Etnafiere – Centro Fieristico Etnapolis
13-14-15 maggio 2016
Seminario: “LA FITODEPURAZIONE: una soluzione sostenibile per iltrattamento ed il recupero delle acque reflue”
Etnafiere - Valcorrente, Belpasso (CT), 13 maggio 2016
Sezione di CATANIA
Dott. Ing. Alessia Marzo, Ph.DUniversità di Catania - CUTGANA
Esempio di dimensionamento di un piccolo impianto di fitodepurazione
Ci , Co = concentrazioni dell’inquinante in ingresso ed in uscita (mg/L);
Q = Qi = Qo = portata (m3/giorno) per I = P = ET = 0; (moto stazionario)
A = area superficiale del bacino (m2);
h = altezza della colonna d’acqua (m);
ε = porosità del sistema (m3/m3).
definizione dei parametri di dimensionamento
modelli matematici
SSF: 0,2 – 0,8 m;FWS: 0,1 – 1 m (tipo di trattamento; macrofite)
SSF: medium di riempimento, 0.3<ε< 0.4FWS: densità vegetazione
Progettazione: definizione dei parametri di dimensionamento
WLA ⋅= Area (m2)
A
area (m)
ε⋅⋅= hAV Volume di reazione (m3)
V
volume (m3)
altezza della colonna
d’acqua (m)lunghezza (m)
larghezza (m)
porosità (m3/m3)
q
h
Q
hA
Q
VHRT
εε ⋅=⋅⋅== Tempo di detenzione nominale (giorni)
Progettazione: definizione dei parametri di dimensionamento
V
volume (m3)Qportata (m3/giorno)
A
Qq = Carico idraulico superficiale (m/giorno)
Progettazione: modelli matematici
Il comportamento idraulico dei sistemi di fitodepurazioneviene usualmenteschematizzato mediante un modello di flusso “a pistone” (plug flow)
Su tale schema, e ipotizzando una cinetica di rimozione del primo ordine, sibasano i modelli maggiormente utilizzati, sia in Europa chenegli Stati Uniti,per il dimensionamento e la modellazione degli impianti di fitodepurazione
INGRESSO USCITA
t=0
FLUSSO
t=1
t=2
Modello k-C* (Kadlec e Knight, 1996)
( )HRTkCC
CCV
i
o ⋅−=−−
exp*
*
−−⋅−=
*
*
lnCC
CC
k
QV
out
in
V
Formulazione volumetrica
Progettazione: modelli matematici
Q
VHRT =
kV = coefficiente volumetrico di rimozione (giorni-1)
h
kk A
V ⋅=
ε
kA = coefficiente di rimozione (m/giorno)
( )2020
−⋅= TA kk θ
k20 = coefficiente di rimozione allatemperatura di 20°C (m/giorno)
θ = fattore di correzione della temperatura
T = temperatura delle acque reflue °Cvolume (m3) portata (m3/giorno)
Cinetica del primo ordine e schematizzazione idraulica del tipo plug-flowCi = concentrazione dell’inquinante in ingresso (mg/L)Co = concentrazione dell’inquinante in uscita (mg/L)C* = concentrazione di background (mg/L)
Modello k-C* (Kadlec e Knight, 1996)
Cinetica del primo ordine e schematizzazione idraulica del tipo plug-flowCi = concentrazione dell’inquinante in ingresso (mg/L)Co = concentrazione dell’inquinante in uscita (mg/L)C* = concentrazione di background (mg/L)
−−⋅−=
*
*
,
lnCC
CC
k
QA
out
in
TA
Formulazione aerale
Progettazione: modelli matematici
kA,T = costante areale del primo ordine (m/giorno)
( )2020,,
−⋅= TATA kk θ
area (m2)
portata (m3/giorno)
Modello k-C* (Kadlec e Knight, 1996)
Valori sperimentali di kA,20, C* e θ
Progettazione: modelli matematicic
Modello monoparametrico (Reed, Crites & Middlebrooks 1998)
( )HRTkC
CT
i
o ⋅−= exp
Progettazione: modelli matematici
Cinetica del primo ordine e schematizzazione idraulica del tipo plug-flowCi = concentrazione dell’inquinante in ingresso (mg/L)Co = concentrazione dell’inquinante in uscita (mg/L)
kT = costante di rimozione del primo ordine (giorni-1)
T = Temperatura delle acque reflue (°C)
θR= fattore di correzione della temperatura.
( )20−⋅= TRRT kk θ
Q
hAHRT
ε⋅⋅=
ε⋅⋅⋅=
hK
CCQA
T
oi )ln(
altezza idrica (m), funzione della tipologia del sistema e della vegetazione utilizzata;
porosità del letto
I valori sperimentali di kR e θR proposti da Reed, Crites & Middlebrooks (1998)
Modello monoparametrico (Reed, Crites & Middlebrooks 1998)
Progettazione: modelli matematici
Verifiche
Calcolata l’ara A e stabilita l’altezza h in funzione della tipologia del sistema(generalmente compresa tra 0,5÷1,0 m per i sistemi FWS e tra 0,4÷0,5 m perquelli SSF), occorre verificare che:
nei FWS
il rapporto L/Wsia pari a 10/1
e che la lunghezza L non ecceda la massima consentita in modo damantenere un adeguato gradiente idraulico
nei sistemi H-SSF
il rapporto L/Wsia pari a 1/1 o 3/1
e la larghezza W sia maggiore di quella minima necessaria peril transitodella portata prevista senza fenomeni di flusso superficiale (overflow)
Equazione di Manning (1)
( ) ( )21321 // shn
v ⋅⋅=
v = velocità dell’acqua (m/s)
s = gradiente idraulico (m/m)
n = coefficiente di Manning (s/m1/3)
h = altezza della colonna d’acqua (m)
a = coefficiente di scabrezza (s m1/6);
= 0,4 s⋅m1/6 per vegetazione rada e bassa, con h > 0,4 m;
= 1,6 s⋅m1/6 per vegetazione moderatamente densa, con h ≅ 0,3 m;
= 6,4 s⋅m1/6 per vegetazione molto densa, con h ≤ 0,3 m.
21 /h
an =
Vengono generalmente utilizzati valori di a che variano tra 1 e 4 sm 1/6
Progettazione: modelli matematici (FWS)
Equazione di Manning (2)
( ) ( )21671 // sha
v ⋅⋅=Considerando che:
Combinando le equazioni si ottiene L, la massima lunghezzadel bacino difitodepurazione FWS:
( ) ( ) 322138 86400///
Qa
mhAL
⋅⋅⋅⋅=
Progettazione: modelli matematici (FWS)
hW
Qv
⋅=
larghezza (m)
portata (m3/giorno)
altezza acqua (m)
L
AW =
area (m2)
lunghezza (m)
fattore precauzionale
L
hms
⋅=
gradiente idraulico (m/m)
coefficiente di scabrezza (sm1/6)
Legge di Darcy
v = velocità dell’acqua (m/giorno)
s = gradiente idraulico (m/m)
Ks = conducibilità idraulica del mezzo poroso (m/giorno)
skv s ⋅=
Considerando che:
hW
Qv
⋅=
Progettazione: modelli matematici (H-SSF)
portata (m3/giorno)
larghezza (m) altezza della colonna d’acqua (m)
shWkQ s ⋅⋅⋅=
Considerando che:
211
⋅⋅⋅=
skm
AQ
hW
Progettazione: modelli matematici (H-SSF)
sAkQ Ts ⋅⋅=
AT = area trasversale del bacino (m2)
L
AW =
area (m2)
lunghezza (m)
larghezza (m)
L
hms
⋅=
fattore precauzionale≤0.2
lunghezza (m)
gradiente idraulico (m/m)
altezza d’acqua (m)
Combinando le equazioni si ottiene W, la minima larghezza del bacino difitodepurazione H-SSF:
Valori di conducibilità idraulica e porosità del materiale di riempimento utilizzato nei letti di fitodepurazione a flusso sommerso (ISPRA, 2012)
Progettazione: modelli matematici (H-SSF)
Progettazione: V-SSF
Il dimensionamento dei letti V-SSF è basato su criteri empirici basati sulla richiesta aerale di ossigeno necessario per ossidare la sostanza organica e l’azoto.
Generalmente viene utilizzato il seguente metodo:
fattorecautelativo
� Calcolo del fabbisogno di ossigeno sulla base di 1 Kg di O2 per 1 Kg diBOD5 da rimuovere al giorno o di 4,3 Kg di O2 per Kg di NH3 da ossidare(al giorno);
Ka= coefficiente di aerazione superficiale per BOD5 30 g O2/m2
fabbisogno di ossigeno
25,0⋅+=aa K
OD
K
ODA
� Calcolo della superficie (m2):
Q = 150 m3/giorno
BOD5= 300 mg/L
T = 12 °C
Pietrisco, Ks = 10.000 m/giorno
Dati di progetto:
Dimensionamento di un sistema H-SSF: esempio
Ci = 210 mg/L (BOD5 in ingresso all’impianto di fitodepurazione)
Trattamento di sedimentazione primaria tramite fossa imhoff
rimozione del 30% della concentrazione
del BOD5
Co = 25 mg/L (BOD5 in uscita dall’impianto di fitodepurazione)
scarico su corpo idrico superficiale (D.Lgs. 152/2006)
BOD5 = 300 mg/L BOD5 = 210 mg/L BOD5 = 25 mg/L
fossa imhoff H-SSF
Dimensionamento di un sistema H-SSF: esempio
( ) ( ) -120122012 giorni 693,006,1,1041 =⋅=⋅= −−T
RRkk θ
Coefficiente di rimozione:
Applicazione del modello monoparametrico (Reed, Crites & Middlebrooks 1998)
Area superficiale:
Fissando:
33 mm 38,0
55,0
==
εmh
Larghezza minima del letto filtrante:
m 4035002,0
2225150
55,0
112121
=
⋅⋅⋅=
⋅⋅⋅=
skm
AQ
hW
Lunghezza del letto filtrante:
m 56 40
2225 ===
W
AL
Dimensionamento di un sistema H-SSF: esempio
20% del carico idraulico a
disposizione
1/3 della conducibilità
idraulica
1:4,141:56: ==WL
Rapporto lunghezza/larghezza:OK
compreso tra:1:1 e 3:1
Dimensionamento di un sistema FWS: esempio
Q = 150 m3/giorno
BOD5= 300 mg/L
T = 9 °C
Dati di progetto:
Ci = 210 mg/L (BOD5 in ingresso all’impianto di fitodepurazione)
Trattamento di sedimentazione primaria tramite fossa imhoff
rimozione del 30% della concentrazione
del BOD5
Co = 25 mg/L (BOD5 in uscita dall’impianto di fitodepurazione)
scarico su corpo idrico superficiale (D.Lgs. 152/2006)
BOD5 = 300 mg/L BOD5 = 210 mg/L BOD5 = 25 mg/L
fossa imhoff FWS
Dimensionamento di un sistema FWS: esempio
( ) ( ) -1209209 giorni 357,006,1,6780 =⋅=⋅= −−T
RRkk θ
Coefficiente di rimozione:
33 mm 75,0
30,0
=
=
εmh
Fissando:
Area superficiale:
Lunghezza massima del letto bacino di fitodepurazione:
( ) ( ) 322138 86400///
Qa
mhAL
⋅⋅⋅⋅=
m = 0,3a = vegetazione moderatamente densa = 1,6 s⋅m1/6
( ) ( )m 876
1506,1
864002,030,03973322138
=
⋅⋅⋅⋅=L
Dimensionamento di un sistema FWS: esempio
Larghezza del bacino di fitodepurazione:
m 5,4 876
3973 ===
L
AW
Dimensionamento di un sistema FWS: esempio
1:7,1945,4:876: ==WL
Rapporto lunghezza/larghezza:
m 20=W m 200=L
1:1020:200: ==WL
Rapporto lunghezza/larghezza:
NOnon è compreso tra:
2:1 e 10:1
OKcompreso tra:
2:1 e 10:1
