dell’elevata temperatura e della bassa
pressione dei gas, essi lasciano l’acqua e vengono trasportati del vapore.
Apparecchi di aerazione: aeratori a caduta d’acqua con ugelli spruzzatori e setti a piatti (i più usativedi fig.); aeratori a diffusione o a bolle che sfruttano il passaggio di bolle d’aria compressa attraverso
l’acqua; aeratori meccanici che utilizzano una girante motorizzata, sola o con la combinazione di un
sistema d’iniezione d’aria.
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-
ELIMINAZIONE OSSIGENO
-deossigenazione chimica per aggiunta di additivi: carboidrazide (N2H4CO), dietilidrossilammina DEHA (C4H11NO),
reazioni:
(N2H4)CO + O2→2 N2+ 3 H2O + CO2; 4(C4H11NO) + O2→8 CH3COOH + 2 N2+ 6 H2O; [da Acquaflex]
- sistema di deossigenazione a membrane sottovuoto; nel degasatore a membrana, il fluido di processo viene messo in
contatto con un gas di flussaggio,azoto, attraverso una membrana idrofobica semipermeabile: grazie alla differenza di
pressione parziale dei gas tra le due fasi e data l’impossibilità di passaggio dell’acqua attraverso la membrana, avviene il
passaggio del gas dal fluido alla corrente di scarico.
-
Per l’eliminazione di altri ioni si opera una precipitazione selettiva con opportuni reagenti precipitanti (vedi
chiariflocculazione).
CICLI COMPLETI DI TRATTAMENTO ACQUE:
– IMPIANTO DI POTABILIZZAZIONE tipo semplificato per piccole/medie utenze
(l’impianto completo è nel documento Acque potabili-parte3-)
LEGENDA
APPARECCHIATURE:
LEGENDA MATERIALI:
D1 GRIGLIATURA
D2 SEDIMENTAZIONE
R1 OZONIZZAZIONE
D3 CHIARI-FLOCCULAZIONE
F1 FILTRO A SABBIA
D4 VASCA DI
RACCOLTA
C1,2 FILTRI A
CARBONE ATTIVO
D5 CLORAZIONE
FINALE
D6 ISPESSITORE
F2 FILTRO PRESSA PER
FANGHI
1 ACQUA GREZZA
2 GRIGLIATO
3 ARIA OZONIZZATA
4 AGENTI FLOCCULANTI
5 ACQUE LAVAGGIO
FILTRI
6 AGENTE CLORURANTE
7 ACQUA POTABILE
8 ACQUE INQUINATE DA
PURIFICARE
9 FANGO DA SMALTIRE
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-IMPIANTO DI ADDOLCIMENTO E DEMINERALIZZAZIONE: (vedi trattam.acque parte1)
APPARECCHIATURE
MATERIALI
D1,2,3 MISCELATORI
R1 PRECIPITATORE
E1 PRERISCALDATORE
D4 SEDIMENTATORE
D5 CARBONATATORE
D6 SEDIMENTATORE
F1 FILTRO A SABBIA
1 ACQUA GREZZA
2 Ca IDROSSIDO
A ACQUA DEMINER.
3 Na CARBONATO
4 FANGHI
5 ANIDR.CARBONICA
6 ACQUA ADDOLCITA
7 ACQUA DI LAVAGGIO
8 FANGHI DI LAVAGGIO
FILTRO
MATERIALI
APPARECCHIATURE
D1 SERBATOIO SOLUZ.
ACIDA RIGENERANTE
D2 SERBATOIO SOLUZ
BASICA RIGENERANTE
C1 RESINA CATIONICA
DEBOLE
C2 RESINA CATIONICA
FORTE
C3 COLONNA DI
DECARBONATAZIONE
C4 RESINA ANIONICA
DEBOLE
C5 RESINA ANIONICA FORTE
-
1 ACQUA GREZZA
(O ADDOLCITA)
2SOLUZ.AC.CLORIDRICO
3SOLUZ. SODA CAUSTICA
4 USCITA ACQUE ACIDE DI
RIGENERAZIONE
5 USCITA ACQUE BASICHE
DI RIGENERAZIONE
B ARIA
6 ACQUA
DEMINERALIZZATA
IMPIANTO DI DEPURAZIONE ACQUE REFLUE: vedi documento acque parte 4
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