Controllo dell`inquinamento delle acque superficiali Controllo dell

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Politecnico di Torino
CeTeM
Sicurezza e ambiente
965
9A
Controllo
Controllo dell’inquinamento
dell’inquinamento
delle
delle acque
acque superficiali
superficiali
Prof.
Prof. Ing.
Ing. Leonardo Tognotti
Dipartimento di Ingegneria
Chimica,
Università di Pisa
Sommario
n
Schemi generali di trattamento delle
acque reflue
Trattamenti primari, specifici, secondari,
terziari e dei fanghi
n Fenomeni di trasporto di inquinanti in
acque superficiali
n Modelli di qualità fluviale
n
© Politecnico di Torino
Data ultima revisione 05/06/02
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Autore: Prof. Ing. Leonardo Tognotti
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Interventi di riduzione
della emissione
inquinante
Sistema di
abbattimento
degli inquinanti
SORGENTE
INQUINANTE
EMISSIONE
Sistema di dispersione
dell’emissione inquinante
EMISSIONE
RESIDUA
Dispersione e
trasformazione
nell’ambiente
IMMISSIONE
INQUINANTE
Sistemi di protezione del
ricettore
RICETTORE
Sistemi di trattamento e
smaltimento dei
residui
RESIDUI DEI
TRATTAMENTI
EFFETTI
Schemi generali di trattamento (1)
n
Un impianto industriale generalmente
produce diverse correnti di acque di rifiuto:
u acque di processo inquinate,
u acque di lavaggio di tubazioni e serbatoi,
u spurgo di circuiti di raffreddamento,
u acque meteoriche provenienti da aree
inquinate da sversamenti o da polveri.
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n
Le correnti possono essere:
u trattate
separatamente e riutilizzate
nell'impianto,
u combinate
e trattate in un impianto di
depurazione autogestito,
u convogliate
e trattate
consortili o pubblici
in
impianti
n
Criteri di scelta per la realizzazione del
sistema di trattamento:
u valutazioni
tecnico-economiche,
tecnico-economiche,
u caratteristiche
dello scenario in cui
l'impianto si colloca.
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nI
parametri da considerare sono:
u composizione,
concentrazioni
portate delle acque di rifiuto,
e
u limiti
di legge vigenti per lo scarico in
corsi d'acqua, laghi o mare,
u disponibilità
di acqua del sito,
u possibilità
di
riciclo
delle
acque
all'impianto,
u possibilità
correnti
esterni.
di convogliare alcune
a impianti di trattamento
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Trattamento acque: considerazioni
preliminari (1)
n
Limitazione
dell'intervento
depurazione mediante modifiche
processo produttivo:
produttivo:
di
del
F-
riduzione della portata delle acque di
rifiuto mediante adeguati ricicli.
F Esempio gli zuccherifici italiani: da 1.51.8 m3 a 0.15-0.20 m3 di acqua di rifiuto
per 100 kg di barbabietola lavorata;
preliminari (2)
n
Limitazione
dell'intervento
depurazione mediante modifiche
processo produttivo:
produttivo:
di
del
F -eliminazione
di
sostanze
nocive
sostituendole con altre meno nocive, o
recuperandole o riutilizzandole (es
(es..
rigenerazione di resine a scambio ionico
con soda anzichè con ammoniaca)
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preliminari (3)
n
Necessità di predisporre il
fognario in modo da:
sistema
mantenere separate le correnti di acqua
di rifiuto da sottoporre a trattamenti
F-
specifici.
preliminari (4)
F -convogliare
a parte le acque meteoriche,
prevedendo la depurazione delle acque di
prima pioggia, provenienti da aree inquinate
per sversamenti di liquidi (ad esempio piazzali
di carico), deposito di polveri, etc.
etc.
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ACQUE INQUINATE
TRATTAMENTO
SPECIFICO
TRATTAMENTO
DEI FANGHI
TRATTAMENTO
PRIMARIO
TRATTAMENTO
SECONDARIO
RESIDUI SOLIDI
TRATTAMENTO
TERZIARIO
ACQUE DEPURATE
Trattamenti specifici
n Si
hanno all'uscita del reparto in cui
l'effluente è prodotto.
n Abbattono inquinanti specifici,
specifici, prima
che essi siano diluiti con acque di
rifiuto di altri reparti.
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Trattamenti specifici (2)
n Esempi:
u abbattimento
dei metalli pesanti,
u ossidazione
chimica di sostanze non
biodegradabili,
u stripping
di vapori
ammoniaca, etc...
organici
o
di
Trattamenti primari
n
L'effluente subisce alcuni trattamenti di
sgrossatura,
n
non sufficienti a produrre un effluente in
specifica,
n
necessari per un corretto funzionamento
dei trattamenti successivi.
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Trattamenti primari (2)
n
Si possono avere:
u compensazioni
di
portata
e
concentrazione degli inquinanti;
u neutralizzazione;
u trattamento
chimico-fisico
di
coagulazione e flocculazione;
u separazione solido-liquido per mezzo di
sedimentazione, flottazione, filtrazione.
Trattamento secondario
(biologico)
n
L'effluente subisce un trattamento biologico
(solitamente
aerobico)
che
produce
l'abbattimento del BOD (COD).
n
Si ottengono rimozioni anche di azoto,
fosforo e solidi sospesi, che però possono
necessitare di ulteriori trattamenti per entrare
in specifica.
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Trattamento secondario
(biologico) (2)
nI
trattamenti possono essere di
sgrossatura e/o finali a seconda delle
soluzioni di processo e impiantistiche
(vasche
aerate
in
diverse
configurazioni , letti percolatori,
percolatori,
biodischi., etc...)
Trattamenti terziari
n trattamenti
di finitura per entrare in
specifica su tutti gli inquinanti. con
particolare riferimento a:
u nitrificazione e denitrificazione, per
la rimozione dell'azoto;
u defosfatazione,per
l'eliminazione
del fosforo;
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Trattamenti terziari (2)
u filtrazione,
filtrazione,
per l'eliminazione dei solidi
sospesi rimasti;
u disinfezione,
disinfezione, per l'eliminazione dei
microrganismi patogeni;
u adsorbimento con carboni attivi, per
l'eliminazione delle sostanze non
biodegradabili.
Trattamenti dei fanghi
n
La natura dei fanghi (composizione a
prevalenza organica, inorganica o mista)
deriva dalla struttura complessiva del
processo depurativo.
n
I
fanghi
necessitano
di
ulteriori
trattamenti prima di poter essere
definitivamente smaltiti.
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Trattamenti dei fanghi (2)
u ispessimento,
ispessimento,
per aumentare il tenore in
solido;
u stabilizzazione,
stabilizzazione, per ridurre il contenuto in
microrganismi
u disidratazione,
meccanica
(centrifugazione, filtri e nastro presse) o
termica (essiccatori).
u Scopo: ottenere fanghi inerti facilmente
trasportabili
al
recapito
finale
o
riutilizzabili.
Schema impianto depurazione civile
grigliatura
sedimentazione
ossidazione
primaria
dissabbiatura
sedimentazione
secondaria
aria
biogas
ispessitore
scarico
filtro pressa
fango disidratato
digestore
anaerobico
ispessitore
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Interventi di riduzione
della emissione
inquinante
Sistema di
abbattimento
degli inquinanti
SORGENTE
INQUINANTE
EMISSIONE
Sistema di dispersione
dell’emissione inquinante
EMISSIONE
RESIDUA
Dispersione e
trasformazione
nell’ambiente
IMMISSIONE
INQUINANTE
Sistemi di protezione del
ricettore
RICETTORE
Sistemi di trattamento e
smaltimento dei
residui
RESIDUI DEI
TRATTAMENTI
EFFETTI
Il Processo d'Inquinamento
n
Gli inquinanti emessi da una sorgente
vengono immessi nell'ambiente dove si
propagano con velocità e per distanze
che dipendono dal tipo d'inquinante e
dalle
circostanze,
variando
di
concentrazione e subendo trasformazioni
fisiche, chimiche e biologiche.
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Fenomeni di trasporto in acque
superficiali- 1
n
I fenomeni di trasporto degli inquinanti
nelle acque superficiali sono legati a
u convezione
u diffusione
u reazione
n
delle sostanze chimiche disciolte o
sospese nell’acqua
superficiali: convezione
n
Quando una sostanza chimica viene immessa
in un fiume, il suo centro di massa si sposta a
valle con una velocità pari alla velocità media
del fiume e con un tempo di permanenza
medio nel tratto di fiume considerato, dato da
t = L/v
v
x=0
t =0
fiume
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superficiali: reazione
n
Relazioni di questo tipo vengono utilizzate
per stime dei tempi di permanenza di
alcune sostanze chimiche nei fiumi, in
relazioni
alle
loro
velocità
di
trasformazione chimica.
chimica.
ri = k Cin
superficiali: diffusione
n
Un inquinante immesso in un fiume
subisce fenomeni di dispersione dovuti
a diffusione turbolenta
n
E’ causata dal moto irregolare dell'acqua
e dalla non uniformità della velocità del
fiume
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superficiali: diffusione + convezione
n
n
Dispersione degli inquinanti nei fiumi: estremamente
lenta se affidata solamente ai meccanismi diffusivi:
se il fluido è in movimento, gli effetti convettivi possono
contribuire alla dispersione della sostanza in esame,
riducendo i tempi di ordini di grandezza
l
l
diffusione
diffusione
+
convezione
10
10
10
10
6
Diffusione turbolenta:
orizzontale
4
2
0
-2
10
Diffusione turbolenta:
verticale
Diffusione molecolare
sali e gas in acqua
-4
10
10-6
proteine in acqua
Diffusione termica
sali in acqua
Soluti ionici in
mezzi porosi
-8
10
-10
10
COEFFICIENTI DI DIFFUSIONE(cm /sec)
2
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Coefficienti di diffusione - 2
Fiume
Sacramento
Missouri
Yuma Mesa
Clinch
John Day
Profondità
Larghezza
Velocità
(m)
(m)
(m/s)
3.9
2.6
3.4
2.06
2.43
198
52
33.6
0.5
1.6
0.67
0.78
0.81
Coefficiente
di
dispersione
(m 2 /s)
14.9
1480
0.76
47.1
65
Modelli di qualità fluviale - 1
n
Sono utilizzati, in generale, modelli
dinamici monodimensionali
F Il sistema di equazioni che risulta
si
basa
sul
principio
di
conservazione
della
generica
grandezza c i ed ha la forma
ACCUMULO = INGRESSO - USCITA + GENERAZIONE
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∂ (A x c i ) ∂ (A x u c i )
∂ ci
∂ 
+
=
 A x D L
∂ t
∂ x
∂ x
∂ x

 + A x r

u dove:
u Ax
= sezione di flusso
u u = velocità media nella sezione
u D L = coefficiente di dispersione assiale
= velocità di produzione (o scomparsa)
u ri
di c i
n
Forme simili dell'equazione (1) si
utilizzano per esprimere
u la conservazione della massa e della
quantità di moto
(sottomodello
idraulico)
u la conservazione dell'energia termica
(sottomodello termico )
u il
bilancio dei vari componenti
chimici/biochimici
considerati
(sottomodello biochimico).
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F Le
interazioni tra i vari sottomodelli
permettono una soluzione sequenziale del
sistema
modello
idraulico
modello
termico
modello
biochimico
Modello biochimico
n
Processi di degradazione delle sostanze
inquinanti
presenti
nelle
acque
superficiali: trasformazione o in altre
sostanze chimiche (inquinanti
(inquinanti secondari)
secondari)
o
in
composti
inorganici
(mineralizzazione ).
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Modello biochimico
n
In un fiume avvengono reazioni chimiche e
biochimiche complesse catalizzate dalla
presenza di enzimi prodotti dalla flora
batterica presente nelle acque
residui organici
ossigeno
atmosferico
luce
ossigeno
disciolto
batteri
fitoplancton
sali nutrienti
cibo
cibo
detriti
escrementi
organismi morti
escrementi
organismi morti
pesci
zooplancton
cibo
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Modello biochimico
n
Le trasformazioni mediate da microorganismi
(batteri e funghi) vengono dette biodegradazioni e
possono avvenire in presenza d'aria (aerobiche
(aerobiche)) o
in mancanza d'aria (anaerobiche
).
(anaerobiche).
u
processi aerobici:
aerobici: formazione di CO2 e di prodotti stabili
(SP, come solfati (SO4), ortofosfati (PO4) e nitrati (NO3))
microorganismi
BOD + O2      
→ CO2 + H 2O + NC + SP
Modello biochimico
n
Ipotesi: la velocità di decomposizione delle
sostanze organiche è proporzionale alla loro
concentrazione:
n
MOt:
MOt: quantità di ossigeno richiesto ancora da
consumare per degradare le sostanze organiche,
n
reazione del primo ordine:
ordine:
dMOt
dt
= − k ⋅ MOt
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Modello biochimico
che ha soluzione
MOt = MO0 ⋅ e − kt
dove MO0 rappresenta la quantità totale
di
ossigeno
richiesta
dai
microorganismi per ossidare i composti
organici a CO2 e H 2O
Modello biochimico
MOt + BODt = MO0
da cui:
BODt = MO0 (1 − e − kt )
MOt
BODt
MO0
MO0
tempo
tempo
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Il consumo dell'ossigeno disciolto nelle acque
superficiali dipende anche dalla degradazione di
sostanze azotate .
BOD
mg/l
0___ _5____10____15___20___25___30
Giorni
Modello biochimico
n
La costante di degradazione dipende dalla
temperatura secondo la relazione
k = k 20θ (T − 20)
•dove k 20 è il valore della costante a 20 °C .
•Valori tipici:
•k = 0.35-0.70 die-1 scarichi non trattati
•k = 0.10-0.25 die-1 scarichi trattati
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