La separazione solido/liquido La sedimentazione costituisce una delle fasi di trattamento più frequenti ed antichi nel campo dell’ingegneria sanitaria-ambientale. La maggior parte dei trattamenti di fluidi prevede una o più fasi di sedimentazione. Una delle ragioni principali è da ricercare nell’indubbia economia del tipo di applicazione (sfrutta il campo gravitazionale terrestre, che è …. gratuito) e nella semplicità di realizzazione. Nella presente lezione vedremo le basi teoriche del processo, rimandando ad un momento successivo un analisi delle soluzioni impiantistiche.

In molti campi dei processi di trattamenti è necessario procedere ad una separazione dei solidi sospesi dal fluido in cui essi sono contenuti, in primo luogo dall’acqua. Per esempio nel trattamento delle acque reflue (dissabbiatura, sedimentazione primaria, sedimentazione secondaria, processi di affinamento terziari) oppure nel campo della potabilizzazione delle acque (dissabbiatura, sedimentazione, filtrazione) per rendere l’acqua idonea al consumo umano. In questa lezione si descriveranno le basi di questi processi partendo dalla sedimentazione, il più semplice dei sistemi di separazione. Si vedrà quindi come rendere possibile la separazione delle particelle più piccole (i colloidi) mediante l’uso di particolari reagenti nel processo di coagulazione-flocculazione. Infine la filtrazione in cui i solidi sono rimossi facendo attraversare l’acqua attraverso un mezzo filtrante in grado di trattenere le particelle indesiderate.

Modalità di sedimentazione In funzione della concentrazione dei solidi e della loro tendenza ad interagire ed aggregarsi è possibile distinguere alcune diverse modalità di sedimentazione. La sedimentazione ha come obiettivo la separazione da un fluido di particelle solide in esso presenti. I meccanismi con cui questa separazione si svolge, pur essendo determinati sempre dalla forza di gravità, dipendono fortemente dalla tipologia delle particelle e dalla loro concentrazione. Le diverse modalità saranno di seguito verranno presentate seguendo una schematizzazione tradizionale della sedimentazione in quattro differenti processi: Sedimentazione di particelle isolate; Sedimentazione per flocculazione; Sedimentazione ostacolata; Sedimentazione per compressione. Va ricordato che spesso, negli impianti reali, nello stesso “sedimentatore” (il reattore in cui avviene questo processo) si può avere la concomitante presenza dei diversi meccanismi prima descritti.

Particelle discrete (tipo 1) E’ una sedimentazione che fa riferimento a particelle granulose presenti in sospensioni con bassa concentrazione di solidi. Le particelle sedimentano come entità individuali, senza significative interazioni. Campi di applicazione nel trattamento delle acque: Dissabbiatura Altre applicazioni: Separatori per la rimozione del particolato solido di effluenti gassosi

Particelle fioccose (tipo 2) E’ una sedimentazione che fa riferimento a particelle che subiscono un processo di coalescenza (flocculazione) durante il moto di sedimentazione. Campi di applicazione nel trattamento delle acque: Sedimentazione primaria; Parte superiore della sedimentazione secondaria; Chiarificazione trattamenti chimici.

Sedimentazione ostacolata (tipo 3) E’ una sedimentazione che con concentrazioni maggiori, in cui le forze interparticellari sono sufficienti a creare un ostacolo fra le particelle vicine. Ogni particella mantiene la sua posizione relativa, ma la massa complessiva sedimenta come un’unica unità. Un interfaccia solido-liquido si sviluppa sulla sommità della massa in fase di sedimentazione. Campi di applicazione nel trattamento delle acque: Sedimentazione secondaria

Sedimentazione per compressione (tipo 4) In questo caso la concentrazione è così elevata che le particelle formano un’unica struttura tale che la sedimentazione può avvenire solo per sua compressione. La compressione avviene per lo stesso peso delle particelle che via, via sedimentando si aggregano alla struttura. Campi di applicazione nel trattamento delle acque: Tramoggia raccolta fanghi sedimentazione secondaria; Ispessimento fanghi biologici e chimici.

Richiami di teoria della sedimentazione

Sedimentazione particelle discrete Tale tipo di sedimentazione può essere studiata attraverso le leggi di sedimentazione formulate da Newton-Stokes. Per il secondo principio della dinamica: P – S – FD = m dv/dt La particella subisce un moto accelerato, fino al raggiungimento di una “velocità limite di sedimentazione”. In queste condizioni si ha l’equilibrio delle forze agenti e pertanto. P – S – FD = 0 S = spinta di Archimede = gV P = peso = sgV FD = forza di resistenza = CDv2A/2

Per particelle sferiche (V/A = 2d/3) porta alla legge di Newton: La velocità di sedimentazione terminale si ottiene, pertanto, uguagliando la forza gravitazionale (al netto della spinta di Archimede) con la forza d’attrito: (s - )g V = 0.5CDA v2. Per particelle sferiche (V/A = 2d/3) porta alla legge di Newton: s = densità particelle;  = densità del fluido; g = accelerazione di gravità; V = volume particelle; CD = coefficiente di resistenza; v = veloc. Particelle; A = sez. trasv. particella lungo la dir. ortogonale alla velocità; d = diametro della particella La legge di Newton così espressa non permette il calcolo della velocità perché CD dipende a sua volta dalla velocità stessa.

Legge di Stokes Il coefficiente di attrito è rappresentabile in funzione del numero di Reynold Re (= vd/, con  viscosità dinamica del fluido [MT-1L-1]; = vd/υ, con υ viscosità cinematica [T-1L2]). Per particelle sferiche: CD = 24/Re + 3/Re0.5 + 0.34 In condizioni di moto laminare (Re < 0.3) prevale il primo termine della relazione, per cui è possibile calcolare la velocità di sedimentazione secondo l’espressione nota come legge di Stokes:

Andamento del coefficiente di attrito

Teoria di Hazen Vogliamo calcolare la minima velocità vS che può avere la particella X per sedimentare nella vasca, almeno, quindi, nel punto A (supponiamo che i filetti fluidi si mantengano paralleli). b X v=Q/Hb H Q vs Il tempo di percorrenza verticale t2 = H/vs L A Il tempo di percorrenza orizzontale t1 = L/v = (L H b) / Q Vediamo una prima applicazione della teoria prima introdotta, nel caso in cui il sedimentatore sia un’unità prismatica attraversata da un fluido con flusso longitudinale di portata Q. E’ questo proprio il caso tipico di un dissabbiatore o di un comparto per l’eliminazione del particolato da un effluente gassoso. La condizione di minima velocità si ha dunque per t1=t2 e quindi per vs= vo = Q/S (poiché bL=S). Ciò significa che sono trattenute nella vasca tutte le particelle che hanno velocità di sedimentazione maggiore od uguale a vo (carico idraulico superficiale o overflow); le particelle con vo inferiore sono trattenute solo in parte in funzione del dell’altezza di introduzione nella zona di ingresso. Indichiamo con D0 il diametro della particelle con velocità di sedimentazione vo. Lo stesso carico superficiale è il parametro di dimensionamento delle vasche a flusso ascensionale.

Limiti della teoria di Hazen La teoria di Hazen presuppone 3 condizioni difficilmente realizzabili nella pratica: La velocità di traslazione (come tutte le caratteristiche del fluido, come la temperatura) deve essere uniforme in ogni punto della vasca; Le particelle sospese risultano essere distribuite nella zona di ingresso in maniera uniforme sulla sezione trasversale della vasca; Le particelle che raggiungono il fondo non tornano in sospensione.

Velocità massime Velocità di ingresso eccessive possono generare fenomeni di trascinamento o di risospensione del materiale di fondo. Per tale ragione è opportuno che la portata in ingresso sia contenuta entro limiti definiti. La velocità limite può essere calcolata dalla seguente espressione (Camp) V = velocità di trascinamento (cm/s) C = coefficiente di attrito di Chezy k = coefficiente dipendente dalla caratteristiche delle particelle (sabbia:0.1-0.25) d = diametro equivalente particelle (cm) g = accelerazione di gravità 981 cm/s2 s = peso specifico relativo del materiale

Processi di Coagulazione-Flocculazione

Introduzione All’interno dei solidi contenuti in un mezzo disperdente vi è una classe che non può essere separata attraverso una semplice sedimentazione diretta. Quando l’obiettivo di riduzione della torbidità diventa particolarmente stringente la sedimentazione ha bisogno di una serie di processi a monte al fine di “destabilizzare” la sospensione solida e rendere sedimentabili anche le particelle più difficili. Questo trattamento prende il nome di ”coagulazione-flocculazione”. Il processo di coagulazione-flocculazione è utilizzato soprattutto nel trattamento di potabilizzazione delle acque superficiali destinate al consumo umano. Può, inoltre, essere utilizzato per migliorare la rimozione solida negli impianti di trattamento delle acque reflue quando sia necessario raggiungere standard elevati di scarico o il contenuto dei solidi dell’effluente siano eccessivi a causa delle particolari caratteristiche delle acque di scarico (tipicamente acque di origine industriale).

Il processo di coagulazione-flocculazione Processo utilizzato nel trattamento delle acque (potabilizzazione e depurazione) per l’abbattimento dei solidi. Lo scopo è di far agglomerare le particelle colloidali in modo da rendere più efficace la rimozione della parte solida con trattamenti quali sedimentazione e/o filtrazione. Per fare ciò è necessario Destabilizzare la sospensione (coagulazione) Aggiunta di coagulanti Agitazione rapida Agitazione lenta Aggiunta di flocculanti (eventuale) Facilitare il contatto tra le particelle per formare i fiocchi (flocculazione)

Natura dei colloidi Nelle applicazioni legate al trattamento delle acque superficiali i solidi COLLOIDALI risultano principalmente costituiti da: Particelle di natura argillosa; Ossidi di ferro e manganese; Composti organici di varia natura (acidi umici e fulvici, proteine, amidi, virus,…) .

Stabilità dei colloidi Quasi tutti i colloidi presenti nelle acque sono particelle termodinamicamente instabili, tendono infatti ad aggregarsi. Alcuni lo fanno velocemente, altri molto lentamente. Chiameremo stabili quei colloidi, termodinamicamente instabili, ma che si aggregano con cinetiche molto lente. Il processo di coagulazione ha proprio lo scopo di intervenire sulle cinetiche destabilizzando la sospensione, nel senso cioè di favorire cinetiche più rapide di aggregazione. La stabilità è dovuta principalmente a: Stabilità elettrostatica dovuta alla presenza della carica (solitamente negativa) sulla superficie dei colloidi; Stabilità sterica per l’adsorbimento di polimeri sull’interfaccia solido-liquido del colloide.

Il modello del doppio strato La carica delle singole particelle colloidali è controbilanciata all’interno della fase disperdente da ioni dotati di carica opposta. La distribuzione delle cariche determina la formazione di un doppio strato elettrico che può essere descritto attraverso l’andamento del potenziale elettrico.

Potenziale elettrostatico causato dalla presenza della carica superficiale negativa. Modello del doppio-strato (double layer).

Forze attrattive e repulsive Forze di repulsione elettrostatiche Risultante Barriera Energetica + + Coagulazione-flocculazione: Eliminazione barriera energetica Forze di attrazione (van der Waals)

Forze attrattive e repulsive Le forze attrattive (Van der Waals) sono originate dalla risonanza magnetica ed elettronica che si origina fra due particelle che vengono in contatto a causa degli elettroni presenti negli atomi delle superfici. Sono forze attrattive abbastanza forti da superare la repulsione elettrostatica (ecco perché abbiamo detto all’inizio della lezione che termodinamicamente la flocculazione è favorita), ma non in grado di superare la barriera energetica che si viene a formare a causa della diffusione spaziale molto più ampia del campo elettrostatico repulsivo.

Azione degli agenti coagulanti Gli agenti coagulanti hanno lo scopo di consentire il superamento della barriera energetica favorendo l’aggregazione delle particelle. I meccanismi sono diversi: Neutralizzazione della carica, per adsorbimento di ioni di carica opposta; Inglobamento in un precipitato; Bridging interparticellare.

Agenti coagulanti e flocculanti SALI METALLICI Solfato di alluminio (Al2(SO4)3 14 H2O): Viene commerciato sotto forma di granuli e polvere, con un titolo di Al2O3 intorno al 17%. La sua azione coagulante è molto buona tra pH 5 e 7 e dà un precipitato bianco fioccoso con composizione diversa a seconda del pH al quale si opera. Dosaggi tipici sono compresi fra 10 – 50 mg/L. Cloruro ferrico (FeCl3 6H2O): venduto sia in cristalli sia in soluzione concentrata, è molto usato sia per il buon potere coagulante, sia per il suo basso costo. Ha un campo di azione che va da pH 4 a 10. E’ usato soprattutto per le acque reflue. Dosaggi tipici sono compresi fra 5-50 mg/L. POLIELETTROLITI Polimeri inorganici (Alm(OH)nCl3n-m ; Alm(OH)n(SO4)3kCl3m-2kn): E' disponibile in soluzione a vari titoli di Al2O3 (10-18 %) oppure in forma solida (granulare) ad alto titolo ( 30 %). Polimeri organici: sono polimeri solubili in acqua, nelle cui catene sono presenti dei gruppi funzionali ionizzabili. ALTRI ADIUVANTI DEL PROCESSO DI COAGULAZIONE-FLOCCULAZIONE Calce e Bentonite: per facilitare il processo di aggregazione può anche essere usata CALCE. Per acque con concentrazioni colloidali basse la BENTONITE può favorire la formazione dei fiocchi.

Adsorbimento e neutralizzazione della carica In questa modalità la carica superficiale è ridotta attraverso l’adsorbimento sulla superficie del colloide di un reagente con carica opposta. Tipico il caso degli composti ionici idrolizzati di alluminio (p.es. Al(OH)2+, Al(OH)+2, Al7(OH)4+17) e ferro che si formano utilizzando sali di ferro ed alluminio come coagulanti.

Inglobamento in un precipitato In caso di dosaggi sufficientemente elevati i sali metallici in soluzioni acquosa possono dar vita a precipitati, in tal caso di colloidi possono fungere da nuclei di condensazione o rimanere intrappolati all’interno dei fiocchi precipitati.

Effetto ponte (bridging) L’uso di polimeri organici favorisce la formazione di “ponti” fra le particelle costituendo un reticolo in grado di formare fiocchi di particelle. Il processo prevede nel primo step l’adsorbimento del polimero sulla superficie della particella. Il complesso così costituito può più favorevolmente legarsi con altre strutture analoghe. Analogo comportamento può verificarsi attraverso i prodotti polinucleari di idrolisi dei Sali metallici.

Parametri di dimensionamento Gradiente di velocità G [s-1] Tempo di contatto t [s] G · t P=Potenza dissipata  =Viscosità dinamica V=Volume di contatto Condizioni di agitazione Caratteristiche ottimali dei fiocchi (dimensione, forma, densità…) Caratteristiche della sospensione Tipo e dosaggio di coagulante

Miscelazione rapida Intesa miscelazione (G=500-1000 s-1); Brevi tempi di contatto (30-60 s).

Miscelazione lenta Durante la fase di flocculazione la massa fluida deve essere tenuta in movimento, al fine di incrementare il numero di collisioni interparticellari. I valori di G, sono sostanzialmente inferiori rispetto alla fase di miscelazione rapida, in quanto occorre non interferire sulla struttura del fiocco che si è già formato. La dimensione massima del fiocco è espressa in funzione di G dalla relazione   dove K e m sono delle costanti che dipendono, dal regime di turbolenza, dal tipo dosaggio del reagente e dalle caratteristiche dell'acqua grezza. Tempi di contatto: è di fondamentale importanza ai fine dell’efficacia del processo. Dipende dal tipo di schema impiantistico adottato. Generalmente tempi compresi tra 10 e 30 min. Gradiente di velocità: compreso tra 10 e 60 sec-1

Coagulazione: miscelatori meccanici Tempi di contatto compresi tra 30 sec e 2 min Gradienti di velocità compresi tra 700 e 1000 sec-1 . Svantaggi:costi di esercizio risultano un grosso limite in particolare per grandi impianti, Vantaggi: risultano essere dei sistemi elastici ed adattabili alle diverse tipologie di acque.

Flocculazione: agitazione meccanica Permettono un’ottima regolazione del processo (velocità di agitazione). Anche in questo caso a valle del processo sono necessarie fasi di sedimentazione o filtrazione. Devono essere garantite velocità tali da poter ottenere velocità periferiche di 0,2-0,6 m/sec per evitare fenomeni di presedimentazione.

Chiariflocculatori I chiariflocculatori a bacino unico presentano il grande vantaggio di essere particolarmente compatti. La sospensione entra dalla parte centrale in cui, per mezzo di un agitatore meccanico, si facilita la collisione tra le particelle destabilizzate, permettendo la formazione dei fiocchi. La caratteristica principale è quella di svilupparsi per lunghezza (grandi diametri) piuttosto che per altezza. Sono muniti di raschiatori di fondo per facilitare la raccolta del fango verso le zone di raccolta.

Filtrazione

Obiettivi generali Lo scopo della filtrazione tradizionale è quello di rimuovere una parte dei solidi contenuti nelle acque attraverso il passaggio di queste in un mezzo poroso. Può essere utilizzata dopo la sedimentazione come affinamento del processo di separazione solido-liquido. La filtrazione è presente negli impianti di trattamento delle acque superficiali come operazione finale del processo di separazione dei solidi a valle di coagulazione-flocculazione e sedimentazione. Può essere utilizzata come affinamento terziario in un impianto di trattamento delle acque reflue.

Filtrazione lenta Prime applicazioni inizio 1800 in Inghilterra. Letto di sabbia di 1.2-1.4 m di profondità. Combinazione di processo fisico e biologico attraverso una pellicola biologica superficiale da rimuovere periodicamente. P Bassa velocità di filtrazione: 2-4 m/d, (metri/giorno). Necessita di pretrattamenti nel caso di acqua di fiume. Elevata richiesta di spazio.

Filtrazione lenta Esempio di realizzazione. La pellicola biologica è nota come Schumtzdecke. La presenza della pellicola biologica permette di ottenere un acqua di qualità superiore a quella ottenibile con una filtrazione fisica (vedi dopo filtrazione rapida).

Filtrazione lenta Uno dei problemi principali di questo sistema è la grande richiesta di spazio e la necessità di operazioni complesse per la rimozione della pellicola superficiale. Facciamo un semplice esempio dello spazio richiesto. L’impianto di potabilizzazione di Firenze è dimensionato per trattare una portata di circa 4 m3/s, circa 350.000 m3/d . Considerando un carico idraulico superficiale di 2 m/d ci vorrebbe filtri lenti con una superficie totale pari a 350.000/2 m2. Cioè 175.000 m2. Come riferimento un campo di calcio ha una superficie di circa 6500 m2. Quindi 26 campi di calcio!

Filtrazione rapida Filtri in sabbia (dimensione media granulo 0.2-1 mm) o sabbia/antracite. Velocità di filtrazione (carico idraulico superficiale!) 5-10 m/h. Funzionamento a pelo libero o in pressione. Necessità di pre-trattamenti. Esempio di sezione trasversale di un filtro a gravità monogranulare (solo sabbia). Il livello dell’acqua dipende dal grado di sporcamento del filtro.

Filtrazione rapida Canale di ingresso acqua grezza Acque di controlavaggio Antracite Sabbia Sottodrenaggio Canale di uscita acqua filtrata Esempio di sezione trasversale di un filtro a gravità a due strati: sabbia ed antracite.

Modalità di rimozione principali dp Virus 0.01 -0.025 mm Batteri 0.2 - 1 mm Cryptosporidium 3 - 5 mm Giardia 6 - 10 mm dc dc dc Diffusione dp < 1 mm Sedimentazione dp > 1 mm Intercettazione I filtri rapidi sono filtri in volume, rimuovono quindi particelle più piccole della porosità, per esempio, in parte, virus e batteri. I meccanismi qui presentati ci spiegano come sia possibile per i solidi venire a contatto ed essere trattenuti dai granuli di sabbia attraverso forze di Van der Waals.

Caratteristiche tipiche I più comuni sono: filtri monostrato a sabbia silicea, con granulometria media di 1-1,2 mm (ad elevato grado di uniformità), operanti a gravità con portata a livello costante. Altezza supporto filtrante: maggiore di 1-1,2 m; Carichi idraulici: circa 6-7 m/h, massimo 10 m/h; Controlavaggio: in genere effettuato con miscele di aria+acqua. I carichi utilizzati sono dell’ordine dei 20-25 m/h, per un’espansione massima del letto del 10%. La portata di aria è di circa 1,5 m3/m2min. In genere le superfici di filtrazione non superano i 60m2.

Accumulo dei solidi nel filtro Ad un istante generico nel corso del processo di filtrazione in volume, nel letto poroso si possono individuare tre zone differenziate: 1)strato superiore completamente intasato e non più in grado di separare i solidi sospesi. 2)uno strato intermedio, che costituisce la zona attiva, il cui spessore varia con il carico idraulico e la granulometria del letto. In questo strato avviene il fenomeno del trattenimento dei solidi e avvengono continue modifiche sia della sospensione che del letto filtrante. 3)strato inferiore non interessato dall’intasamento. Quando lo strato inferiore non ha spessore si inizierà ad avere una scadente qualità dell’acqua filtrata. In questa situazione si dice che il filtro è “BUCATO”.

Il controlavaggio Il controlavaggio ha lo scopo di allontanare i solidi accumulatisi nel mezzo filtrante. Ciò si ottiene attraverso un espansione del letto e lo sfregamento fra le particelle, con il conseguente allontanamento dei solidi trattenuti.

Metodi di controlavaggio Acqua in controcorrente; Acqua in controcorrente con aria; Acqua in controcorrente e lavaggio in superficie; Controlavaggio continuo.

Acqua in controcorrente con aria In questo caso l’aria favorisce lo strofinamento fra le particelle di sabbia e quindi una migliore pulizia del filtro. L’espansione del letto filtrante può essere contenuta entro il 10%, riducendo quindi il quantitativo di acqua necessario per il controlavaggio. E’ opportuno interrompere l’immissione di aria prima dello scarico dell’acqua per evitare l’asportazione del mezzo poroso. Con questa metodologia è ridotta la formazione di coaguli di fanghiglia (mudballs) sulla superficie del letto filtrante. Non è adatta nel caso di filtri pluristadio (in questo caso si preferisce prima una pulizia con sola aria, per poi procedere ad un’espansione con sola acqua in controcorrente). E’ il sistema largamente più utilizzato in Europa continentale.