Maurizio Giugni » 22.Sistemi integrali di smaltimento dei reflui: aspetti ambientali ed idraulici

Smaltimento a fondale di acque reflue

Lo smaltimento a fondale di acque reflue mediante condotte sottomarine consente da un lato, per effetto dei processi di diffusione nell’ambiente ricettore, di ottemperare agli standard di qualità richiesti dalla normativa vigente e, dall’altro, di allontanare i reflui da aree di particolare interesse ambientale. E’ necessario, ovviamente, valutare con attenzione i fenomeni fisici, chimici, biologici, igienici ed estetici conseguenti all’immissione dei reflui in mare, al fine di minimizzarne l’impatto ambientale.
Il processo di diluizione si presenta, pertanto, di non semplice schematizzazione, per i numerosi parametri che intervengono nella caratterizzazione dei fenomeni idrodinamici di risalita, mescolamento e diffusione del liquame, rilascio di massa, dispersione turbolenta e decadimento batterico.

Fenomeni di diluizione

Il miscuglio liquame-acqua marina così formato – detto piuma o nube – subisce successivamente, durante il suo spandimento in superficie (zona III e IV), un processo di diluizione susseguente (o di seconda fase), dovuto a fenomeni di diffusione molecolare e di trasporto di massa fortemente condizionati dalle correnti marine e dal moto ondoso e, contemporaneamente, un processo di dispersione batterica – che viene considerato come una terza fase di diluizione, detta per decadimento batterico – per effetto di complessi fenomeni fisici, chimici e biologici (sedimentazione, radiazione solare, temperatura e salinità del campo di liquame, pH, utilizzo di nutrienti, predazione da parte della microflora marina).
In genere l’analisi del processo di diluizione viene effettuata, pur non mancando modelli completi, mediante i cosiddetti modelli di zona, che consentono di prendere in esame separatamente le principali fasi del fenomeno:

• diluizione iniziale, S_i
  
• diluizione susseguente, S_s
• diluzione per decadimento batterico, S_b

ricavando la diluzione complessiva S_c dalla relazione:

S_c = S_i · S_s · S_b

Fenomeni di diluizione (segue)

Schema di un sistema di scarico sottomarino

Fenomeni di diluizione (segue)

Con riferimento al getto di liquame ed alla nube sovrastante, possono essere distinte quattro zone:

• la prima, denominata di flow establishment, è caratterizzata da un nucleo conico centrale in cui si riscontrano valori costanti, pari a quelli iniziali, della concentrazione del liquame e della velocità, attorno al quale si osserva una diminuzione di concentrazione e velocità verso la periferia del getto
• la seconda, detta di established flow, presenta, a causa del mescolamento turbolento, una diminuzione della concentrazione del liquame e della velocità sia dall’asse del getto verso la periferia che lungo l’asse stesso, al crescere della distanza verticale dalla luce d’efflusso. Si assume, inoltre, che le distribuzioni di concentrazione e velocità in ciascuna sezione trasversale all’asse del getto presentino un andamento di tipo gaussiano
• nella terza zona (di surface transition) la piuma di liquame assume direzione prevalentemente orizzontale, diffondendosi lateralmente; i fluidi presentano ormai quasi la stessa concentrazione, per cui la diluizione ulteriore risulta ridotta
• nella quarta zona, detta di horizontal surface flow, la nube si espande ed il mescolamento è fortemente condizionato dal moto ondoso e dalle correnti

In generale si ritiene che la diluizione iniziale abbia luogo nelle prime due zone, raggiungendo il massimo valore ai limiti della seconda, mentre nelle restanti due acquistano notevole peso i fenomeni di diluizione susseguente e di decadimento batterico.

Fenomeni di diluizione (segue)

Esperienza di laboratorio: scarico sommerso in un corpo idrico stratificato

Diluizione iniziale

Con riferimento alle ipotesi di ricettore in quiete ed a densità costante e di getti orizzontali (che indagini sperimentali hanno dimostrato fornire migliori risultati rispetto alle immissioni verticali), possono essere citati, oltre alla fondamentale analisi teorico–sperimentale di Brooks, i modelli di Abraham, Cederwall e Fischer.
Le suddette trattazioni consentono la valutazione, mediante formule ed abachi, della diluizione iniziale minima Si in corrispondenza dell’asse del getto (laddove è massima la concentrazione), in funzione dei seguenti parametri:

• y/d, in cui y è l’altezza di risalita (pari a 3/4 della profondità di immissione H) e d il diametro della luce d’efflusso;
• il numero di Froude densimetrico o ridotto F:

in cui:

• V₀: velocità iniziale del getto
• g’: accelerazione di gravità ridotta, pari a:

in cui ρ_w e ρ_o rappresentano rispettivamente la densità del ricettore e quella del refluo scaricato.

Diluizione iniziale (segue)

Diluizione iniziale per ricettore in quiete in funzione della profondità relativa e del numero di Froude densimetrico per getti orizzontali

Diluizione iniziale (segue)

Di immediata applicazione sono le formule teorico-sperimentali di Cederwall:

per Y/DF ≥ 0.50

per Y/DF < 0.50

Va sottolineato che nel complesso fenomeno della diluizione la maggiore incidenza è da attribuire, in linea generale, alla diluizione iniziale, cui andrebbero attribuiti in fase di progetto valori non inferiori ad 80÷100.

Diluizione iniziale (segue)

L’andamento del campo di flusso è rappresentato dalla seguente relazione di carattere sperimentale:

in cui:

• S_m: diluizione minima in superficie
• u: velocità della corrente
• H: profondità in corrispondenza dello scarico
• Q: portata effluente
• L: lunghezza del diffusore
• q=Q/L : portata per unità di lunghezza del diffusore
• θ: angolo tra la direzione della corrente e l’asse del diffusore
• Fr=u³/b: parametro adimensionale che caratterizza l’influenza sulla diluizione iniziale del campo di moto presente nell’ambiente ricettore
• b=g’·q: flusso di galleggiamento per unità di lunghezza del diffusore

Diluizione susseguente (segue)

c/co = erf √[3 / (4 βx / Lo)]                                     ε=ε0=cost.

c/co = erf √[1.5 / (1+ βx / Lo)² -1 ]                         ε=ε0 (L/L0)

c/co = erf √[1.5 / (1+ 2βx / (3Lo)) ^ 3-1 ]            ε=ε0 (L/L0) ^ 4/3

Nelle relazioni suddette:

• L₀: larghezza del campo di liquame in corrispondenza del diffusore
• L: larghezza del campo di liquame a distanza x dall’origine
• ε₀: il valore di ε allla sorgente
• u: la velocità della corrente dominante
• erf: la funzione di errore standard
• β: un parametro adimensionale che esprime l’angolo di apertura della piuma, espresso dalla relazione:

Diluizione per decadimento batterico

Contemporaneamente ai fenomeni di diffusione turbolenta, il campo di liquame è soggetto anche a processi di natura fisica, chimica e biologica. Il fenomeno della scomparsa batterica è senza dubbio assai complesso, essendo influenzato da un gran numero di fattori:

• fisici: radiazione solare, variazioni di temperatura, salinità
• chimici: azioni tossiche indotte dai metalli pesanti presenti nell’ambiente marino, pH, utilizzazione di nutrienti (in particolare fosforo ed azoto)
• biologici: micropredatori

La diluizione equivalente alla dispersione batterica S_b può essere valutata mediante la legge di Chick:

in funzione, quindi, dei seguenti fattori:

• T₉₀: parametro fondamentale del processo, costituito dal tempo necessario perché la concentrazione batterica si riduca al 10% del suo valore iniziale. Una sua attendibile determinazione richiede l’esecuzione di misure in situ
• t: tempo di detenzione, ossia il tempo impiegato dal miscuglio liquame-acqua marina per percorrere, in presenza di una corrente animata da una velocità u, la distanza intercorrente tra il punto di affioramento e la costa

Diffusore

Per il dimensionamento del diffusore si suole in genere prefissare un unico diametro d delle luci e, quindi, il loro numero N, nel criterio di equiripartizione della portata complessiva, curando altresì che l’area della sezione trasversale della condotta sottomarina sia maggiore della somma delle aree delle luci, onde garantire il loro funzionamento a bocca piena ed evitare richiami d’acqua marina in condotta.
La distanza tra le luci d’efflusso può essere posta, onde evitare interferenze tra i getti, pari ad 1/3 della lunghezza della traiettoria e, quindi, ritenendo quest’ultima all’incirca uguale a 3/4 del battente H, pari ad H/4.
Risulta così determinata la lunghezza del diffusore, il cui funzionamento andrà successivamente verificato mediante un adeguato modello di calcolo.