Le stazioni di pompaggio per il trattamento delle acque reflue

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.

Il trattamento delle acque reflue viene inoltre concepito in modo che i vari processi che lo compongono vengano messi in atto in un ambiente controllato e circoscritto, piuttosto che su gran parte dell’estensione di fiumi e corsi d’acqua. Gli impianti di trattamento, inoltre, vengono progettati in modo da rimuovere tutti gli altri contaminanti che non vengono generalmente eliminati con i processi naturali, in aggiunta al trattamenti dei componenti solidi che vengono generati durante le singole fasi del processo.
Un tipico impianto di trattamento delle acque reflue 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.

Nell’immagine seguente viene mostrato un moderno impianto di trattamento delle acque reflue:

Il trattamento delle acque reflue consiste in una serie di fasi successive. Ciascuna di queste fasi può essere attuata utilizzando uno o più sotto-processi o diverse tipologie impiantistiche. Le principali categorie di tali fasi, componenti il generico trattamento delle acque reflue, possono essere riassunte come 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. L’impiego delle pompe risulta fondamentale in tutti quegli scenari in cui il liquido non può essere mosso sfruttando la gravità (come portare l’acqua da un livello più basso ad uno più alto), oppure quando vi siano perdite di pressione sia localizzate (determinate da giunti, raccordi, valvole, curve, ecc.) che distribuite (per effetto della rugosità dei tubi, lungo tratti rettilinei a sezione costante).

Le specifiche di progetto, nel caso particolare del pompaggio delle acque reflue, sono pressoché analoghe a quelle del pompaggio dell’acqua, ovvero: il sistema di pompaggio deve funzionare in maniera appropriata, la fornitura del servizio deve essere operativa in breve tempo e la manutenzione può essere condotta con modalità e tempistiche ottimali.

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. Il numero delle pompe scelto (e le loro rispettive portate) dovrebbero essere tali da sostenere il flusso di picco, nel caso in cui una delle pompe viene messa fuori servizio per esigenze di manutenzione. 

Un tipico schema di istallazione di una pompa, istallata in una stazione di pompaggio, viene di seguito mostrata:

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.
Nelle pompe volumetriche, il liquido viene messo in movimento in un volume chiuso da un organo mobile, che fornisce lavoro esercitando sul liquido stesso un’azione di tipo statico. Di conseguenza, la velocità del liquido nella pompa è modesta e l’azione della pompa volumetrica si manifesta soltanto sotto forma di variazione della pressione.
Risulta quindi evidente come tali caratteristiche idrauliche siano ottimali per la gestione delle fasi di pompaggio, nel corso dei processi di trattamento delle acque reflue.

Inoltre, la suddetta caratteristica di staticità del lavoro scambiato con il liquido, che forza lo stesso a passare in una camera a volume variabile, fa sì che la portata sia pulsante. La portata in uscita dalla pompa volumetrica viene infatti 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 quindi essere raggruppate come nella tabella seguente:

Tipologia di pompa	Principali applicazioni
A vite di Archimede	Pietrisco, fanghi primari e secondari sedimentati, acque reflue non trattate
Centrifughe	Acque reflue non trattate, fanghi di ritorno secondari depositati, fanghi sedimentati primari ed addensati.
Periferiche	Schiume, pietrisco, fango ed acque reflue non trattate.
A stantuffo	Schiume, fanghi primari secondari e sedimentati, sostanze chimiche disciolte
Ad aria compressa	Movimentazione ed addensamento di fanghi secondari, pietrisco
Ad espulsore pneumatico	Acque reflue non trattate per piccole istallazioni (da 100 a 600 l/min)

Sulla base della classificazione riportata nella tabella precedente, risulta evidente come il dimensionamento degli accoppiamenti cinematici dovrà considerare come criticità di progetto lo smorzamento degli shock (derivanti da accumuli eccezionali di detriti o dalle fasi di arresto/avviamento per manutenzione), oltre che la rigidezza torsionale con compensazione dei disallineamenti tra l’albero motore e quello della girante.

Di seguito, vengono mostrate le rappresentazioni schematiche delle principali tipologie di istallazione delle pompe, impiegate nelle stazioni di pompaggio per il trattamento delle acque reflue.

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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; in pratica, esse pompano il liquido ricevuto a prescindere dalla quantità, fintantoché essa non eccede la capacità di progetto della pompa.

Inoltre non è richiesto alcun particolare tipo di azionamento. Infine, il punto di scarico di questa tipologia di pompe è generalmente ad una quota più bassa di quelle che richiedono una tubazione di aspirazione ed una di scarico convenzionale. Le pompe a vite di Archimede, comunque, sono limitate dalla loro prevalenza e non vengono usate per dislivelli superiori agli 8m, con inclinazioni generalmente comprese tra i 30° ed i 38°.
Nello schema tipico di una pompa a vite di Archimede, mostrato in precedenza, l’accoppiamento cinematico posto tra il cuscinetto di testa calettato sull’asse della vite ed il riduttore di trasmissione ha lo scopo di garantire un’elevata rigidezza torsionale, l’assenza di giochi e l’eventuale compensazione dei disallineamenti che possono verificarsi nel montaggio di un simile sistema.

Di seguito viene mostrata l’istallazione di un’impianto di sollevamento a vite di Archimede:

 

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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 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.
Di fianco viene mostrata una tipica girante aperta:

Le pompe a doppia aspirazione sono infatti soggette ad intasamento, poiché i detriti, sotto forma di brandelli, tendono ad avvolgersi attorno all’albero che si estende passando attraverso l’occhio della girante.
Limitare poi il numero delle pale della girante a due o tre (fornendo grandi sezioni di passaggio) ed utilizzare uno sgrigliatore a monte della pompa, può ulteriormente ridurre l’incidenza dell’intasamento.

Di seguito viene mostrato un moderno sgrigliatore a tamburo rotante:

La pompa centrifuga ha la particolarità di mettere in moto alti volumi di liquido, in maniera relativamente efficiente. E’ altamente affidabile, necessita di poca manutenzione e può essere realizzata con un’ampia varietà di materiali. Generalmente, le pompe centrifughe vengono realizzate per un’ampia gamma di portate.

Nella tabella seguente vengono riportate le caratteristiche generali di questa tipologia di pompe.

Caratteristica	Valore
Portata	Elevato
Aumento di pressione per stadio	Basso
Variabile che assume un valore costante nel range operativo	Incremento di pressione
Autoadescante	No
Flusso in uscita	Stazionario
Funzionamento con fluidi ad alta viscosità	no

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.

Come la girante viene messa in rotazione all’interno della voluta della cassa, un’area a bassa pressione viene generata nel centro della girante. Ciò consente alla pressione atmosferica, agente sulla superficie libera del liquido nel serbatoio di alimentazione, di alimentare la girante. Poichè la pompa non funzionerà fintantoché non viene creata la suddetta depressione nel centro della girante, è fondamentale che l’involucro della cassa sia sigillato ermeticamente. La tenuta della cassa viene così ottenuta tramite un’assemblaggio, realizzato nel punto in cui l’albero della girante entra nella cassa stessa. Tale assemblaggio verrà quindi dotato di un opportuno sistema di lubrificazione, al fine di fare fronte all’usura.

Di seguito viene mostrata una rappresentazione schematica di una pompa centrifuga.

La girante di una pompa centrifuga ha quindi la funzione di trasferire energia al liquido, quando questo entra nella voluta della cassa. Tale energia viene trasferita sotto forma di incremento di velocità.

Il liquido viene così proiettato dalla girante sulle pareti della cassa a voluta, progettata in maniera tale da consentire la diminuzione della velocità del liquido stesso. Tale riduzione di velocità avrà come conseguenza la trasformazione dell’energia cinetica posseduta dal liquido in prevalenza. Il liquido viene quindi espulso dallo scarico della pompa.

Tipologie di pompe centrifughe

Le diverse tipologie di pompe centrifughe vengono individuate sulla base delle modalità con cui la girante trasferisce energia al liquido.
Ciascuna di queste categorie presenta specifici intervalli dei valori di velocità di rotazione della girante, che a loro volta rendono la pompa adatta ad una ben determinato campo di applicazioni.
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.

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1. Girante a flusso radiale

Il flusso del liquido di una pompa centrifuga con girante a flusso radiale viene mostrato nell’immagine seguente:

 

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2. Girante a flusso misto

Il flusso del liquido di una pompa centrifuga con girante a flusso misto viene mostrato nell’immagine seguente:

 

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3. Girante a flusso assiale

Il flusso del liquido di una pompa centrifuga con girante a flusso assiale viene mostrato nell’immagine seguente:

 

 

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

Tipo di girante	Velocità di rotazione (rpm)
Flusso radiale	<5000 (aspirazione singola) <6000 (aspirazione doppia)
Flusso misto	4200 ÷ 9000
Flusso assiale	>9000

Le pompe con girante a flusso assiale vengono usate, in particolare, per prelevare le acque dalla sorgente prima di sottoporle a trattamento. Sulla base dei valori di velocità su indicate, risulta fondamentale l’impiego di opportuni accoppiamenti cinematici che sappiano preservare il motore collegato all’albero della pompa sia dalle vibrazioni che dai giochi angolari.

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 di seguito rappresentati.

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. Nel settore delle stazioni di pompaggio per il trattamento delle acque reflue, R+W fornisce una gamma completa di soluzioni per tutte le esigenze di trasmissione della coppia, quali i giunti a soffietto metallico della serie BX e i giunti ad elastomero della serie EK.