Per fognatura o cloaca (più formalmente sistema di drenaggio urbano o impianto di fognatura, volgarmente chiavica) si intende il complesso di canalizzazioni, generalmente sotterranee, per raccogliere e smaltire lontano da insediamenti civili e/o produttivi le acque superficiali (meteoriche, di lavaggio, ecc.) e quelle reflue provenienti dalle attività umane in generale.
Le canalizzazioni, in generale, funzionano a pelo libero; in tratti particolari, in funzione dell'altimetria dell'abitato da servire, il loro funzionamento può essere in pressione (condotte prementi in partenza da stazioni di pompaggio, attraversamenti, sifoni ecc.).
Storia Le prime testimonianze storiche di fognature risalgono a un periodo compreso tra il 2500 e il 2000 a.C. circa e sono state trovate a Mohenjo-daro, nell'attuale Pakistan. Dai resti si è potuta ricostruire la fisionomia della città che, sotto il livello stradale, presentava una vasta rete di canali in mattoni in grado di convogliare le acque reflue provenienti dalle abitazioni. Anche la città di Ninive, capitale del Regno assiro tra l'VIII e il VI secolo a.C. era fornita di una rete fognaria.
Le fognature antiche più efficienti furono però quelle di Roma. La prima cloaca romana di cui si abbia notizia risale al VII secolo a.C. e fu progettata per bonificare gli acquitrini che occupavano le vallate alla base dei colli dell'Urbe, e far defluire verso il Tevere i liquami del Foro Romano, di Campo Marzio e del Foro Boario.
La realizzazione più importante fu però la cloaca massima, la cui costruzione fu avviata nel VI secolo a.C. sotto il leggendario re di Roma di origine etrusca Tarquinio Prisco. Con la cloaca massima (inizialmente era un canale a cielo aperto ma successivamente fu coperto per consentire l'espansione del centro cittadino), di cui si possono vedere alcuni tratti e lo sbocco presso i resti del Ponte Rotto, i Romani ci hanno tramandato uno dei più importanti esempi di ingegneria idraulico-sanitaria.
Con la caduta dell'impero, non vennero più costruite nuove fogne e spesso quelle esistenti furono abbandonate. Solo molto più tardi, nel XVII secolo, si sentì nuovamente l'esigenza di costruire fognature a seguito della forte urbanizzazione di città come Parigi e, dal XIX secolo, Londra.
Utenze Le fonti di produzione dei reflui, in un agglomerato urbano, sono soprattutto le case e i luoghi di riunione abituali come la scuola, il posto di lavoro, la caserma, l'ospedale ecc.
Non vanno inoltre dimenticate le altre fonti di produzione pure presenti nel tessuto cittadino, quali piccoli opifici, botteghe artigiane, officine meccaniche, garage, lavanderie, caseifici, studi fotografici, laboratori chimici e di analisi, macelli ecc., che contribuiscono con scarichi di particolare natura, a volte a elevatissimo tasso inquinante.
Inoltre c'è anche il contributo dei mercati all'aperto e delle fiere periodiche, dei luna park e di quante altre attività l'uomo ha concepito nel suo lungo cammino dalle origini ai nostri giorni.
In Italia, per la normativa vigente in materia non è ammesso lo smaltimento dei rifiuti, anche se triturati, in fognatura, con l'eccezione di quelli organici che provengono dagli scarti dell'alimentazione trattati con apparecchi dissipatori di rifiuti alimentari che ne riducano la massa in particelle sottili, previo accertamento dell'esistenza di un idoneo sistema di depurazione. La normativa prevede inoltre che gli agglomerati urbani con un numero di abitanti equivalenti superiore a 2000 devono essere provvisti di reti fognarie per lo smaltimento delle acque reflue urbane.
Acque nere Per quanto sopra, tutte le acque originate dalle suddette utenze vengono definite acque nere. In una definizione più generale, le acque nere sono quelle acque riconosciute nocive per la salute pubblica o moleste per il pubblico.
Acque bianche Di contro tutte le acque non riconosciute nocive per la salute pubblica o moleste per il pubblico vengono chiamate acque bianche.
Tra queste ci sono: le acque meteoriche di dilavamento provenienti da tutte le aree aperte impermeabilizzate quali strade, parcheggi, tetti, cortili ecc.; le acque utilizzate per il lavaggio delle strade; le acque di raffreddamento provenienti da attività industriali.
Tipi Tutti i rifiuti liquidi comunque prodotti vanno collettati alla fognatura dinamica. Essa è costituita dalle opere di raccolta e immissione delle acque di rifiuto nei collettori stradali, dalla rete composta da questi ultimi, dagli eventuali manufatti di controllo idraulico, dai sollevamenti e dai manufatti di scarico.
A seconda del refluo di provenienza le fognature si distinguono in: fognature urbane; fognature industriali. I sistemi fognari urbani si distinguono ulteriormente in: sistema unitario o fognatura mista: raccolgono sia le acque di rifiuto urbane (acque di tempo asciutto) sia le acque meteoriche; sistema separato: utilizza due reti separate chiamate: fognatura nera: adibita alla raccolta e al convogliamento delle acque reflue urbane unitamente alle eventuali acque di prima pioggia;Le acque di prima pioggia sono le prime acque meteoriche di dilavamento (acque di pioggia che precipitano sull'intera superficie impermeabilizzata scolante afferente allo scarico o all'immissione) fino ad un'altezza di precipitazione massima di 5 mm, relative ad ogni evento meteorico preceduto da almeno 48 h di tempo asciutto, uniformemente distribuite sull'intera superficie scolante fogna bianca (o più correttamente fogna pluviale): adibita alla raccolta e al convogliamento delle sole acque meteoriche di dilavamento e di lavaggio delle strade, e dotata o meno di dispositivi per la raccolta e la separazione delle acque di prima pioggia. Nelle fogne bianche di nuova costruzione può essere richiesto dall'autorità competente che le acque di prima pioggia debbano essere sottoposte, prima del loro smaltimento, a un trattamento di grigliatura e dissabbiatura. In casi particolari quali acque di dilavamento di piazzali, strade, parcheggi, ecc., può essere richiesto anche un trattamento di disoleazione. Si possono trovare abitati serviti in parte con un sistema misto e in parte con un sistema separato (es. Bari).
Con l'entrata in vigore del Decreto del Presidente del Consiglio dei ministri del 4 marzo 1996 nelle zone di nuova urbanizzazione e nei rifacimenti di quelle preesistenti si deve di norma, salvo ragioni economiche e ambientali contrarie, prevedere il sistema separato. In tali zone si può prevedere il solo invio delle acque di prima pioggia nella rete nera solo se tale immissione è compatibile con il sistema di depurazione adottato.
In base alla modalità e tempistica di allontanamento dei reflui la fognatura si distingue in:
fognatura dinamica: quando i materiali di rifiuto vengono raccolti e allontanati subito e in maniera contemporanea; fognatura statica: quando i materiali di rifiuto vengono dapprima raccolti e dopo un certo tempo allontanati; ad oggi questo sistema è in uso solo nei centri abitati minori e può essere costituito da pozzi neri o da bottini mobili; in questo caso i fognoli non sono immessi in reti di canali, ma scaricati direttamente in fosse biologiche.
Gerarchia Le canalizzazioni, in funzione del ruolo che svolgono nella rete fognaria sono distinte secondo la seguente terminologia: fogne: canalizzazioni elementari che raccolgono le acque provenienti dai fognoli di allacciamento delle utenze e/o dalle caditoie pluviali, convogliandole ai collettori; in ordine di importanza e sezione possono essere di prima, seconda e terza categoria. È buona norma adottare diametri non inferiori al DN 200 mm per le fogne nere, e al DN 300 mm per le fogne bianche; collettori: canalizzazioni costituenti l'ossatura principale della rete che raccolgono le acque provenienti dalle fogne più importanti e quelle a essi direttamente addotte da fognoli e/o caditoie. I collettori a loro volta confluiscono in un emissario; emissario: canale esterno all'abitato, che, partendo dal termine della rete (dal punto in cui non ci sono più afflussi), trasporta le acque raccolte all'impianto di depurazione. Spesso con il termine emissario si indicano i canali effluenti dagli impianti.
L'aspetto idraulico Ovviamente, una rete fognaria, a seconda che sia di tipo misto o separato, richiede un diverso approccio progettuale. Infatti mentre nel primo caso occorre tenere conto sia dei reflui addotti alla rete dalle varie utenze, civili e non che siano, sia delle precipitazioni che possono verificarsi nella regione considerata, nel caso di fognature separate questi due aspetti vanno considerati separatamente.
I parametri che più interessano per un corretto dimensionamento sono il valore medio e quello massimo di tale portata. In genere la condotta fognaria va dimensionata sulla base della portata media in base alla quale vengono disegnate le sezioni nel rispetto dei parametri di velocità ammissibili durante il funzionamento "a regime", ma deve essere in grado di smaltire senza problemi anche quella massima senza tracimare dai pozzetti intercalati lungo il percorso. In questo caso si ammette che possano essere superate, per brevi periodi, le velocità consigliate, ammissibili per quel tronco fognario.
È per questo motivo che soprattutto nei centri abitati di dimensioni medio-grandi o in aree interessate da frequenti allagamenti o da eventi meteorici di dimensioni eccezionali si sceglie in via preferenziale la soluzione a reti separate. In tal modo si evita di sovradimensionare inutilmente la rete ordinaria durante il funzionamento per gli usi "civili" e si crea una rete dedicata per sopperire agli inconvenienti legati a eventi meteorici gravosi per le città.
Nei sistemi unitari i collettori sono dimensionati in base alle portate meteoriche, che risultano nettamente prevalenti rispetto a quelle reflue in occasione dei massimi eventi di progetto. Poiché la durata dei periodi piovosi è relativamente breve, per la maggior parte del tempo i collettori sono interessati dalle sole acque nere, con frequenti problemi di velocità troppo esigua, e conseguente possibilità di sedimentazione di solidi e innesco di processi anaerobici putrefattivi. Per tale motivo per i collettori misti si utilizzano sezioni diverse dalla circolare (es. sezioni policentriche oppure ovoidali) in modo tale da garantire un'adeguata velocità/battente anche alla portata di tempo secco (es. creazione di una savanella).
Fogna nera Per il calcolo della fogna nera si fa riferimento alla portata nera media e di punta.
Il calcolo delle portate dipende dai seguenti parametri: Popolazione (P): previsione della popolazione da servire durante la vita della fognatura (40 - 50 anni). Si calcola con formula, tipo quella dell'interesse composto o della curva logistica limitata o di Pearl, sulla scorta dei dati rivenienti dai censimenti. dotazione idrica (d): espressa il l*ab/giorno, rappresenta normalmente la quantità di acqua individuale che deve essere garantita mediamente durante l'anno. Tale valore è di regola indicato dal Piano Regolatore generale degli Acquedotti (PRGA) o atti similari;a volte la dotazione idrica è riferita non al valore medio annuo ma al valore medio nel giorno di massimo consumo annuo e può tenere conto o meno delle perdite fisiologiche in condotta. Questo determina valori del coefficiente di massimo consumo diversi da quelli descritti nel punto seguente