Universit degli Studi di Enna Kore Facolt di

Università degli Studi di Enna “Kore” Facoltà di Ingegneria, Architettura e Scienze Motorie TRATTAMENTO DELLE ACQUE DI APPROVVIGIONAMENTO INGEGNERIA SANITARIA-AMBIENTALE (PROF. ING. G. DI BELLA) a. a. 2013 -2014 – 9 CFU

Acque di approvvigionamento CARATTERI DELLE ACQUE DI APPROVVIGIONAMENTO fisico-organolettici caratteri chimici microbiologici 1) CARATTERI FISICO-ORGANOLETTICI - temperatura: si misura in °C - torbidità: valutazione della quantità di sostanze sospese si misura in: unità torbidimetriche (UT) = 2, 5 mg/l Si. O 2 unità Jackson (mg/l Si. O 2) -conducibilità elettrica [m. S/cm]: è una misura indiretta del contenuto salino; in assenza di solidi in sospensione, è correlato al residuo fisso - colore: si misura per confronto con soluzioni note di platino-cobalto 1 unità di colore (unità Hazen) = 1 mg/l di platino - sapore e odore: giudizio soggettivo su campioni diluiti.

Acque di approvvigionamento CARATTERI DELLE ACQUE DI APPROVVIGIONAMENTO 2) CARATTERI CHIMICI (1) a) analisi ionica: analisi dei singoli ioni (in mg/l o in meq/l) diagramma di Hale: si dispongono le specie ioniche positive (cationi) e negative (anioni) in meq/l; (peso in meq/l = peso in mg/l / peso atomico x n. cariche)

Acque di approvvigionamento CARATTERI DELLE ACQUE DI APPROVVIGIONAMENTO 2) CARATTERI CHIMICI (2) b) p. H: è il LOG del reciproco della concentrazione idrogenionica: p. H = - LOG [H+] p. H < 7 soluzione acida p. H = 7 soluzione neutra p. H > 7 soluzione basica Importanza: notevole influenza sui processi di trattamento delle acque (disinfezione, flocculazione, etc. ). c) alcalinità: è la misura della capacità dell'acqua di neutralizzare acidi; ciò è dovuto alla presenza in soluzione di idrossidi e dei sali di acidi deboli e basi forti. si esprime in mg. Ca. CO 3/l alcalinità idrossilica (presenza di OH-), carbonica, bicarbonica. TA titolo alcalimetrico (alla fenolftaleina): misura idrossidi + 1/2 carbonati; TAC " " completo (al metilarancio): misura idrossidi + carb. + bicarb.

Acque di approvvigionamento CARATTERI DELLE ACQUE DI APPROVVIGIONAMENTO 2) CARATTERI CHIMICI (3) d) durezza: rappresenta la quantità di sali di calcio e magnesio si misura in mg. Ca. CO 3/l o in °F (1 °F = 10 mg. Ca. CO 3/l) elevata durezza (> 50 °F) può dare problemi per l'uso civile (maggiori consumi di saponi, incrostazioni, acque di caldaia); per T crescente, CO 2 si libera e la reazione si sposta verso destra, con precipitazione del carbonato. e) residuo fisso: è la misura dei solidi a 105 °C (in mg/l) in assenza di sostanze organiche, è pressocchè pari al contenuto salino.

Acque di approvvigionamento CARATTERI DELLE ACQUE DI APPROVVIGIONAMENTO 3) CARATTERI MICROBIOLOGICI a) misura di microrganismi banali: - coliformi totali - coliformi fecali - streptococchi fecali b) misura di microrganismi patogeni: - batteri patogeni - protozoi - virus - funghi - amebe - vermi - etc.

Acque di approvvigionamento Fonti di approvvigionamento convenzionali: superficiali: profonde (telluriche): non convenzionali: acque saline (mare) acque reflue fiumi e torrenti laghi e serbatoi pozzi sorgenti

Acque di approvvigionamento Usi delle acque potabile Usi per approvvigionamento irriguo industriale acque di raffreddamento (a ciclo chiuso o aperto) acque di processo acque per produzione di vapore navigazione Usi locali navigazione, produzione di energia (idroelettrica) estetico, paesaggistico, ricreazionale conservazione della vita acquatica Criteri di qualità: • sono i valori limite da non superare per garantire un uso specifico non dannoso delle acque; • vanno definiti per ciascun uso.

Acque di approvvigionamento Le acque “ad uso umano” Numerose normative, nazionali e comunitarie, che regolano l'uso delle acque da avviare alla potabilizzazione e quelle già destinate al consumo umano. Il quadro normativo è molto articolato, anche in funzione della diversa forma con cui le risorse sono rese disponibili all’utenza e da questa utilizzate. In pratica, l’esame di tale quadro consente di distinguere le acque “ad uso umano” nelle seguenti quattro categorie: 1) acque destinate al consumo umano; 2) acque minerali naturali; 3) acque di sorgente; 4) acque termali. Le modalità d’uso e gli standard di qualità che devono essere rispettati da ciascuna categoria di risorsa sono regolati da una differente normativa.

Acque di approvvigionamento Le acque “destinate al consumo umano” La normativa vigente (D. lgs. 31/2001), richiamando ed estendendo un concetto già contenuto nella precedente norma (D. P. R. 236/88) definisce “acque destinate al consumo umano”: a) le acque trattate o non trattate, destinate ad uso potabile, per la preparazione di cibi e bevande, o per altri usi domestici, a prescindere dalla loro origine, fornite all’utenza mediante una rete di distribuzione, cisterne, bottiglie o contenitori vari; b) le acque utilizzate da imprese alimentari, per la fabbricazione, il trattamento, la conservazione o l’immissione sul mercato di prodotti o sostanze destinate al consumo umano, a meno di quelle che non hanno conseguenze sulla salubrità del prodotto alimentare finale. In pratica, tale normativa regola le risorse usualmente definite con la dizione di “acque potabili”, che comprendono tutte le acque distribuite con acquedotti pubblici o privati, ma anche in bottiglie, cisterne e altri contenitori, per usi domestici e nelle industrie alimentari.

Acque di approvvigionamento Criteri di qualita’ per l’uso potabile a) acque da destinare all’uso potabile (previa eventuale potabilizzazione) D. lgs. 152/06: acque superficiali: • classificazione delle acque in A 1, A 2, A 3, a seconda delle caratteristiche delle acque; • obbligo di potabilizzazione; • livelli di trattamento crescenti, passando dalla classe A 1 alla A 3; • acque non utilizzabili se peggiori di A 3. Per le acque superficiali e profonde sono definite le “aree di salvaguardia” distinte in: Ø zona di tutela assoluta (divieto assoluto di qualunque attività; r > 10 m); Ø zona di rispetto (limitata attività; r > 200 m); Ø zona di di protezione (definita in base a criteri regionali). b) acque utilizzate a scopo potabile (“destinate al consumo umano”): D. lgs. 31/2001 : fissa le caratteristiche delle acque per l'uso (diretto) potabile; vengono definiti “valori parametrici “ da non superare, per 64 parametri di natura fisica, chimica e microbiologica. ,

Acque di approvvigionamento Normativa sull’uso potabile D. lgs. 152/06: Trattamenti da prevedere negli impianti di potabilizzazione per le acque di origine superficiali, a seconda della classificazione delle acque: Ø A 1: "trattamento fisico semplice + disinfezione" (filtrazione + disinfezione) Ø A 2: "tratt. fisico e chimico normale + disinfezione" (preossidazione + chiariflocculazione + filtrazione + disinfezione) Ø A 3: "tratt. fisico e chimico spinto + affinazione + disinfezione" (preossidazione + chiariflocculazione + filtri a carboni attivi + disinfezione)

Acque di approvvigionamento Modifiche nel tempo delle caratteristiche di qualità delle acque in relazione agli usi e normativa di competenza D. lgs. 31/01 D. M. . 185/03 D. lgs. 152/06 (parte 3 a, All. 2) D. Lgs 152/06 (parte 3 a, All. 5) L. R. S. 27/86 (Tab. 1) D. lgs. 152/06 (parte 3 a, All. 5) ACQUEDOTTI FOGNATURE

Acque di approvvigionamento SCHEMA DI UN ACQUEDOTTO A USO IDROPOTABILE CON POSSIBILE LOCALIZZAZIONE DEL TRATTAMENTO DI POTABILIZZAZIONE DELLE ACQUE impianto di potabilizzazione

Acque di approvvigionamento Localizzazione dei punti di conformità della qualità dell’acqua a uso potabile alla fonte D. lgs. 152/06 impianto di potabilizzazione alla consegna (D. lgs. 31/99)

Acque di approvvigionamento Caratteristiche delle acque in funzione dell’origine delle fonti di approvvigionamento

Acque di approvvigionamento TRATTAMENTI DELLE ACQUE IN FUNZIONE DEGLI OBIETTIVI DI RIMOZIONE

Acque di approvvigionamento TRATTAMENTI DI POTABILIZZAZIONE (per acque superficiali) OPERAZIONI UNITARIE: 1) grigliatura: per la rimozione dei solidi grossolani; 2) equalizzazione: opportuna nel caso si preveda una forte variabilità della qualità dell'acqua grezza 3) preossidazione: per evitare formazione di alghe sulla superficie delle vasche di valle (sedimentazione, filtrazione) 4) sedimentazione iniziale: rimozione dei SS sedimentabili (limo, sabbie), di natura prevalentemente inerte; per acque di fiume con torbidità superiore a 1000 mg/l 5) microstacciatura: in alternativa alla sedimentazione iniziale; è finalizzata alla rimozione di alghe e plancton (acque lacustri) e alla protezione dei successivi filtri 6) CHIARIFLOCCULAZIONE 7) FILTRAZIONE 8) trattamenti di rimozione di microinquinanti: GAC, de. N, stripping, etc. 9) DISINFEZIONE: per rimozione della carica microbiologica 10) Accumulo: con funzione di equalizzazione finale e compenso

Acque di approvvigionamento SCHEMI DI IMPIANTI DI POTABILIZZAZIONE (per acque superficiali – CLASSE A 2) Con CFL a bacino unico

Acque di approvvigionamento SCHEMI DI IMPIANTI DI POTABILIZZAZIONE (per acque superficiali – CLASSE A 3) PI: impianto di sollevamento iniziale; TP: trattamenti preliminari (grigliatura, stacciatura, accumulo, sedimentazione primaria); d: dosaggio reagenti; C: coagulazione; F: flocculazione; S 2: sedimentazione secondaria (finale); FR: filtrazione rapida; GAC: adsorbimento su carboni attivi granulari; DIS: disinfezione; ACC: accumulo acqua trattata; PF: impianto di sollevamento finale

Acque di approvvigionamento CHIARIFLOCCULAZIONE Operazioni unitarie applicate: combinazione dei trattamenti di: a) coagulazione b) flocculazione c) sedimentazione Obiettivo: rimozione dei SS non sedimentabili, di natura colloidale; si ottengono pure miglioramenti di: torbidità, colore, carica batterica, etc. SOSPENSIONI COLLOIDALI: Ø particelle aventi dimensione 0, 1 -1 m, causa di torbidità e di colore. Ø i colloidi possono essere liofobi (argille) o liofili (amidi, proteine, detergenti) Ø i primi sono la maggiore causa della torbidità Ø le piccolissime dimensioni delle particelle fanno sì che esse siano soggette più alle forze di superficie, che a quelle di volume Ø sulla loro superficie si concentrano gruppi ionici o ionizzabili (per adsorbimento), che conferiscono alle particelle una carica elettrostatica (di solito negativa) Ø ciò porta all'attrazione di ioni positivi, a concentrazione decrescente, mano che ci si allontana dalla particella

Acque di approvvigionamento CHIARIFLOCCULAZIONE Andamento del potenziale elettrico intorno alla particella colloidale: • All'interno dello strato a potenziale zeta, ioni e solvente si muovono congiuntamente alla particella ("acqua legata"), mentre all'esterno il moto è indipendente ("acqua libera"). • La carica elettrica fa sì che le particelle, aventi stesso segno, siano sottoposte a un meccanismo di repulsione, che, impedendone l'aggregazione, rende impossibile la loro separazione con meccanismi fisici (sedimentazione). • Quindi, per consentire l'aggregazione delle particelle, occorre ridurre il potenziale zeta.

Acque di approvvigionamento CHIARIFLOCCULAZIONE COAGULAZIONE Ø Scopo: destabilizzazione delle sospensioni colloidali Ø In che modo ? L'aggiunta di un elettrolita comporta la compressione del doppio strato (rigido + diffuso) e la riduzione della zona di influenza tra le particelle. Ø Prodotti adoperati: si aggiungono prodotti chimici "coagulanti": • coagulanti inorganici: solfato di alluminio, solfato ferroso, solfato ferrico, cloruro ferrico, policloruro di alluminio, calce idrata; • coagulanti organici: polielettroliti (vietati acque per le approvv. , di adoperati per i fanghi) Il fenomeno di coagulazione può essere agevolato dall'aggiunta di coadiuvanti di processo (bentonite, silice attivata). Ø Caratteristiche dell’unità di processo: deve essere dotata di una elevata turbolenza (agitazione energica)

Acque di approvvigionamento CHIARIFLOCCULAZIONE Ø Scopo: mettere a contatto le particelle dopo la coagulazione, per consentire l'agglomerazione dei fiocchi e quindi la successiva separazione per sedimentazione Ø Caratteristiche dell’unità di processo: deve essere dotata di una moderata turbolenza

Acque di approvvigionamento CHIARIFLOCCULAZIONE BACINI DI COAGULAZIONE (FLASH-MIXING) • vasche a mix rapida • tempo di detenzione idraulica: T = 60 s (20 -30 s) • agitatori meccanici ad elica (150 -1500 giri/min) • bacini a pianta quadrata con deflettori verticali periferici • attenzione ai fenomeni di corto circuito idraulico ! • potenza istallata (> P dissipata) 100 -600 W/m 3

Acque di approvvigionamento CHIARIFLOCCULAZIONE BACINI DI FLOCCULAZIONE • in essi si verifica l'ingrossamento e l'addensamento dei fiocchi • tempo di detenzione idraulica: T = 20 -30 min • potenza istallata 20 -80 W/m 3 vasche a setti (mix idraulica, con v = 0, 3 - 0, 8 m/s): (a) con inversione di flusso laterale; (b) con inversione di flusso verticale vasche con agitatori (mix meccanica, con gruppi di pale a crociera, v= pochi giri/min): (a) pale ad asse orizzontale; (b) pale ad asse verticale

Acque di approvvigionamento CHIARIFLOCCULAZIONE BACINI DI SEDIMENTAZIONE • • • sedimentazione di tipo fioccosa carico idraulico Ci = 1, 2 m/ora tempo di detenzione idraulica T = 2, 5 ore altezza media delle vasche H = 2, 5 m portata specifica sfiorata qsf = 8 m 3/mxora di solito si adoperano vasche a flusso orizzontale radiale o a flusso verticale

Acque di approvvigionamento CHIARIFLOCCULAZIONE IMPIANTO DI CHIARIFLOCCULAZIONE “A BACINI SEPARATI” bacino di coagulazione bacino di flocculazione bacino di sedimentazione

Acque di approvvigionamento CHIARIFLOCCULAZIONE IMPIANTO DI CHIARIFLOCCULAZIONE DI TIPO COMBINATO (“A BACINO UNICO”) Ø accoppiamento in unica vasca di due o tre funzioni (coagulazione, flocculazione, sedimentazione) Ø formazione di uno strato intermedio di fango (“letto di fango”), costituito da SS + coagulanti, che esercita una funzione di filtro per le particelle più piccoli Ø carico idraulico: Ci = 2, 5 – 3 m/ora Ø tempo di detenzione idraulico T = 1, 5 ore Ø ricircolo del fango Ø vantaggi: • • • flocculazione + sedimentazione migliori, per la presenza di grandi fiocchi migliore adattabilità a variazioni di portata migliore utilizzazione dei reagenti minori dimensioni maggiori rendimenti globali di chiarificazione

Acque di approvvigionamento CHIARIFLOCCULAZIONE ACCELATOR (coagulazione + flocculazione + sedimentazione) (a) zona di mescolamento e reazione (b) zona di contatto (c) zona di sedimentazione

Acque di approvvigionamento CHIARIFLOCCULAZIONE PULSATOR (flocculazione + sedimentazione) 1: arrivo acqua; 2: canalette d'uscita; 3: estrazione fanghi; 4: deflettori di calma; 5: misuratore di livello; 6: campana di depressione; 7: pompa a vuoto; 8: valvola automatica; 9: tubi ripartitori; 10: tramoggia fanghi Principio di funzionamento: 1 a fase: valvola 8 chiusa; pompa del vuoto 7 funzionante; il livello dell'acqua nella campana si innalza; l'acqua nella vasca è immobile e il fango decanta. 2 a fase: il misuratore di livello 11 raggiunge il dislivello max; la valvola 8 si apre; la rientrata d'aria nella campana fa passare velocemente l'acqua dalla campana alla vasca attraverso i ripartitori 9; il letto di fango si espande e l'esubero di fango cade nella tramoggia 10; l'acqua chiarificata mediante il passaggio attraverso il letto di fango sfiora nella canaletta 2.

Acque di approvvigionamento FILTRAZIONE filtrazione a) b) c) d) e) di superficie (su teli filtranti) di volume (su letto filtrante) Meccanismi di filtrazione delle particelle: intercettamento; diffusione; inerzia; decantazione; effetti idrodinamici Quindi la filtrazione interviene su un numero di particelle >> a quello della stacciatura

Acque di approvvigionamento FILTRAZIONE SU LETTO FILTRANTE 1) FILTRI LENTI • non richiedono a monte trattamenti di chiariflocculazione; • la coagulazione dei colloidi è infatti ottenuta a mezzo degli enzimi di alghe e microrganismi, che si formano nello strato superficiale del filtro, intorno ai granelli di sabbia (si forma una pellicola biologica); efficacia nei confronti dei microrganismi (disinfezione per barriera) • carico idraulico superficiale: 5 -30 m/giorno • caratteristiche: basse perdite di carico, grandi superfici necessarie 2) FILTRI RAPIDI • non si forma la pellicola biologica • carico idraulico superficiale: 4 -50 m/ora • possibili usi: • filtrazione di acqua già chiariflocculata (affinamento) • filtrazione diretta (coagulazione+flocculazione, senza sedimentazione) • filtrazione per contatto (coagulazione simultanea: aggiunta dei coagulanti a monte del filtro, senza coagulazione, flocculazione e sedimentazione)

Acque di approvvigionamento FILTRAZIONE SU LETTO FILTRANTE CARATTERISTICHE DEL MEZZO FILTRANTE • Caratterizzazione granulometrica del filtro: dimensione efficace DE 10 coefficiente d'uniformità: DE 60/DE 10 • Natura del mezzo poroso: - sabbia quarzosa (maggiormente adoperata) - antracite - carboni attivi granulari (GAC) • Granulometria del mezzo filtrante: a) granulometria uniforme (più usuale): 0. 3 -1, 3 mm (filtri rapidi di acque pretrattate) b) granulometria doppia (“dual media”): strato superiore: antracite 0, 8 -2, 5 mm strato inferiore: sabbia 0, 4 -0, 8 mm vantaggi: altezza del letto inferiore (pari a circa il 70%) a quello a granulometria uniforme, a parità di rendimento di rimozione; svantaggi: problemi di separazione in fase di lavaggio del filtro

Acque di approvvigionamento TIPOLOGIE DEI FILTRI SU LETTO FILTRANTE (RAPIDI APERTI) Esempio di ugello di presa dell’acqua filtrata Esempio di valvola a clapet

Acque di approvvigionamento TIPOLOGIE DEI FILTRI SU LETTO FILTRANTE (RAPIDI APERTI) Sezione longitudinale di filtro aperto con alimentazione a portata costante

Acque di approvvigionamento FILTRI RAPIDI A GRAVITA’ fase di esercizio

Acque di approvvigionamento FILTRI RAPIDI A GRAVITA’ fase di controlavaggio (1/2)

Acque di approvvigionamento FILTRI RAPIDI A GRAVITA’ fase di controlavaggio (2/2)

Acque di approvvigionamento TIPOLOGIE DEI FILTRI SU LETTO FILTRANTE (RAPIDI APERTI) Esempio di filtro autopulente

Acque di approvvigionamento Esempio di filtro autopulente

Acque di approvvigionamento TIPOLOGIE DEI FILTRI SU LETTO FILTRANTE (RAPIDI IN PRESSIONE) filtro verticale filtro orizzontale

Acque di approvvigionamento FILTRI RAPIDI IN PRESSIONE

Acque di approvvigionamento TIPOLOGIE DEI FILTRI DI SUPERFICIE (APERTI) microstaccio