FOGNATURA A GRAVITÀ E A PRESSIONE

Il sistema fognario a gravità è alla base della maggior parte degli schemi tradizionali di smaltimento delle acque. Il suo principio di funzionamento si basa sull’utilizzo della forza di gravità, che garantisce il movimento a flusso libero delle acque reflue nei tubi con una determinata pendenza. Ciò richiede una progettazione accurata, che tenga conto della topografia del terreno e della posizione dei punti di scarico. I componenti principali del sistema a gravità sono i tubi, i raccordi, i pozzetti di ispezione e le colonne di ventilazione. Per le reti esterne, secondo la ДБН В.2.5-75:2013, la pendenza minima per i tubi con diametro di 110 mm è di 0,02 (2 cm per metro di lunghezza), mentre per i tubi con diametro di 160 mm è di 0,008. Uno scostamento da queste norme può causare intasamenti o una velocità di flusso insufficiente.

I materiali per i tubi a gravità comprendono di norma il PVC (cloruro di polivinile) o il PP (polipropilene), caratterizzati da un’elevata resistenza agli ambienti aggressivi, una superficie interna liscia e una facilità di montaggio. Per garantire la durata e la resistenza ai carichi esterni, in particolare quando posati nel terreno, è importante scegliere tubi con un’adeguata rigidità anulare, ad esempio SN4 o SN8. La progettazione del sistema a gravità inizia con la determinazione del volume delle acque reflue e il calcolo dei parametri idraulici, come la velocità del flusso e il coefficiente di riempimento. La velocità di flusso ottimale per l’autopulizia dei tubi deve essere compresa tra 0,7 e 1,5 m/s. Una velocità troppo bassa causa depositi, una velocità troppo alta provoca usura abrasiva e rumore.

I vantaggi della fognatura a gravità consistono nella sua indipendenza energetica, nei bassi costi di esercizio e nella relativa semplicità costruttiva. Tuttavia, il suo impiego è limitato dal rilievo del terreno, poiché è necessaria una pendenza costante fino al punto di scarico. In caso di grandi distanze o di terreno irregolare, può essere necessario un notevole approfondimento dei tubi o la costruzione di stazioni di sollevamento intermedie, il che aumenta il costo e la complessità del progetto. Un elemento importante è anche la ventilazione della rete fognaria, che previene la formazione di vuoto e garantisce l’allontanamento dei gas nocivi, in conformità con i requisiti della ДСТУ EN 12056-2:2018.

La fognatura a pressione è una soluzione efficace per il trasporto delle acque reflue nelle situazioni in cui l’uso di sistemi a gravità è complicato o impossibile a causa di un rilievo sfavorevole, di un livello elevato di acque sotterranee o di una notevole distanza dalla rete fognaria centrale. Il principio fondamentale di questo sistema consiste nel pompaggio forzato delle acque reflue mediante apparecchiature di pompaggio. L’elemento chiave è la stazione di sollevamento fognario (КНС), che può essere locale (per una singola casa) o centralizzata (per più edifici).

La progettazione della fognatura a pressione richiede calcoli idraulici accurati per determinare la prevalenza necessaria delle pompe, i diametri delle tubazioni e il regime di funzionamento ottimale. Il calcolo comprende la considerazione del dislivello geodetico, delle perdite di carico per attrito lungo la tubazione, nonché delle perdite localizzate nei raccordi e nella valvolame. Per i tubi del sistema a pressione si utilizzano di norma il polietilene ad alta densità (HDPE) o tubi in ghisa con rivestimento interno anticorrosivo, in grado di resistere a pressioni elevate (fino a 1,0 MPa, ovvero 10 atmosfere) e resistenti all’usura abrasiva. Il diametro minimo delle tubazioni a pressione per le acque reflue domestiche non deve di norma essere inferiore a 50 mm, per prevenire gli intasamenti, ma per i sistemi individuali si raccomandano almeno 63 mm.

Le stazioni di sollevamento sono dotate di pompe sommergibili o a secco, che si accendono/spengono automaticamente in base ai livelli del liquido. L’affidabilità del sistema dipende in gran parte dalla qualità delle apparecchiature di pompaggio, dal sistema di automazione e dalla ridondanza delle pompe (ad esempio, due in funzione più una di riserva). Le moderne stazioni di sollevamento sono spesso dotate di sistemi di monitoraggio e telecontrollo, che consentono di reagire tempestivamente alle situazioni di emergenza. Un aspetto importante è anche garantire un’adeguata ventilazione del pozzo della stazione di sollevamento, per prevenire l’accumulo di metano e idrogeno solforato, requisito obbligatorio della ДБН В.2.5-75:2013. La manutenzione della fognatura a pressione, a differenza di quella a gravità, comprende un’ispezione regolare e la manutenzione tecnica delle apparecchiature di pompaggio.

La scelta tra il sistema fognario a gravità e quello a pressione per un edificio in Ucraina dipende da una serie di fattori, tra cui il rilievo del terreno, la distanza dai punti di scarico, le condizioni geologiche e il budget del progetto. Un confronto comparativo consente di determinare la soluzione ottimale. Secondo i criteri delle ДБН, il sistema a gravità è prioritario nel caso in cui il rilievo garantisca una pendenza sufficiente senza un notevole approfondimento delle tubazioni. Ciò riduce al minimo l’investimento iniziale in apparecchiature e i costi di esercizio per l’energia elettrica.

Tabella 1: Confronto dei parametri chiave dei sistemi fognari

Il sistema a pressione, nonostante i costi iniziali e di esercizio più elevati, offre una notevole flessibilità progettuale, consentendo di posare le tubazioni indipendentemente dal rilievo, anche in salita, il che può essere economicamente giustificato in condizioni complesse. Ad esempio, nella regione dei Carpazi, dove il rilievo è fortemente accidentato, la fognatura a pressione è spesso l’unica soluzione tecnicamente possibile. In questo caso, è importante considerare il TCO (Total Cost of Ownership), che per i sistemi a pressione sarà più elevato a causa del consumo costante di energia elettrica e della sostituzione periodica delle apparecchiature di pompaggio. Per i sistemi a gravità, i costi principali riguardano gli scavi e i materiali, nonché la pulizia periodica.

La progettazione di un sistema fognario efficace, sia esso a gravità o a pressione, richiede una profonda comprensione dei principi idraulici e un rigoroso rispetto dei requisiti normativi. Per la fognatura a gravità, è fondamentale il calcolo della pendenza ottimale e dei diametri delle tubazioni, per garantire la velocità di autopulizia necessaria ed evitare intasamenti. Secondo la ДБН В.2.5-75:2013, i diametri minimi per le acque reflue domestiche partono da 50 mm per la rete interna e 110 mm per quella esterna. Le formule di Chézy, Manning o Pavlovskij vengono utilizzate per determinare la velocità di flusso (V), il coefficiente di riempimento (h/D) e la portata (Q) per una data pendenza (i) e un dato diametro (D).

Per la fognatura a pressione, il ruolo centrale è occupato dal calcolo idraulico della stazione di sollevamento e delle tubazioni. Qui si applica l’equazione di Bernoulli, tenendo conto delle perdite di carico per attrito (secondo le formule di Darcy-Weisbach o di Chézy-Manning) e delle perdite localizzate. L’obiettivo è determinare la prevalenza necessaria della pompa e il diametro minimo della tubazione, che garantirà il pompaggio ininterrotto del volume di reflui previsto, tenendo conto dei carichi di punta. È importante anche considerare le caratteristiche di cavitazione delle pompe, per prevenirne l’usura precoce. Gli schemi della fognatura a pressione sono di norma più compatti, ma richiedono l’uso di valvole di non ritorno, per prevenire il flusso inverso quando la pompa si arresta.

In entrambi i casi è importante un corretto tracciamento della rete. Per i sistemi a gravità, è necessario ridurre al minimo il numero di curve e utilizzare raccordi graduali (due da 45° invece di uno da 90°), oltre a prevedere pozzetti di ispezione a ogni curva e a intervalli regolari (ad esempio 10-15 metri per i diametri piccoli). Per i sistemi a pressione, è importante garantire una profondità minima di posa delle tubazioni al di sotto della profondità di gelo del terreno (secondo la ДБН В.2.1-2:2014), oppure prevederne l’isolamento termico, per evitare il congelamento dei reflui durante l’arresto delle pompe. L’integrazione di moderne soluzioni intelligenti nel sistema di monitoraggio e gestione può aumentare notevolmente l’affidabilità e l’efficienza del funzionamento della fognatura.

La scelta dei materiali e la tecnologia di montaggio svolgono un ruolo critico nella durata e nell’affidabilità di qualsiasi sistema fognario. Per le reti a gravità, sia esterne sia interne, si utilizzano più spesso tubi in polipropilene (PP) e in cloruro di polivinile (PVC). I tubi in PP sono ideali per la fognatura interna grazie alla loro resistenza alle alte temperature (fino a 95°C) e alle buone proprietà acustiche. I tubi in PVC con rigidità anulare SN4 o SN8 sono lo standard per la fognatura a gravità esterna, poiché resistono ai carichi del terreno e del traffico. I loro collegamenti vengono realizzati mediante bicchieri con guarnizioni in gomma, che garantiscono la tenuta e una certa flessibilità.

Il montaggio dei sistemi a gravità richiede il rispetto preciso delle pendenze previste. Il mancato rispetto della pendenza porta all’insabbiamento oppure, al contrario, alla rottura del sifone idraulico e alla comparsa di cattivi odori. Le trincee per la posa dei tubi devono avere una base compatta, priva di sporgenze acuminate, e dopo la posa i tubi devono essere ricoperti con sabbia o ghiaia fine (strato di 10-15 cm), con successiva compattazione a strati del terreno. Ciò previene il danneggiamento dei tubi durante il cedimento del terreno. L’attraversamento dei tubi con la fondazione o altre strutture avviene mediante manicotti che superano il diametro del tubo di 15-20 mm, con successiva sigillatura con materiali elastici per compensare eventuali deformazioni.

Per i sistemi a pressione si utilizzano prevalentemente tubi in polietilene ad alta densità (HDPE). Questi tubi vengono collegati mediante saldatura elettrofusione o saldatura testa a testa, che garantisce un collegamento monolitico e altamente ermetico, in grado di resistere a una notevole pressione interna. Possono essere impiegati anche tubi in ghisa sferoidale (GS) con rivestimento interno cemento-sabbia, caratterizzati da elevata resistenza e durata. Il montaggio dei sistemi a pressione richiede particolare attenzione alla tenuta di tutti i collegamenti, poiché qualsiasi perdita sotto pressione può causare gravi incidenti. Il controllo regolare della qualità delle saldature e l’esecuzione di prove idrauliche del sistema dopo il montaggio sono obbligatori, come sottolineato dalla ДСТУ EN 805:2012 ‘Водопостачання. Вимоги до систем та компонентів поза будівлями’, che, sebbene riguardi l’approvvigionamento idrico, ha principi di tenuta validi anche per la fognatura a pressione.

L’affidabilità del sistema fognario è determinata non solo dalla qualità della progettazione e del montaggio, ma anche dall’efficacia della sua successiva manutenzione. Per la fognatura a gravità, i problemi principali possono derivare da intasamenti causati da una pendenza errata, dalla presenza di corpi estranei o dal deposito di grassi e sedimenti. Le pulizie preventive regolari, che possono includere il lavaggio idrodinamico o la pulizia meccanica, sono la chiave di un funzionamento ininterrotto. I pozzetti di ispezione previsti nel sistema semplificano l’accesso per la manutenzione e l’ispezione. La frequenza della manutenzione dipende dall’intensità d’uso e dalla composizione dei reflui, ma di norma si raccomanda di effettuare un’ispezione visiva dei pozzetti almeno una volta all’anno.

La fognatura a pressione, essendo tecnologicamente più complessa, richiede un approccio diverso alla manutenzione. L’elemento centrale è la stazione di sollevamento fognario (КНС), che necessita di un’ispezione tecnica regolare e della manutenzione delle apparecchiature di pompaggio, della valvolame e dell’automazione. Ciò comprende il controllo dello stato delle pompe, del livello dell’olio nei riduttori (se presenti), dello stato delle giranti, nonché la calibrazione dei sensori di livello e la verifica del funzionamento del sistema di controllo. Per garantire la massima affidabilità, secondo le raccomandazioni ingegneristiche, le stazioni di sollevamento devono essere dotate di pompe di riserva che si attivano automaticamente in caso di guasto di quella principale, nonché di un sistema di allarme che segnali livelli critici dell’acqua o malfunzionamenti.

Un aspetto importante dell’affidabilità è anche la qualità dell’alimentazione elettrica per i sistemi a pressione. Le interruzioni nella rete elettrica possono causare l’arresto delle pompe e il traboccamento della stazione di sollevamento. Per questo motivo, per gli edifici di importanza critica si prevedono fonti di alimentazione autonome, come i generatori diesel. Il rispetto della ДБН В.2.5-75:2013 e della ДСТУ EN 752:2015 ‘Дренажні та каналізаційні системи поза будівлями’ è obbligatorio per tutti i tipi di fognatura in Ucraina. Questi standard disciplinano non solo la progettazione, ma anche i requisiti di esercizio e manutenzione delle reti, comprese le misure per prevenire l’inquinamento ambientale. Il monitoraggio regolare dello stato del sistema, l’uso di apparecchiature moderne e personale qualificato sono fondamentali per garantire un’elevata affidabilità e durata delle reti tecnologiche.

Il moderno sviluppo tecnologico apre nuove possibilità per migliorare l’efficienza, l’affidabilità e la sicurezza ambientale dei sistemi fognari. Nelle reti a gravità vengono introdotti materiali innovativi, come i tubi compositi con maggiore resistenza chimica e durata, che consentono di ridurre il numero di pozzetti di ispezione e i costi di manutenzione. Vengono inoltre utilizzate attivamente macchine guidate per la posa senza scavo delle reti fognarie (metodo della perforazione orizzontale guidata), che riduce al minimo l’impatto sul paesaggio e sulla pavimentazione stradale, particolarmente rilevante nei contesti urbani dell’Ucraina.

Nell’ambito della fognatura a pressione, le innovazioni si concentrano sull’aumento dell’efficienza energetica delle apparecchiature di pompaggio e sull’integrazione dei sistemi di automazione. L’uso di pompe ad alto rendimento (fino all’85% e oltre) e con regolazione di frequenza consente di ottimizzare il consumo energetico in base ai volumi di reflui, riducendo notevolmente i costi di esercizio. I sistemi di monitoraggio e telecontrollo basati su sistemi SCADA consentono di seguire in tempo reale il funzionamento della stazione di sollevamento, prevedere situazioni di emergenza ed eseguire una manutenzione preventiva. Ciò comprende anche l’integrazione con applicazioni mobili per il controllo remoto e le notifiche.

Particolare attenzione viene dedicata ai sistemi di raccolta e trattamento delle acque piovane, nonché delle acque grigie per il riutilizzo, il che riduce notevolmente il carico sulle reti fognarie centrali e favorisce un uso razionale delle risorse idriche. Tali soluzioni, sebbene richiedano investimenti aggiuntivi, consentono di realizzare vere e proprie case a consumo energetico zero, riducendo notevolmente il loro impatto ambientale. In Ucraina, queste tecnologie stanno diventando sempre più popolari, in particolare nell’edilizia privata e nella realizzazione di grandi progetti infrastrutturali, dove si tiene conto dei benefici a lungo termine e della conformità agli standard internazionali di sviluppo sostenibile. L’applicazione di tali innovazioni aiuta anche a evitare i problemi che spesso si presentano nel processo di costruzione, garantendo un’elevata qualità e affidabilità degli impianti tecnologici.

Evitare gli errori tipici nella progettazione e nel montaggio dei sistemi fognari è di importanza critica per garantirne il funzionamento duraturo e ininterrotto. Uno degli errori più comuni nei sistemi a gravità è il mancato rispetto della pendenza ottimale delle tubazioni. Una pendenza troppo bassa (ad esempio inferiore a 0,008 per Ø160 mm o a 0,02 per Ø110 mm) provoca insabbiamento e intasamenti frequenti, poiché la velocità di flusso è insufficiente per l’autopulizia. Al contrario, una pendenza troppo elevata può causare una rapida separazione della frazione liquida da quella solida, la sedimentazione delle particelle solide e la rottura dei sifoni idraulici, con conseguente penetrazione di cattivi odori negli ambienti. Anche l’uso di angoli a 90° senza pozzetti di ispezione è un errore, poiché crea punti critici per gli intasamenti.

Per i sistemi a pressione, gli errori tipici comprendono una scelta errata delle apparecchiature di pompaggio, che porta a una prevalenza insufficiente, al sovraccarico del motore o a un funzionamento frequente della pompa in condizioni di bassa efficienza. Anche un calcolo errato del diametro della tubazione a pressione è un problema: un diametro troppo piccolo aumenta le perdite per attrito e il consumo di energia elettrica, mentre uno troppo grande può causare la sedimentazione delle particelle solide a causa della bassa velocità di flusso. Una ridondanza insufficiente delle pompe o l’assenza di un sistema di allarme rende il sistema vulnerabile ai guasti.

Un altro errore significativo è ignorare le condizioni geologiche del terreno, in particolare il livello elevato delle acque sotterranee o la propensione dei terreni al sollevamento da gelo. In tali casi, le tubazioni non protette possono deformarsi, causando la perdita di tenuta e incidenti. Un errore comune è anche l’insufficiente profondità di posa delle tubazioni esterne al di sotto della profondità di gelo del terreno, requisito diretto della ДБН В.2.1-2:2014 ‘Навантаження і впливи. Норми проєктування’ per garantire l’integrità dei tubi in inverno. L’assenza o l’errata installazione delle colonne di ventilazione nei sistemi a gravità e della ventilazione della stazione di sollevamento nei sistemi a pressione può causare l’accumulo di gas pericolosi e la rottura dei sifoni idraulici. È importante prestare attenzione anche alla qualità dei collegamenti dei tubi, in particolare nei sistemi a pressione, dove anche un difetto minimo può causare una perdita grave.