Informazioni generali

• Anno di corso: 3
• Semestre: 2
• CFU: 9.
  Il corso è disponibile anche come opzionale da 6 CFU per gli studenti che scelgano il curriculum Energetica Industriale: le parti indicate in corsivo nel programma sono quelle non comprese nell'esame da 6 CFU.

Docente responsabile

Giulia COSTA

Obiettivi formativi

L'obiettivo del corso è di fornire agli studenti una panoramica generale sugli argomenti trattati nel settore dell'Ingegneria Sanitaria Ambientale e conoscenze teoriche di base relative a: parametri di inquinamento delle matrici ambientali, analisi della cinetica chimica e biologica, bilanci di materia applicati a sistemi naturali e ingegneristici, e alle principali operazioni unitarie di tipo fisico, chimico e biologico impiegate per il trattamento di matrici ambientali contaminate (con particolare riferimento al comparto acque).

Programma del corso

- Introduzione al corso e cenni agli obiettivi di sviluppo sostenibile (Sustainable Development Goals).

 Bilanci di materia:
- Stechiometria e cinetica delle reazioni chimiche: Reazioni reversibili ed irreversibili; Reazioni omogenee ed eterogenee; Ordine delle reazioni (reazioni di ordine zero, ordine 1, ordine 2, reazioni di saturazione); Determinazione dell'ordine di reazione (metodo differenziale e metodo integrale); Influenza della temperatura sulla costante di velocità di reazione; Equazione di van't Hoff-Arrhenius (esercizio)
- Modelli idraulici dei sistemi naturali: Impostazione dell'equazione generale di bilancio di materia.
- Modello del reattore batch. Modello del reattore a completo mescolamento (CFSTR): Analisi del comportamento del reattore CFSTR al transitorio ed allo stato stazionario; Relazione tra efficienza di processo e tempo medio di residenza idraulica. Modello del reattore con flusso a pistone (PFR): Analisi del comportamento del PFR allo stato stazionario.

Equazioni di cinetica biologica:
- Velocità di crescita e tassi di crescita; Rendimento massimo di crescita della biomassa; Velocità di utilizzazione del substrato; Velocità di respirazione endogena; Reazioni catalizzate da enzima (Equazione di Michaelis & Menten); Relazione tra tasso di crescita e concentrazione di substrato (Equazione di Monod) (esercizio).
- Reattore Batch (BR): Bilanci di microrganismi e substrato; Dipendenza della velocità di utilizzazione del substrato dalla concentrazione del substrato.
- Reattore a mescolamento completo (CFSTR) a biomassa sospesa senza ricircolo: bilanci di microrganismi e di substrato; Tempo medio di residenza cellulare e tempo di residenza idraulico; Equazioni fondamentali; Determinazione delle costanti cinetiche; Rendimento netto di crescita; Dipendenza del substrato e dell'efficienza in funzione del tempo medio di residenza cellulare (esercizio).
- Reattore a mescolamento completo (CFSTR) a biomassa sospesa con ricircolo:Bilanci di microrganismi e di substrato; Caso dello spurgo dal reattore (Equazione di bilancio); Caso dello spurgo della linea di ricircolo dei fanghi (Equazione di bilancio); Dipendenza del substrato, della concentrazione di microrganismi e del rendimento netto di crescita osservato in funzione del tempo medio di residenza cellulare (esercizio).
- Reattore con flusso a pistone (PFR) a biomassa sospesa con ricircolo: Bilanci di microrganismi e di substrato; Confronto di efficienze con il CFSTR con ricircolo (caso di cinetica di ordine zero e ordine primo) (esercizio).

Atmosfera:
Descrizione del comparto ambientale e principali parametri di inquinamento

Suolo:
Descrizione del comparto ambientale e principali parametri di inquinamento

Acque:
Parametri di inquinamento: Biochemical oxygen demand (BOD) (Cinetica della reazione di consumo, Effetto della costante di velocità di reazione, Determinazione delle costanti cinetiche, Metodo di Thomas); COD; Composti dell'azoto (Azoto ammoniacale, Azoto organico, Nitriti e Nitrati); Solidi (Classificazione dei solidi su base dimensionale, Solidi volatili e Solidi fissi), altre tipologie di contaminanti (esercizio).

Autodepurazione dei corsi d'acqua
Trasferimento di ossigeno, Bilancio di ossigeno in un corso d'acqua (Equazione di Streeter e Phelps), Analisi di una serie di scarichi puntuali (esercizio).

Operazioni unitarie
-  Equalizzazione: Equalizzazione delle portate, Equalizzazione in linea e fuori linea, Capacità di regolazione totale, Leggi di erogazione variabili nel tempo, Equalizzazione del carico (esercizio)
- Sedimentazione Libera: Velocità di sedimentazione terminale (Legge di Newton, Legge di Stokes), Velocità di overflow e determinazione dell'efficienza di rimozione (esercizio)
Sedimentazione con flocculazione (cenni). Sedimentazione a Zona.
- Teoria del flusso solido: Relazione tra velocità di sedimentazione a zona e concentrazione, Flusso solido di gravità, flusso solido di massa e flusso solido limitante, Proprietà delle curve di flusso solido, Relazione tra velocità di underflow, overflow e concentrazione: punto di stato, Condizioni di sovraccarico, sottocarico ed equilibrio, rapporto di ricircolo critico (esercizio).
- Coagulazione e Flocculazione
- Filtrazione in volume (esercizio)
- Processi a base di trasferimento di materia:
- Assorbimento/desorbimento: teoria del doppio film; calcolo portata d’aria teorica; (esercizio).
Adsorbimento: isoterme di adsorbimento; calcolo quantità teorica di carbone attivo necessario; (esercizio).
Processi di disinfezione: clorazione, clorazione al breakpoint.

Cenni sulla bonifica di siti contaminati e sulla gestione e trattamento dei rifiuti solidi urbani.

Eventuali propedeuticità

Gli studenti dovrebbero aver già sostenuto i seguenti esami propedeutici: Analisi Matematica I; Fisica Generale I; Chimica.

Testi di riferimento

Piero Sirini: Ingegneria Sanitaria-Ambientale, McGraw-Hill Italia (2002).

Metcalf & Eddy: Ingegneria delle Acque Reflue - trattamento e riuso, McGraw-Hill Italia (2006).

Slides e dispense fornite dal docente.

Modalità d'esame

Per quanto riguarda il pre-appello per studenti frequentanti, la valutazione è effettuata mediante una prova scritta, una discussione orale e una presentazione di gruppo inerente un argomento selezionato insieme al docente del corso. Per superare l'esame ogni studente deve ottenere un voto sufficiente in ognuna delle tre tipologie d'esame. Il voto finale è basato sui voti delle tre prove, come illustrato di seguito: 50% esame scritto, 25% prova orale, 25% presentazione di gruppo.

Durante il corso vengono effettuate due prove in itinere scritte, che consistono in esercizi e domande a risposta multipla o aperta. Il voto dello scritto corrisponde alla media dei voti ottenuti nelle due prove in itinere. Gli studenti che non ottengono un voto sufficiente o rifiutano il voto di una o più prove dovranno sostenere l'esame finale previsto in uno dei 6 appelli ordinari. Tali esami consistono in una prova scritta, con esercizi e domande a risposta multipla o aperta, seguita da una discussione orale.

La prova di esame sarà valutata secondo i seguenti criteri:  
Non idoneo: importanti carenze nella conoscenza e comprensione degli argomenti; limitate capacità di analisi e sintesi, frequenti generalizzazioni e limitate capacità critiche e di giudizio, argomenti esposti  in modo non coerente e con linguaggio inappropriato
18-20: conoscenza e comprensione degli argomenti appena sufficiente con possibili  generalizzazioni e imperfezioni; capacità di analisi sintesi e autonomia di giudizio sufficienti, argomenti esposti  in modo frequentemente poco coerente e con un linguaggio poco appropriato
21-23: Conoscenza e comprensione degli argomenti poco più che sufficiente; capacità di analisi e di sintesi sufficientemente approfondite e  linguaggio appropriato
24-26: Discreta conoscenza e comprensione degli argomenti; buone capacità di analisi e sintesi esposte in modo rigoroso, linguaggio non sempre appropriato
27-29: Conoscenza e comprensione degli argomenti profonda; notevoli capacità di analisi e sintesi. Buona autonomia di giudizio. Argomenti esposti in modo rigoroso e con linguaggio appropriato
30-30L: Livello di conoscenza e comprensione degli argomenti ottimi. Ottime capacità di analisi, di sintesi e di autonomia di giudizio. Esposizione originale e con linguaggio appropriato.

Modalità di svolgimento

6 ore di lezioni frontali settimanali.

Utilizzo della lavagna classica e multimediale. Svolgimento periodico di esercitazioni alla lavagna con il coinvolgimento degli studenti.

Esposizione periodica di presentazioni durante le lezioni preparate da gruppi di studenti per stimolare la partecipazione e il dibattito su temi di interesse per futuri ingegneri energetici e/o ambientali.

Svolgimento di una visita di istruzione in un impianto di depurazione di acque reflue urbane.