La rimozione della torbidità

La torbidità è un parametro che indica la quantità di solidi sospesi. Per le acque le loro particelle hanno un diametro che va da 10-6 a 10-1 metri circa.

La figura successiva rappresenta un semplice bilancio di massa dove Q sono le portate volumetriche di acqua e C le concentrazioni di solidi sospesi.

Solitmente Q2 sarà pari a circa (0,95÷0,99)*Q1, mentre l'efficienza globale dell'impianto sarà pari a:

In ogni caso, bisognerà minimizzare C2 per aumentare più possibile l'efficienza di rimozione della torbidità.

Le operazioni che vengono utilizzate per la rimozione della torbidità sono le seguenti.

Coagulazione e flocculazione

Sono due processi che servono per rimuovere i grani solidi dall'acqua. A questo scopo, si usano specifici agenti chimici coagulanti che rimuovono le cariche repulsive negative sui grani delle particelle solide come il cloruro ferrico (FeCL3), il solfato ferroso (FeSO4) o il solfato di alluminio (Al2SO4).

La coagulazione necessita di una maggiore turbolenza e agitazione rispetto alla fase successiva della flocculazione che rappresenta l'agglomerazione delle particelle solide.

La simulazione della coagulazione e della flocculazione si fa in laboratorio mediante il jar test: si simula l'effetto di diverse sostanze coagulanti su di un litro di acqua torbida, a diverse concentrazioni e anche a diverse velocità di agitazione valutando i diversi tempi di reazione e l'efficacia del reagente.

Per ogni flocculante occorre valutare l'efficacia, il costo, e la possibilità di peggioramento delle acque dopo l'intervento. Il coagulante dovrà poi finire nei residui.

Generalmente non è possibile bypassare la coagulazione e la flocculazione (sono spesso usate come pretrattamento) visto che le acque da trattare spesso contengono grandi quantità di solidi sospesi. Può essere bypassata la sedimentazione anche se poi la filtrazione diventerebbe molto più impegnativa.

Sedimentazione

E' basata sul confronto tra la velocità idraulica e la velocità di sedimentazione:

Si definisce tempo di sedimentazione il tempo che una particella impiega a compiere una distanza H che è pari a H/Vsed

Si definisce tempo idraulico il tempo che una particella impiega a compiere una distanza A dato dalla seguente relazione: HAS/Q = A/Vidr

Se la velocità idraulica di tutte le particelle è minore di quella di sedimentazione si separa il 100% delle particelle. Viceversa, si separa solo la parte di particelle che ha una velocità di sedimentazione maggiore a quella idraulica.

In regime laminare vale la legge di Stokes:

Un fluido ha varie particelle di dimensioni differenti pertanto la sedimentazione avviene dapprima per quanto riguarda le particelle più pesanti e via via coinvolge quelle più leggere.

In un sedimentatore avvengono anche fenomeni di autoflocculazione per cui la velocità di sedimentazione delle particelle aumenta, aumentando quindi la percentuale di rimozione delle stesse (non mantiene il comportamento lineare).

In laboratorio la filtrazione può venire analizzata mediante una prova pilota ovvero si può misurare la quantità di particelle sedimentate a diverse altezze di una colonna riempita di liquido. Di seguito si riporta un esempio di prova:

Man mano che le particelle scendono avviene l'autoflocculazione quindi si aggregano e scendono più velocemente. Si consideri la curva del 40%, che verrà approssimata con una retta. Si ha che il 40% delle particelle ha una velocità di sedimentazione maggiore della pendenza della retta. Prendendo tutte le curve si può fare il seguente diagramma:

Quindi imposta una velocità di sedimentazione posso calcolare la % di separazione sul totale.

Flottazione

E' una sedimentazione verso l'alto ovvero in un contenitore viene immessa dell'aria la quale cattura le particelle solide che vengono poi raccolte in superficie in un canale di raccolta.

Filtrazione su sabbia

Dopo il pretrattamento, il liquido viene filtrato su una colonna a letto filtrante (generalmente sabbia): tre sono i fattori influenzanti: una separazione per intercettamento, una separazione inerziale e una diffusiva legata alla turbolenza. Le prime due sono direttamente proporzionali alla dimensione delle particelle, l'ultima invece è inversamente proporzionale alla dimensione dei grani solidi. L'efficienza totale è data dalla somma delle tre efficienze come mostrato in figura successiva:

La curva 1 rappresenta l'efficienza legata all'inerzia e all'intercettamento, la curva 2 l'efficienza dovuta alla componente diffusiva. La curva 3 è l'efficienza totale. Al crescere della velocità di passaggio del fluido nella colonna si ha uno spostamento della curva 3 come indicato dalla curva puntinata.

Nel passaggio in un filtro si è sempre in regime laminare. La perdita di carico attraverso il filtro è funzione crescente della velocità:

Il filtro viene rigenerato con una portata pari al peso delle particelle (condizione di incipiente fluidizzazione) che asporta i solidi trattenuti dal filtro. Generalmente l'effetto filtrante può essere scritto con un'equazione del tipo:

ovvero la variazione lungo la colonna di concentrazione di solido nel fluido è pari alla variazione di porosità della colonna nel tempo (perché le particelle solide riempiono i pori del filtro).

Prova pilota: in laboratorio si determinano i profili di concentrazione e le perdite di carico delta(P)/L lungo la colonna lunga:

Questo mi serve per sapere dopo quanto tempo devo rigenerare il filtro.

Le filtrazione dipende da:

  • La dimensione delle particelle (determinano le perdite di carico, la velocità di intasamento e in generale l'efficienza di filtrazione).
  • Indice di uniformità della sabbia dato dal d60/d10 di una curva granulometrica dove d60 e d10 sono i diametri delle particelle di dimensioni superiori o inferiori al 60% o al 10 % della frequenza cumulativa della curva. Tale aspetto tiene conto anche del fenomeno per cui dopo la rigenerazione le particelle più grosse e pesanti si depositano sul fondo e quelle leggere e più piccole in superficie.
  • La sfericità delle particelle filtranti, che garantisce la massima porosità.
  • La densità che influisce sulla portata di fluidizzazione.
  • L'assenza di fenomeni di rilascio (ferro o manganese).

Esiste anche la filtrazione multistrato (particelle più grosse sopra e sempre più fini sotto) ma ha l'inconveniente che in caso di rigenerazione tale letto si inverte, quindi è di difficile gestione. Per dimensionarle si parte sempre dalla portata Q determinando la sezione della colonna filtrante. L'altezza della colonna (generalmente 1-2 metri) influisce sull'efficienza di filtrazione: colonne più alte danno una maggiore efficienza ma hanno costi di esercizio maggiori.

La rigenerazione può essere effettuata a tempo, oppure quando cresce troppo il battente idraulico sopra il filtro, o quando un torbidimetro rileva un valore di torbidità in uscita non accettabile. Talvolta si mandano getti d'acqua aggiuntivi in superficie per rimuovere il velo di torbidità formatosi. Dopo la rigenerazione la prima acqua di uscita può non essere limpida, quindi viene asportata subito.

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Prossimo concerto: 10 Maggio 2014 ore 21 presso la Chiesa dei Battuti a Caselle Torinese. Seguirà programma dettagliato.

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