Acque reflue: prospettive e metodologie del trattamento

Riceviamo e pubblichiamo con piacere questo articolo di Stefano Vinto di R+W dedicato alla progettazione degli impianti per la depurazione delle acque (le figure e le immagini citate sono nello “slideshow”.

Una risorsa per il futuro: non ci sono dubbi che le acque reflue, naturalmente dopo opportuno trattamento, potranno diventare una fonte preziosa di acqua dolce e altre materie prime la cui domanda è in constante crescita. La tesi è autorevolmente supportata dal rapporto ONU “Le acque reflue: una risorsa inesplorata”, che pone un obiettivo: dimezzare la quantità di acque reflue non trattate e aumentare il riutilizzo entro il 2030. Si tratta di un traguardo ambizioso, che in Italia è ben lontano dall’essere raggiunto: sono ancora l’80% degli utenti circa a non essere allacciati a un depuratore. Il mercato del trattamento delle acque reflue in Italia è quindi inevitabilmente destinato a espandersi, anche per colmare il ritardo rispetto alla legislazione comunitaria. Un’espansione che coinvolgerà anche l’indotto: le aziende in grado di fornire componenti adatti alle particolarità dell’impego e alle sollecitazioni che comporta vedranno espandersi il mercato per questi prodotti.

Un processo con molti vantaggi

Lo scopo principale dei vari processi di trattamento delle acque reflue è quello di massimizzare l’efficacia dei processi di depurazione naturali, definiti anche come processi di auto-depurazione di fiumi e corsi d’acqua. Un tipico impianto di trattamento delle acque reflue (Foto 1) viene progettato generalmente per conseguire i seguenti scopi:

• proteggere la salute pubblica;
• proteggere le forniture di acqua pubblica;
• proteggere la vita acquatica;
• preservare gli utilizzi specifici delle acque;
• proteggere i territori adiacenti.

Il trattamento delle acque reflue consiste in una serie di fasi successive. Le principali sono riassunte di seguito:

1. Trattamento preliminare. Rimozione dei materiali che potrebbero danneggiare le attrezzature dell’impianto o che impegnerebbero la capacità di trattamento, senza poter subire alcun processo.
2. Trattamento primario. Rimozione dei solidi sedimentabili e flocculabili (tale trattamento può non essere presente in tutti gli impianti di trattamento).
3. Trattamento secondario. Rimozione della Richiesta Biochimica di Ossigeno (BOD5, Biochemical Oxygen Demand) e della materia organica disciolta ed in sospensione, per mezzo di un’azione biologica. Le sostanze organiche vengono convertite in solidi stabili, diossido di carbonio ed in altre sostanze.
4. Trattamento avanzato delle acque reflue. Utilizzo di processi fisici, chimici e biologici finalizzati alla rimozione ulteriore del BOD5, dei solidi e dei nutrienti (non presenti in tutti gli impianti di trattamento).
5. Disinfezione. Rimozione di microorganismi per eliminare o ridurre la possibilità di contaminazioni quando il flusso viene scaricato.
6. Trattamento dei fanghi. Tale processo stabilizza i solidi rimossi dalle acque reflue durante il trattamento, disattiva gli organismi patogeni e riduce il volume del fango tramite la rimozione dell’acqua.

Le stazioni di pompaggio

La pompa è una macchina idraulica operatrice che ha il compito di sollevare, comprimere o trasferire fluidi. Le specifiche di progetto, nel caso particolare del pompaggio delle acque reflue, sono pressoché analoghe a quelle del pompaggio dell’acqua. Il numero delle pompe istallate, in una stazione di pompaggio per il trattamento delle acque reflue, dipende in gran parte dall’entità della richiesta di liquido prevista dei processi, dalla portata della pompa singola scelta e dai criteri progettuali impiegati per stabilire il regime di funzionamento delle pompe di riserva. La Figura 2 mostra un tipico schema di istallazione di una pompa, istallata in una stazione di pompaggio.

Tipologia delle pompe utilizzate nelle stazioni di pompaggio per il trattamento delle acque reflue.

Tutte le pompe di seguito considerate fanno parte della categoria delle pompe volumetriche. La portata in uscita dalla pompa volumetrica viene fornita tramite due azioni:

1. aspirazione del liquido dal condotto a bassa pressione (condotta di aspirazione);
2. intercettazione e compressione del liquido, che viene poi mandato nel condotto ad altra pressione (condotta di mandata).

Le pompe impiegate nelle stazioni di pompaggio per il trattamento delle acque reflue possono essere di diverse tipologie:

• A vite di Archimede, usate principalmente per pietrisco, fanghi primari e secondari sedimentati, acque reflue non trattate
• Centrifughe, per acque reflue non trattate, fanghi di ritorno secondari depositati, fanghi sedimentati primari e addensati
• Periferiche, per schiume, pietrisco, fango e acque reflue non trattate
• A stantuffo, per schiume, fanghi primari secondari e sedimentati, sostanze chimiche disciolte
• Ad aria compressa, per movimentazione e addensamento di fanghi secondari, pietrisco
• A espulsore pneumatico, per acque reflue non trattate in piccole istallazioni (da 100 a 600 l/min)

Nelle figure da 3 a 9 vengono mostrate le rappresentazioni schematiche delle principali tipologie di istallazione delle pompe impiegate nelle stazioni di pompaggio per il trattamento delle acque reflue.

Pompe a vite di Archimede

Le pompe a vite di Archimede vengono attualmente usate in quanto non solo non richiedono una pre-vasca sotterranea, ma sono caratterizzate da un rendimento costante nel tempo grazie alle loro capacità di autocompensazione. La Foto 10 l’istallazione di un impianto di sollevamento a vite di Archimede.

Le pompe centrifughe

Le pompe centrifughe sono quelle maggiormente usate negli impianti di trattamento delle acque reflue. Il fenomeno principale da tenere in conto in questo contesto è quello  dell’intasamento. Nel caso quindi di trattamento di acque reflue con una consistente presenza di solidi, le pompe centrifughe da impiegare dovrebbero essere del tipo ad aspirazione singola e con girante aperta anti-intasamento. La Foto 11 mostra un esemplare di girante aperta. La Foto 12 mostra un moderno sgrigliatore a tamburo rotante, generalmente istallato a monte di una stazione di pompaggio con pompe a girante aperta. La pompa centrifuga ha la particolarità di mettere in moto alti volumi di liquido, in maniera relativamente efficiente. Nella tabella seguente vengono riportate le caratteristiche generali di questa tipologia di pompe.

Componenti di una pompa centrifuga.

Una pompa centrifuga è costituita, come accennato in precedenza, da un elemento rotante (girante) racchiuso in un involucro (cassa). L’elemento rotante è connesso ad un’unità motrice (principalmente un motore elettrico) che fornisce energia per mettere in rotazione la girante. La figura 13 mostra una rappresentazione schematica di una pompa centrifuga.

Tipologie di pompe centrifughe

Le diverse tipologie di pompe centrifughe vengono individuate sulla base delle modalità con cui la girante trasferisce energia al liquido. Le pompe centrifughe possono essere suddivise in tre categorie principali:

1. girante a flusso radiale;
2. girante a flusso misto;
3. girante a flusso assiale.

1. Girante a flusso radiale.

Il flusso del liquido di una pompa centrifuga con girante a flusso radiale viene mostrato nella figura 14.

2. Girante a flusso misto.

Il flusso del liquido di una pompa centrifuga con girante a flusso misto viene mostrato nella Figura 15.

3. Girante a flusso assiale.

Il flusso del liquido di una pompa centrifuga con girante a flusso assiale viene mostrato nella Figura 16.

Le velocità tipiche della girante, per le suddette tipologie di pompe centrifughe, sono riportate nella tabella seguente:

L’accoppiamento cinematico nelle pompe centrifughe.

Le modalità di accoppiamento cinematico tra motore e pompa, accennate in precedenza, hanno il compito fondamentale di trasmettere moto ed energia da una sorgente ad un’altra sorgente, che a sua volta li cederà al fluido. Il principale requisito dell’accoppiamento cinematico sarà quindi quello di mantenere un elevato valore di rigidezza torsionale, compensando eventuali disallineamenti. I tre scenari ricorrenti nella fase di realizzazione degli accoppiamenti cinematici sono rappresentati nella Figura 17. Oltre a far fronte ad eventuali esigenze di posizionamento assiale reciproco, la  soluzione dei problemi di disallineamento risolve l’eventualità di usura precoce dei cuscinetti degli assi del motore e della girante.

Il ruolo del fornitore di componenti

Un’attività complessa come la progettazione nell’ambito delle stazioni di pompaggio per il trattamento delle acque reflue, può trovare un valido supporto nei fornitori di componenti. È il caso di R+W, azienda leader nella produzione di giunti e alberi di trasmissione, in grado di mettere la sua esperienza a disposizione del progettista. I sistemi di pompaggio, analogamente ai compressori, rappresentano un tratto distintivo della proposta dell’azienda.

Già due anni orsono le pompe incidevano in misura significativa sui valori espressi dall’industria dei trattamenti idrici nella sua totalità, generando un fatturato da 105,5 miliardi di dollari. Entro la metà del prossimo decennio sono attese a un autentico boom, dato il previsto trend di crescita del 9,1% l’anno, ampiamente superiore a quello del 3% circa attribuibile a valvole e controlli, la cui base di partenza è data dai 60 miliardi del 2016. «Il fatto che sinora R+W abbia operato soprattutto negli Stati Uniti, nell’area del water treatment», ha detto il responsabile tecnico-commerciale della filiale italiana, Marco Benvenuti, «non significa affatto che altri panorami non siano altrettanto attraenti. Penso in particolare alla Germania, ma anche al resto d’Europa e al nostro Paese. Quel che intendiamo fare ora è procedere allo studio approfondito dei player in gioco e delle loro caratteristiche».

Componenti chiave

Al centro della proposta di R+W ci sono innanzitutto i limitatori di coppia distribuiti nelle due famiglie di prodotti per l’industria ST 1 e ST2. «Hanno principalmente lo scopo di tutelare gli organi di trasmissione impiegati nella movimentazione delle acque», ha proseguito Benvenuti, «e quindi per evitare che esse acquisiscano una densità eccessiva, prima delle fasi di filtrazione e purificazione propriamente dette. Servono cioè a impedire che eventuali resistenze, dovute per esempio a un accumulo di detriti, possano bloccare gli organi di trasmissione e danneggiarli. Giocano un ruolo fondamentale nella protezione dei componenti, la cui rottura causerebbe inevitabili malfunzionamenti e blocchi agli impianti; oppure a una interruzione dei servizi e a problematiche che con il tempo si ingigantirebbero». Oltre ai giunti di sicurezza, per il settore del trattamento delle acque R+W fornisce una gamma completa di soluzioni per tutte le esigenze di trasmissione della coppia, quali: giunti a soffietto metallico della serie BX e giunti ad elastomero della serie EK. I giunti BK a soffietto metallico, precisi e senza gioco, sono molto apprezzati per il basso momento di inerzia, la totale assenza di necessità di manutenzione, la durata praticamente infinita e soprattutto la totale affidabilità. I giunti a elastomero della serie EK combinano elevata flessibilità e buona resistenza. Smorzano vibrazioni e impatti compensando i disallineamenti degli alberi. Molti elementi condizionano la progettazione dei giunti a elastomero: da fattori quali il carico, l’avviamento e la temperatura dipende la durata dell’inserto. L’elemento elastomerico è disponibile in diverse durezze shore, per trovare sempre un compromesso adatto fa le proprietà di smorzamento, la rigidità torsionale e la correzione dei disallineamenti per la maggior parte delle applicazioni. La gamma di prodotti per il settore delle acque reflue comprende anche articoli di dimensione ridotta. Le misure compatte non pregiudicano comunque robustezza e resistenza alla corrosione, affidabilità e precisione, accuratezza nella prevenzione dei sovraccarichi e tenuta perfetta: caratteristiche qualitative che accomunano tutte le soluzioni R+W.