Scuola di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria dell’Energia, dei Sistemi, del Territorio e delle Costruzioni

Scuola di Ingegneria

Dipartimento di Ingegneria dell’Energia, dei Sistemi, del

Territorio e delle Costruzioni

Corso di Laurea Magistrale in

Ingegneria Idraulica, dei Trasporti e del Territorio

Tesi di Laurea Magistrale

Calibrazione e validazione di un modello di qualità di

una fognatura nera in presenza di acque parassite

Relatori: Candidato:

Prof. Ing. Renato Iannelli Alessandro Iaconelli

Ing. Paolo Roberto Di Palma

INDICE

INTRODUZIONE I

LE ACQUE REFLUE 1

1.1 Premessa 1

1.2 Generalità ed origini 2

1.3 Parametri di qualità delle acque reflue 4

1.3.1 Caratteristiche fisiche 5

1.3.1.1 Contenuto solido 5

1.3.1.2 Temperatura 7

1.3.1.3 Conducibilità elettrica 7

1.3.1.4 Altri parametri fisici 8

1.3.2 Caratteristiche chimiche 8

1.3.2.1 Ossigeno disciolto e pH 9

1.3.2.2 Sostanza organica 10

1.3.2.3 Nutrienti 11

1.3.3 Caratteristiche biologiche 12

1.4 Portate e carichi inquinanti dei reflui urbani 13

LE ACQUE PARASSITE 17

2.1 Premessa 17

2.2 Caratteristiche ed origini 18

2.3 Problematiche e criticità operative 22

2.3.1 Impatto ambientale e socioeconomico 22

2.3.2 Difficoltà di intervento 25

2.4 Valutazione preliminare delle portate parassite 26

2.4.1 Misure di portata 27

2.4.1.1 Deflusso in assenza di pioggia 28

2.4.1.2 Infiltrazione di acque sotterranee 28

2.4.1.3 Infiltrazioni e afflussi dovuti alle piogge 29

2.4.2 Misure di qualità 30

2.5 Soluzioni generali al problema 31

2.5.1 Identificazione dei punti di accesso alla rete 32

2.5.1.1 Smoke Testing 32

2.5.1.2 Dyed Water Testing 33

2.5.1.4 Ispezioni con scanner e sonar 34 2.5.1.5 Distributed Temperature Sensing – DTS 35

2.5.1.6 Ispezioni visive 35

2.5.2 Tecniche di risanamento 36

2.5.2.1 Interventi sulle condotte fognarie 36

2.5.2.2 Interventi sui pozzetti 39

2.5.2.3 Interventi sugli allacciamenti domestici 40

IL SOFTWARE EPASWMM 41

3.1 Premessa 41

3.2 Descrizione del software 41

3.3 Il modello concettuale di SWMM 43

3.4 La modellazione idrologica 45

3.4.1 Caratterizzazione dell’area di studio 46

3.4.2 Il deflusso superficiale 47

3.4.2.1 Equazioni per il calcolo 48

3.5 La modellazione idraulica 49

3.5.1 Componenti del modello idraulico di SWMM 49

3.5.2 Modelli di propagazione 52

3.5.3 Condizioni iniziali e al contorno 53

3.5.4 La propagazione dell’onda dinamica 53

3.6 La modellazione di qualità 57

3.6.1 Tipi di inquinanti e origini 57

3.6.2 Componenti del modello di qualità in SWMM 58 3.6.3 Accumulo, dilavamento, trasporto e trattamento 59

3.6.4 Modello di trasporto dei contaminanti 60

3.7 Ottimizzazione del modello 62

3.7.1 Funzionamento degli algoritmi evolutivi 62

3.7.2 SWMM5–EA Optimation Tool 64

IL CASO DI STUDIO: RACCOLTA ED ELABORAZIONE DEI DATI 65

4.1 Premessa 65

4.2 Descrizione della rete fognaria nera 65

4.3 Attività di campo 68

4.3.1.1 Misuratore di portata 73

4.3.1.2 Misuratori multiparametrici 75

4.3.1.3 Campionatore portatile 79

4.3.1.4 Misura della sostanza organica e dei nutrienti 81

4.4 Dati pluviometrici 86

4.5 Dati di portata e parametri qualitativi 93

4.5.1 Elaborazione dei dati in tempo asciutto 94

4.5.1.1 Portate registrate in tempo asciutto 94

4.5.1.2 Parametri qualitativi in tempo asciutto 96 4.5.1.3 Osservazioni sui dati rilevati in tempo asciutto 101 4.5.2 Elaborazione dei dati in tempo di pioggia 103 4.5.2.1 Portate registrate in tempo di pioggia 103 4.5.2.2 Parametri qualitativi in tempo di pioggia 110 4.5.2.3 Osservazioni sui dati rilevati in tempo di pioggia 119

MODELLAZIONE DELLA RETE FOGNARIA CON EPASWMM 123

5.1 Premessa 123

5.2 Caratteristiche della rete in SWMM 123

5.3 Il modello idraulico della rete 125

5.3.1 Il modello idraulico in tempo asciutto 125

5.3.2 Il modello idraulico in tempo di pioggia 127 5.3.2.1 Calibrazione del modello nelle precedenti fasi di studio 127 5.3.2.2 Calibrazione del modello in tempo di pioggia 128

5.3.2.3 Validazione del modello 133

5.4 Il modello di qualità delle acque 138

5.4.1 Il modello di qualità in tempo asciutto 138

5.4.2 Il modello di qualità in tempo di pioggia 140

ANALISI E DISCUSSIONE DEI RISULTATI 143

CONCLUSIONI E FUTURI SVILUPPI 149

APPENDICE 151

FIGURE, TABELLE E ABBREVIAZIONI 167

I

I

NTRODUZIONE

Nel loro complesso, le attività umane fanno uso, sia direttamente sia indirettamente, di acque che vengono distribuite dagli acquedotti alle utenze presenti in ambito urbano e che, dopo l’utilizzo, vengono scaricate in fognatura. Tali acque vengono definite acque reflue. Oltre a queste, i centri abitati sono interessati da frequenti e più o meno intensi eventi di precipitazione, i quali riversano sulle superfici cittadine ingenti volumi di acque di pioggia. La raccolta e l’allontanamento di tali acque, che vengono definite acque meteoriche, è quindi necessaria per consentire lo svolgersi delle attività umane che nei centri urbani detti vengono condotte quotidianamente. Nei Paesi sviluppati sono ormai presenti da secoli reti di drenaggio urbano cui è affidato il compito di raccogliere e convogliare tali acque verso gli impianti di depurazione e/o verso i corpi idrici ricettori. A seconda dei casi, la generica rete fognaria può essere pensata per il trasporto combinato di acque meteoriche ed acque reflue (rete unitaria), oppure progettata per il loro allontanamento con reti separate a servizio delle acque reflue (rete nera) e delle acque meteoriche (rete bianca). In quest’ultimo caso, si osservano frequentemente, nella rete nera, eccessi di portata in occasione degli eventi piovosi, dovuti alla presenza delle cosiddette acque parassite, ossia di acque estranee alla rete nera che, indebitamente, vi giungono attraverso punti di debolezza di diversa natura e spesso causati dalla vetustà e dalla scarsa manutenzione dell’infrastruttura fognaria. Tali acque parassite, nel tempo e con l’aggravarsi del fenomeno, possono comportare conseguenze gravi per il centro abitato, con rischi di natura igienica per la popolazione, a causa di allagamenti stradali dovuti all’eccesso di portata che inevitabilmente fuoriesce dai tombini stradali, e problematiche di carattere ambientale legate alla minor efficienza degli impianti di trattamento dei reflui.

Il presente lavoro di tesi si concentra sullo studio delle acque parassite in una fognatura nera esistente, configurandosi come la terza fase di un più ampio progetto di ricerca condotto dall’Ente gestore della rete in collaborazione con l’Università di Pisa. La rete indagata è al servizio di una porzione della città di Livorno ed è progettata per il trasporto delle sole acque reflue provenienti dalle varie utenze presenti nell’area di studio. La città di Livorno, infatti, conta una popolazione residente di 156.914 abitanti (censimento 2011) e una superficie di circa 105 km2 suddivisa in 10 ACE (Aree di CEnsimento), introdotte dall’ISTAT in occasione dell’ultimo censimento effettuato. L’area di studio si estende sulle ACE numero 6 – Centro Storico (parte meridionale) – e numero 8 – Cappuccini, SS. Pietro e Paolo – presentando una superficie complessiva di circa 0.6 km2 e una popolazione di 10.500 abitanti circa.

Il progetto di ricerca detto ha visto la collaborazione tra A.S.A. S.p.A., gestore unico del Servizio Idrico Integrato nell’Ambito n. 5 – Toscana Costa – della Regione Toscana, nel quale rientra la città di Livorno, ed il Dipartimento dell’Energia, dei Sistemi, del Territorio e delle Costruzioni (DESTEC) dell’Università di Pisa,

II

ponendosi come obiettivo lo sviluppo di metodi e modelli per l’ottimizzazione del sistema di drenaggio urbano in termini di efficienza, efficacia ed economicità. Questi, infatti, sono richiesti esplicitamente dal Testo Unico Ambientale (D.Lgs. n. 152/2006), il quale prevede che la gestione del Servizio Idrico Integrato, definito come l’insieme dei servizi pubblici di captazione, adduzione e distribuzione di acqua ad usi civili di fognatura e depurazione delle acque reflue, venga effettuata secondo tali principi, al fine di soddisfare la crescente domanda di risorse idriche potabili, ridurre gli impatti ambientali, migliorare le reti di collettamento fognario e ridurre gli sprechi energetici durante le operazioni di trattamento delle acque.

Il piano operativo del progetto ha avuto inizio nell’anno 2017, durante il quale è stata condotta la sua prima fase (Vichi, 2017). Questa, attraverso i dati disponibili, sia accessibili in forma pubblica (es. dati pluviometrici, anagrafici) sia forniti da A.S.A. S.p.A., ha permesso la ricostruzione plano-altimetrica della rete in esame e la definizione delle sue caratteristiche, nonché la caratterizzazione dell’area di studio. In aggiunta a ciò sono stati rilevati dati di portata e dati di pioggia relativi all’area detta, mediante i quali è stato studiato il comportamento del sistema fognario nelle diverse condizioni di funzionamento che lo hanno interessato durante i mesi di indagine. Le operazioni dette hanno portato alla realizzazione di un modello idraulico della rete nera mediante il software opensource SWMM, sviluppato da U.S. EPA, ente per la protezione ambientale statunitense, successivamente calibrato e validato per la simulazione del comportamento del sistema in occasione di eventi di pioggia.

La seconda fase del progetto (Banchini 2018) si è incentrata sul miglioramento del modello idraulico della rete nera in esame. In essa si è proceduto alla variazione di alcune caratteristiche, della rete e dell’area di studio, ritenute non pienamente soddisfacenti per la sua modellazione, le quali sono state analizzate mediante l’utilizzo di un algoritmo evolutivo. Inoltre, è stato introdotto un modello di qualità delle acque reflue ottenuto grazie all’installazione, in vari punti del sistema, di sensori di misura di parametri qualitativi. Tale modello ha permesso di studiare il fenomeno delle acque parassite sia in termini quantitativi, tramite la modellazione idraulica della rete, sia qualitativi, mediante lo studio delle variazioni dei parametri detti in occasione degli eventi piovosi considerati.

La terza fase del progetto, di cui il presente elaborato rappresenta il risultato, ha visto la raccolta e l’elaborazione dei dati di portata e dei parametri di qualità delle acque reflue tra i mesi di Giugno 2018 e Maggio 2019, mediante i quali è stata valutata la risposta del sistema fognario agli eventi di pioggia in termini di acque parassite. La raccolta dei dati ha visto l’utilizzo di un misuratore di portata e di una sonda multiparametrica, entrambi installati in corrispondenza della sezione di chiusura della rete indagata. A questi strumenti è stato affiancato un campionatore automatico portatile che ha permesso di prelevare dalla rete, ad intervalli di tempo regolari, campioni di refluo che hanno fornito ulteriori indicazioni sulle variazioni nel tempo

III

della composizione in termini di qualità delle acque collettate dal sistema fognario in esame. Tutte le operazioni dette sono state effettuate con la collaborazione di A.S.A. S.p.A. e con l’intervento di personale tecnico autorizzato.

Il lungo periodo di monitoraggio ha reso quindi disponibile una notevole quantità di dati, mediante i quali è stato possibile ricostruire i pattern giornalieri relativi a portate e caratteristiche chimico-fisiche delle acque reflue, ossia gli andamenti medi di tali grandezze durante i vari mesi di indagine, sulla base dei quali è stato studiato il sistema fognario in assenza di eventi di precipitazione. Relativamente a questi ultimi, sono stati analizzati i dati di pioggia relativi a più eventi ritenuti significativi e verificatisi sull’area di studio, durante i quali la rete ha presentato risposte, sia quantitative sia qualitative, che evidenziano la presenza di acque parassite. Tali acque, infatti, comportano, durante le precipitazioni, incrementi di portata e conseguenti riduzioni dei parametri qualitativi, come si vedrà nel seguito del presente elaborato. Analogo comportamento hanno mostrato i parametri ottenuti dai campionamenti, che sono stati quindi utilizzati come ulteriore supporto per lo studio del fenomeno indagato.

Mediante i numerosi dati di pioggia registrati durante l’indagine si è proceduto alla calibrazione del modello idraulico già realizzato e definito nelle precedenti fasi del progetto di ricerca, al quale però sono state apportate modifiche ritenute necessarie per migliorare la calibrazione ed ottenere dalle simulazioni risultati più vicini ai valori effettivamente riscontrati durante il monitoraggio. Tali modifiche hanno visto l’utilizzo del tool SWMM5–EA, il quale sfrutta algoritmi evolutivi per la ricerca di una soluzione ottimale, che nel caso in esame ha riguardato le aree sospettate di essere le principali cause di ingresso di acque parassite nel sistema fognario.

Il modello idraulico così calibrato è stato validato per gli eventi pluviometrici considerati durante lo studio, fornendo risultati soddisfacenti e permettendo quindi di ottenere informazioni più attendibili sul funzionamento del sistema fognario in termini di portata. Relativamente a questi, si è proceduto alla raccolta ed alla elaborazione dei dati relativi ai parametri di qualità già esaminati nella precedente fase di studio e riferiti al nuovo periodo di monitoraggio detto, ai quali sono state aggiunte ulteriori caratteristiche delle acque reflue collettate. Attraverso operazioni di campionamento effettuate sul campo, in corrispondenza della sezione di chiusura della rete indagata, è stato infatti possibile raccogliere campioni di acqua reflua che, con successive analisi, hanno permesso di risalire a concentrazioni di azoto, fosforo e sostanza organica, utilizzate per lo studio del comportamento qualitativo della rete.

I nuovi dati di portata e di pioggia registrati durante la terza fase del progetto di ricerca hanno quindi permesso di ottimizzare il modello idraulico della rete, rendendolo ben rispondente in termini di formazione di acque parassite. Le informazioni qualitative relative al refluo ricavate dai campionamenti hanno inoltre permesso di ottenere un nuovo modello di qualità delle acque capace di simulare in maniera soddisfacente i fenomeni di diluizione delle portate nere dovuti alla presenza di acque parassite.

1

C

1

L

E ACQUE REFLUE

1.1 Premessa

In ambito urbano, qualsiasi attività svolta dalla popolazione residente, che sia essa sociale, produttiva o ricreativa, fa uso di acqua, la quale è captata da fonti di approvvigionamento, convogliata attraverso la rete di adduzione fino al centro abitato, distribuita alle utenze e scaricata in fognatura dopo esser stata utilizzata e trasformata (Milano, 2012). I residui liquidi che inevitabilmente vengono prodotti dalle attività umane vengono definiti acque reflue (Metcalf & Eddy, 2006), le quali devono essere raccolte e allontanate dal centro urbano. Queste contengono concentrazioni non trascurabili di elementi inquinanti, dovuti ai processi di trasformazione cui sono state sottoposte, e devono essere restituite all’ambiente dopo esser state opportunamente trattate al fine di ridurre tali concentrazioni entro limiti adeguati e compatibili con la capacità di depurazione dei corpi idrici che le ricevono. Come è noto, infatti, la raccolta e lo smaltimento delle acque reflue, di varia natura ed origine, sono direttamente legati alla qualità complessiva della vita nei territori urbanizzati e l’impatto di tali acque sull’ambiente e sulle risorse idriche in generale richiede un adeguato controllo, che spesso risulta complesso e influenzato da vari fattori, non solo tecnici e ingegneristici, ma soprattutto politici, sociali, urbanistici ed economici (Sigmund, 2008).

In genere, l’aspetto più complesso nella gestione delle acque reflue è rappresentato dal corretto e puntuale rispetto della normativa vigente (Pocecco et al., 2006), soprattutto a causa dei limiti sempre più restrittivi posti per il controllo dell’inquinamento a favore della salvaguardia ambientale.

Nel corso dei decenni, infatti, la rapida variazione delle abitudini della popolazione e delle attività presenti sul territorio, specie nei Paesi più sviluppati, nonché la forte crescita urbana dovuta al processo di industrializzazione, ha comportato notevoli variazioni nelle caratteristiche delle acque di scarico, rendendo necessaria l’introduzione di normative che regolassero lo sversamento di tali acque in corpi idrici non più capaci di far fronte alla depurazione di scarichi inquinati sempre più concentrati. Per poter rispettare tali limiti di legge, gli scarichi urbani richiedono adeguati processi di trattamento, effettuati in appositi impianti secondo le tecniche più opportune alla rimozione dei costituenti inquinanti, sulle quali tuttavia non ci si soffermerà nel presente lavoro di tesi, limitandosi a fornire una panoramica generale delle caratteristiche delle acque reflue urbane.

2

1.2 Generalità ed origini

Le acque di rifiuto sono prodotte come residuo liquido dalle attività umane (Metcalf & Eddy, 2006) e devono essere allontanate dal centro urbano mediante un’apposita rete di trasporto che le convogli fino ai punti di recapito, dopo aver subito i necessari trattamenti per ridurne l’impatto negativo sull’ambiente. Tali acque possono derivare da diverse fonti, in base alle quali dipende la loro quantità e, soprattutto, la loro qualità. È possibile individuare le seguenti principali categorie:

− Acque reflue, anche dette acque nere o usate, comprendono sia gli scarichi domestici, provenienti da abitazioni, attività commerciali o artigianali, edifici pubblici e similari, sia quelli industriali, nettamente diversi da quelli domestici e nei quali è prevalente la presenza di inquinanti dovuti ai processi produttivi.

− Acque pluviali, anche dette bianche, cadono sulla superficie urbana, infiltrandosi in parte nel terreno e ruscellando sulle aree pavimentate e impermeabili fino ad essere intercettate dalle caditoie stradali o convogliate in fognatura dai pluviali degli edifici.

− Acque parassite, sono quelle che raggiungono il sistema fognario a causa dell’azione di drenaggio esercitata dalla rete fognaria e per la presenza di difetti di tenuta e/o rotture nei punti di giunzione attraverso i quali avviene l’infiltrazione e, spesso, la dispersione dei reflui verso l’esterno.

Le acque reflue domestiche sono quelle che provengono dalle abitazioni e dalle attività commerciali presenti nell’area servita, e possono comprendere anche quelle provenienti da edifici e servizi pubblici, come scuole e uffici. I quantitativi di reflui prodotti nelle zone urbanizzate, quindi già dotate di un sistema fognario, vengono stimati tenendo conto della popolazione residente nella zona servita, della dotazione idrica pro capite e del coefficiente di afflusso in fognatura, definito come la percentuale d’acqua fornita dall’acquedotto che viene scaricata in fognatura. Alternativamente è possibile misurare direttamente le portate defluenti dalla sezione di chiusura del bacino servito o risalire a quelle in ingresso agli impianti di depurazione cittadini (Metcalf & Eddy, 2006). Dove invece è prevista l’espansione del centro urbano e la rete fognaria è da progettare si terrà conto del numero di abitanti serviti previsto dopo 40-50 anni di vita della fognatura, stimato secondo leggi di crescita adeguate al centro abitato in esame (Milano, 2011).

In quest’ultimo caso la portata di dimensionamento della rete va valutata relativamente all’ora di massimo consumo annuo, in modo da consentire il buon funzionamento del sistema anche in condizione critiche, ossia per il generico collettore di fognatura nera potrà ricavarsi la portata di punta, in l/s, con:

3 Dove:

· α = coefficiente di punta

· ψ = coefficiente di afflusso alla rete nera1 · N = numero degli abitanti serviti dal collettore · q = dotazione idrica pro capite (l/ab∙d)

Il coefficiente di punta oraria dipende da più fattori e in genere decresce all’aumentare della popolazione servita. Il coefficiente di afflusso, invece, tiene conto delle perdite per evaporazione ed infiltrazione dell’acqua di approvvigionamento e di quelle dovute al suo utilizzo domestico, che quindi non giungono in fognatura (Milano, 2011). Le acque reflue industriali sono, invece, acque di processo prodotte in attività produttive e variano in funzione del tipo e delle dimensioni delle industrie, nonché in base al grado di riutilizzo effettuato dalle stesse attività e dai processi interni di trattamento cui sono sottoposte per tale riuso (Metcalf & Eddy, 2006).

Le acque parassite sono quelle che giungono al sistema fognario, in maniera diretta o indiretta, a causa di difetti e rotture. Per la loro caratterizzazione si rimanda al Capitolo 2 del presente elaborato, in cui sono dettagliatamente riportati i processi di individuazione, monitoraggio e risoluzione.

Le acque pluviali, infine, sono quelle prodotte durante gli eventi pluviometrici che, previo ruscellamento sulla superficie, giungono alla rete fognaria. Raggiungono portate molto maggiori rispetto a quelle nere e durante gli eventi meteorici possono verificarsi condizioni di sovraccarico del sistema che richiedono dispositivi di sfioro dei volumi d’acqua in eccesso, mediante cui scaricare una parte della portata direttamente nel corpo idrico. In tal modo vengono scaricate anche le acque reflue presenti, le quali dovranno risultare sufficientemente diluite secondo un coefficiente di diluizione stabilito dalla norma vigente (Milano, 2011).

Le sostanziali differenze tra i vari tipi di acque di rifiuto viste risiedono nelle sostanze inquinanti in esse contenute e nelle relative concentrazioni, nonché rappresentate dalle caratteristiche fisiche. Le acque reflue domestiche, infatti presentano alte concentrazioni di sostanza organica e composti di sintesi legati alle deiezioni umane, ma caratteristiche fisiche abbastanza costanti, mentre quelle industriali sono caratterizzate in modo molto variabile in base al tipo di lavorazione da cui sono prodotte. Le acque pluviali, infine, sono acque meteoriche prevalentemente inquinate da composti chimici e metalli pesanti, dovuti al loro passaggio attraverso l’atmosfera e al dilavamento delle superfici attraversate prima dell’ingresso in fognatura, che presentano caratteristiche fisiche ben differenti rispetto alle precedenti (Metcalf & Eddy, 2006; Masotti, 2011).

1 _{È dato dal rapporto tra il volume d’acqua scaricato in fognatura ed il corrispondente volume}

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Il trasporto delle acque verso gli impianti di trattamento e verso i punti di recapito avviene mediante una rete di collettori a sezione chiusa di varia forma, in genere circolare, con funzionamento a pelo libero, tranne in casi particolari in cui si ammette il funzionamento in pressione per brevi periodi. La rete fognaria può prevedere canalizzazioni uniche per il trasporto di acque bianche e nere, nel qual caso si parla di fognatura unitaria o mista, mentre si dice separato il sistema fognario che utilizza collettori distinti per convogliare separatamente i due tipi di refluo2 (Milano, 2011). In entrambi i casi, le caratteristiche quali-quantitative delle acque trasportate presentano notevoli variazioni, sia giornaliere sia stagionali, strettamente legate alle abitudini della popolazione residente e alla tipologia di centro urbano servito dalla rete.

Nel seguito del presente lavoro verranno discussi i principali aspetti riguardanti le acque reflue, indicando con tale termine prevalentemente i reflui di origine domestica.

1.3 Parametri di qualità delle acque reflue

Ai fini della caratterizzazione di un refluo risulta indispensabile acquisire informazioni e dati relativi alla sua composizione, analizzandone i parametri fisici, chimici e biologici (Metcalf & Eddy, 2006). Fino alla metà del secolo scorso le acque reflue provenienti dai centri urbani erano pressochè completamente di origine civile. Con lo sviluppo industriale la composizione dei reflui ha visto un progressivo cambiamento, dovuto all’apporto dei composti di sintesi generati dalle attività produttive, e la mutazione delle caratteristiche qualitative degli scarichi è proseguito e prosegue tutt’oggi per effetto dell’innovazione tecnologica in atto, la quale ogni anno introduce nuovi composti che vengono utilizzati e trasformati dalla popolazione e, pertanto, inevitabilmente giungono in fognatura attraverso gli scarichi (Metcalf & Eddy, 2006). Al giorno d’oggi, almeno nei Paesi più industrializzati come l’Italia, non si può più parlare di acque reflue domestiche vere e proprie, ossia provenienti da zone residenziali e dovute prevalentemente ad attività domestiche e deiezioni umane. Questo è dovuto a molteplici fattori, tra cui spiccano particolarmente sia l’utilizzo ormai comune, in ambito domestico, di prodotti chimici di varia natura, come detersivi, oli e medicinali, sia perché in ogni centro abitato sono ormai presenti utenze di carattere industriale, come ad esempio macellerie e lavanderie, che contribuiscono a dotare gli scarichi civili di caratteristiche tipiche dei liquami misti civili-industriali. Sarebbe più corretto, pertanto, parlare di acque urbane, le quali derivano dal miscuglio di acque reflue domestiche e industriali, alle quali si aggiungono le acque meteoriche di dilavamento convogliate in fognatura, anch’esse fortemente inquinate e con caratteristiche nettamente diverse rispetto alle prime due tipologie (Masotti, 2011).

2 _{Esiste un terzo sistema, detto separatore misto, che consiste in un sistema separato dove le prime}

5

Tenendo presente l’oggetto della presente tesi e considerando che lo studio ha interessato un sistema fognario urbano di tipo separato, in questa trattazione si considereranno i soli liquami di origine civile, intesi come acque di rifiuto in cui la componente industriale risulti modesta ed esclusivamente dovuta ai prodotti chimici adoperati in campo domestico, nonché agli scarichi di piccole attività urbane di stampo industriale o artigianale, le quali non alterino in maniera sostanziale le caratteristiche qualitative dei liquami stessi.

Per quanto detto, i liquami urbani, in condizioni di freschezza, sono costituiti da un liquido torbido, in genere di colore marrone-grigio, con un odore caratteristico, anche se non particolarmente sgradevole o pungente. Quando, a causa della permanenza in fognatura per un lungo periodo o per altri motivi di accumulo nel sistema, l’ossigeno presente nel refluo viene esaurito, si va incontro a condizioni settiche dovute all’attività biologica dei batteri presenti, e si innescano fenomeni putrefattivi, che tendono ad inscurire il liquame e a produrre vari composti ridotti, ai quali è dovuto il caratteristico odore estremamente sgradevole (Masotti, 2011; Bonomo, 2008). Nel seguito ci si soffermerà sui parametri qualitativi che più interessano il lavoro di ricerca ed analisi che è stato condotto durante la compilazione del presente lavoro, rimandando alla letteratura tecnica per ulteriori approfondimenti relativi alla caratterizzazione delle portate che interessano i sistemi fognari in genere.

1.3.1 Caratteristiche fisiche

Tra i parametri qualitativi che descrivono le caratteristiche fisiche delle acque reflue, il più importante è rappresentato dal contenuto solido, inteso come l’insieme di sostanze flottabili, sedimentabili, colloidali ed in sospensione globalmente presenti all’interno del liquame (Metcalf & Eddy, 2006).

Altri parametri fisici di rilievo, per gli scopi della presente tesi, comprendono la temperatura e la conducibilità elettrica, che verranno descritte in dettaglio nel seguito. Gli ulteriori indicatori di qualità normalmente assunti per la caratterizzazione fisica del refluo verranno brevemente presentati, ma senza fornire una approfondita descrizione, per la quale si rimanda alla letteratura tecnica relativa.

1.3.1.1 Contenuto solido

All’interno delle acque reflue si riscontra la presenza di solidi di dimensioni molto eterogenee, dalle più piccole particelle colloidali fino al materiale grossolano (foglie, rami, ciottoli, ecc), che in genere viene allontanato prima della caratterizzazione del refluo (Metcalf & Eddy, 2006). Da questa, dal punto di vista dei solidi, è possibile rilevare tutte le sostanze presenti in un campione di refluo a seguito della sua evaporazione (Sigmund, 2008).

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I solidi globalmente presenti nel refluo sono detti solidi totali e sono misurati dal residuo totale ottenuto facendo essiccare il campione alla temperatura di 105 °C circa. Questi sono a loro volta distinguibili in:

− Solidi disciolti, filtrabili, con dimensioni inferiori a 0,45 μm

− Solidi sospesi, non filtrabili, con dimensioni non inferiori a 0,45 μm

La definizione data di solidi disciolti rappresenta una distinzione convenzionale, dato che in tali porosità rientrano, oltre ai solidi realmente disciolti nel refluo, anche molti colloidi, i quali sono definiti come particelle, estremamente minute, aventi dimensioni comprese tra 0,01 μm e 1 μm (Metcalf & Eddy, 2006; Bonomo, 2008).

Un’ulteriore suddivisione viene fatta per i solidi sospesi, che possono dividersi in:

− Solidi non sedimentabili, quali particelle in sospensione stabile, come i colloidi, o che richiedono tempi lunghi per la sedimentazione in condizioni statiche

− Solidi sedimentabili, che possono essere rimossi mediante sedimentazione statica in cono Imhoff3 protratta per due ore

Infine, in funzione della volatilità, è possibile definire:

− Solidi non volatili, anche detti residuo fisso, che si ottengono dopo aver incenerito in un forno a muffola il campione di refluo a 600 °C

− Solidi volatili, sono dati dalla differenza tra residuo totale e residuo fisso Questa suddivisione viene assunta, in genere, equivalente a quella tra solidi organici e inorganici, dal momento che la componente organica del refluo viene ossidata e gassificata a temperature inferiori a 550 °C, mentre la frazione inorganica rappresenta il residuo che rimane sotto forma di ceneri (Bonomo, 2008).

Figura 1.1 Modalità di determinazione dei solidi – Rappresentazione schematica (Bonomo, 2008)

7 1.3.1.2 Temperatura

La temperatura risulta essere un parametro fondamentale per la caratterizzazione del refluo e di un’acqua in generale, dal momento che influenza fortemente le reazioni chimiche che si innescano negli ambienti acquatici, nonché la loro cinetica, e condiziona la possibilità di riutilizzo delle acque reflue. Come è noto dalla letteratura, lo sversamento in corpi idrici di scarichi che provocano forti escursioni termiche può portare alla selezione delle specie ittiche presenti, con la scomparsa di quelle non capaci di tollerare tali innalzamenti o abbassamenti di temperatura, con la conseguente degradazione qualitativa del corpo idrico stesso (Metcalf & Eddy, 2006).

In genere, per quanto concerne le acque reflue, i valori di temperatura che si registrano sono superiori, anche se di poco, a quelli riscontrati nelle acque chiare fornite dagli acquedotti alle utenze, a causa dell’utilizzo di acqua calda, sia in ambito domestico sia industriale, che inevitabilmente giunge in fognatura. La permanenza nel sistema fognario non modifica, in generale, i valori di temperatura con cui i reflui vi entrano, sia per l’effetto isolante fornito dal terreno sovrastante sia a causa dei limitati ricambi d’aria che avvengono con l’esterno. Rispetto alle temperature registrate in superficie, dato che il calore specifico dell’aria risulta inferiore rispetto a quello dell’acqua, per la maggior parte dell’anno i reflui si trovano a temperature superiori rispetto a quelle dell’aria esterna, ad eccezione del periodo estivo, durante il quale la temperatura ambiente diventa molto elevata (Metcalf & Eddy, 2006; Bonomo, 2008).

Per quanto detto, la temperatura del refluo è legata essenzialmente alle abitudini della popolazione, alle attività presenti nel centro urbano servito e alla posizione geografica dello stesso. In funzione di quest’ultimo fattore, per le normali condizioni di servizio, allo sbocco degli emissari di fognatura possono prevedersi temperature attorno ai 20 °C e 14 °C, in condizioni estive e invernali rispettivamente, con una temperatura media annuale attorno ai 16 °C (Metcalf & Eddy, 2006; Bonomo, 2008).

1.3.1.3 Conducibilità elettrica

La conducibilità elettrica, anche definita come conduttanza e indicata con EC dall’acronimo inglese di Electrical Conductivity, rappresenta la capacità di una soluzione liquida di consentire il passaggio di corrente elettrica. Essa risulta legata alla concentrazione di ioni presenti nella soluzione, i quali permettono il passaggio di corrente fungendo da vettori di elettricità (Metcalf & Eddy, 2006).

Alla conducibilità elettrica è legata la salinità dell’acqua, definita come la massa totale di sali disciolti in essa e che ne influenza la qualità, specialmente in relazione alla possibilità di riutilizzo agricolo o industriale. Il legame tra le due grandezze, in genere, viene direttamente fornito dagli strumenti di misura, nei quali può essere espresso mediante relazioni empiriche, in cui i solidi disciolti totali sono indicati con la sigla TDS, dall’inglese Total Dissolved Solids, ed espressi in mg/l.

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La conducibilità elettrica, invece, viene espressa in mS/m, nel Sistema Internazionale, o in μmho/cm, in quello anglosassone (Metcalf & Eddy, 2006; Masotti, 2011):

= ∙ (1.2)

Dove il termine FC rappresenta un fattore di calibrazione da stabilire in funzione della forza ionica della soluzione e solitamente assunto pari a 0,50-0,55 per acque fortemente ioniche, e fino a 0,70 per acque debolmente ioniche.

1.3.1.4 Altri parametri fisici

Tra gli altri parametri di rilievo per la caratterizzazione fisica del refluo urbano è possibile includere i seguenti (Metcalf & Eddy, 2006):

− Torbidità, rappresenta una misura indiretta della presenza di solidi in sospensione all’interno del refluo, la quale è tanto maggiore quanto più pronunciati sono gli effetti di assorbimento e diffusione dei raggi luminosi, di intensità nota, che vengono diffusi attraverso il campione per la misurazione.

− Colore, consente di valutare l’età del refluo, dal momento che esso tende a inscurirsi, tendendo dal grigio-marrone verso il nero, all’aumentare della sua permanenza nel sistema fognario, durante la quale si instaurano fenomeni putrefattivi dovuti a trasformazioni di tipo anaerobico. In genere la colorazione nera è associata al liquame in condizioni di setticità, nel quale si è esaurito l’ossigeno a disposizione della flora batterica presente. In altri casi, colorazioni diverse possono essere dovute a particolari scarichi da attività artigianali.

− Odore, per il liquame fresco risulta non particolarmente pungente, diventando estremamente sgradevole quando, come visto per il colore, si instaurano fenomeni putrefattivi, nei quali vengono prodotti composti odorigeni come il ben noto idrogeno solforato, associato all’odore di “uova marce”. L’odore rappresenta il parametro probabilmente più problematico per l’impatto ambientale dei reflui urbani, specialmente negli impianti di trattamento (linea fanghi, zone di accumulo non aerate, ecc) e nelle zone limitrofe ad essi, dal momento che, anche a basse concentrazioni, provoca disturbi e disagio alla popolazione esposta (Bonomo, 2008).

1.3.2 Caratteristiche chimiche

La classificazione dei costituenti chimici di un refluo si basa, in genere, sulla suddivisione tra caratteristiche organiche e inorganiche, dovute alle proprietà delle acque di approvvigionamento, alle trasformazioni che esse subiscono nei vari utilizzi umani e a quelle che invece intervengono durante la sua permanenza nel sistema fognario (Metcalf & Eddy, 2006).

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Nel seguito vengono brevemente descritti i parametri più rilevanti per la caratterizzazione del refluo dal punto di vista chimico, con particolare attenzione per quelli che sono intervenuti durante il lavoro di elaborazione del presente lavoro di tesi.

1.3.2.1 Ossigeno disciolto e pH

La presenza in acqua di ossigeno disciolto, in genere indicato con l’acronimo DO dall’espressione anglosassone Dissolved Oxigen, permette l’attività metabolica delle specie aerobiche. Tuttavia, come accade per gli altri gas, anche l’ossigeno risulta solo parzialmente solubile in acqua ed il suo consumo dipende fortemente dalla temperatura, dal momento che un aumento di quest’ultima produce un’accelerazione delle reazioni biochimiche dovute alla flora batterica presente.

Può quindi accadere che a causa dello scarico di reflui in condizioni di imminente setticità si verifichino nel corpo idrico ricettore delle carenze di ossigeno, specie nei mesi estivi, durante i quali la maggior temperatura e le correnti più lente dei corsi d’acqua rispetto ai mesi invernali ne determinino un eccessivo consumo, con possibili gravi conseguenze sulle specie ittiche presenti (Metcalf & Eddy, 2006).

Il pH4 rappresenta un importante parametro qualitativo per tutte le acque, siano esse naturali o reflue. Esso esprime la concentrazione di ioni idrogeno in una soluzione ed è espresso con (Masotti, 2011):

= − log [ ] (1.3)

Il prodotto ionico Kw dell’acqua, ossia quello tra concentrazioni di ioni idrogeno e ioni ossidrile (OH), alla temperatura di 25 °C assume un valore costante e pari a 10-14, per cui indicando come pOH la relazione che esprime la concentrazione di ioni OH, si ha:

= − log [ ] (1.4)

Da cui si ottiene che:

+ = 14 (1.5)

Da questo deriva il campo di variazione della grandezza pH che, come noto, assumendo valori tra 0 e 7 indica soluzioni acide, mentre tra 7 e 14 indica soluzioni basiche. Il valore neutro si assume pari a 7 ed è quello attorno cui si compiono le attività biologiche in genere, pertanto è necessario che lo scarico nei corpi idrici ricettori dei reflui urbani avvenga dopo il loro trattamento, nel quale sia stato opportunamente corretto il valore del pH entro i limiti accettabili per la vita acquatica degli stessi, generalmente compresi tra le 5,5 e le 9,5 unità (Metcalf & Eddy, 2006).

10 1.3.2.2 Sostanza organica

La composizione tipica delle molecole organiche prevede la presenza di atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno, con alcuni composti che presentano anche azoto. La sostanza organica è costituita da proteine, carboidrati e grassi, in proporzioni variabili a seconda dei casi, e nelle acque reflue in condizioni di freschezza, quindi presenti in fognatura da breve periodo, si riscontra la presenza di urea, principale componente delle urine scaricate dalle utenze del centro abitato. Oltre a questi composti, nei reflui urbani si rilevano molti altri composti sintetici, come tensioattivi e detergenti, dovuti alle varie attività che hanno luogo nell’agglomerato urbano e variegati nelle caratteristiche (Metcalf & Eddy, 2006).

La misura della concentrazione di sostanza organica all’interno delle acque reflue viene fatta utilizzando dei cosiddetti parametri aggregati, che rilevano tale concentrazione indirettamente, valutando la quantità di ossigeno disciolto consumata dai microrganismi presenti per l’ossidazione di tale sostanza (Metcalf & Eddy, 2006). I più importanti tra tali parametri sono i seguenti (Bonomo, 2008):

− Theoretical Oxygen Demand, indicata con ThOD, rappresenta la domanda teorica di ossigeno, ossia la quantità di ossigeno richiesta dalla flora batterica, stechiometricamente, per la completa ossidazione dei composti organici.

− Biochemical Oxygen Demand, indicata con BOD, rappresenta la domanda biochimica di ossigeno, ossia la quantità di ossigeno disciolto consumato dai batteri aerobi per la degradazione delle sostanze organiche biodegradabili.

− Chemical Oxygen Demand, indicata con COD, rappresenta la domanda chimica di ossigeno, ossia la quantità di ossigeno richiesta per ossidare chimicamente le sostanze organiche presenti nel refluo.

La determinazione del ThOD risulta in genere complessa, dal momento che necessita di un’analisi chimica completa del campione, in assenza della quale si ricorre ad altri metodi di valutazione più agevoli come quelli del BOD e del COD.

La domanda biochimica di ossigeno di un campione d’acqua rappresenta il parametro più utilizzato per valutare l’inquinamento organico nelle acque, di rifiuto o superficiali, e viene misurata ammettendo che le trasformazioni del substrato organico avvengano secondo una cinetica proporzionale alla sua concentrazione, secondo una costante funzione della temperatura. Tuttavia, pur fornendo ottime indicazioni riguardo alla presenza di sostanza organica nel refluo, richiede lunghi tempi di determinazione e attrezzatture dedicate, che spesso fanno preferire l’utilizzo di altri parametri.

La domanda chimica di ossigeno viene determinata tramite un test che valuta la quantità di ossigeno richiesto per ossidare chimicamente la sostanza organica presente nel refluo. Il procedimento si basa sulla reazione, condotta in ambiente acido, tra liquame e bicromato di potassio, che rappresenta un agente ossidante molto energico.

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Operativamente, il principale vantaggio della prova del COD consiste nei brevi tempi richiesti per l’esecuzione, che sono di appena 2-3 ore, quindi inferiori rispetto ai cinque giorni previsti per la misurazione del BOD. Tuttavia, tale prova non è in grado di misurare tutte le sostanze organiche, dato che alcuni composti presenti nelle acque reflue non vengono ossidati per via chimica (come benzene o toluene) o sono ossidati solo in parte (come alcol o amminoacidi).

Per quanto detto, l’utilità della misura del COD per la caratterizzazione del refluo risiede nella possibilità di correlarlo con il BOD, per cui in presenza di un liquame con caratteristiche omogenee è possibile risalire al BOD limitando le misurazioni al solo COD (Masotti, 2011).

1.3.2.3 Nutrienti

Con questo termine ci si riferisce ad azoto e fosforo, i quali svolgono un ruolo fondamentale nel metabolismo di batteri ed alghe presenti in ambiente acquatico. Sebbene anche altri elementi risultino essenziali, come ad esempio ferro e magnesio, nella pratica si evidenzia che, quasi sempre, la carenza di azoto e/o di fosforo rappresenta un fattore limitante per la crescita delle specie acquatiche (Bonomo, 2008). Nelle acque reflue domestiche questi due elementi sono sempre presenti in quantità bilanciate, mentre possono aversi carenze in talune tipologie di refluo industriale, che possono incidere sui processi di trattamento degli stessi. Particolare attenzione va posta nelle cosiddette aree sensibili, dove le concentrazioni di azoto e fosforo devono essere particolarmente basse a causa dei rischi legati ai fenomeni di eutrofizzazione5 che possono verificarsi nei corpi idrici ricettori (Masotti, 2011).

I composti inorganici dell’azoto di interesse nella caratterizzazione delle acque reflue possono essere limitati ai seguenti (Bonomo, 2008):

− Azoto molecolare (N2)

− Ammoniaca (NH3) o ione ammonio (NH4+)

− Nitriti (NO2) e Nitrati (NO3)

− Azoto organico, sotto forma di proteine e urea

Nei liquami grezzi si riscontra una presenza del 60-70% di azoto in forma ammoniacale, mentre il restante si trova in forma organica. Queste forme, insieme, costituiscono l’azoto totale Kjeldahl6, indicato in genere con TKN, dall’acronimo inglese Total Kjeldahl Nitrogen.

5 _{Indica un processo degenerativo indotto da apporti di sostanze nutritive provenienti da scarichi urbani,}

industriali e agricoli, che possono portare a sviluppo abnorme di alghe con conseguenze spesso deleterie per l’ecosistema naturale.

6 _{Prende il nome dal chimico danese Johan Kjeldahl, che ha sviluppato il metodo analitico che permette}

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Nitriti e nitrati sono presenti solo in quantità trascurabili, per effetto della cattiva ossigenazione delle reti fognarie, nelle quali l’azoto nitroso, essendo instabile, viene rapidamente convertito a nitrati o ad azoto molecolare e dove avvengono spontaneamente processi di denitrificazione in condizioni di anossia che sfruttano l’ossigeno legato ai nitrati. L’insieme di queste forme azotate, TKN con nitriti e nitrati, costituisco l’azoto totale presente nel refluo (Bonomo, 2008; Masotti, 2011).

Il fosforo, come l’azoto, interviene nella crescita delle specie batteriche e algali degli ambienti acquatici, ed è il principale responsabile dei fenomeni di eutrofia. Esso è presente nelle acque come (Metcalf & Eddy, 2006; Bonomo, 2008):

− Ortofosfati (PO43–), rappresentano la forma inorganica prevalente negli scarichi (urine, degradazione di composti organici), prontamente disponibili per il metabolismo delle specie acquatiche inferiori.

− Fosforo organico, in genere modesto nei reflui civili poiché idrolizzato ad ortofosfato, mentre può assumere concentrazioni elevate nei reflui industriali.

− Polifosfati, sono composti da più molecole di ortofosfati, fortemente instabili. La misura della concentrazione di ortofosfati può effettuarsi con l’aggiunta di molibdato di ammonio al campione di refluo, che in seguito alla reazione col fosfato dà luogo alla formazione di complessi colorati, come verrà illustrato nel seguito. Per determinare le altre forme di fosforo è necessario sottoporre il refluo a un processo di digestione in ambiente acido, che permette di trasformare tali forme in ortofosfati, misurabili con l’aggiunta di molibdato di ammonio (Metcalf & Eddy, 2006).

1.3.3 Caratteristiche biologiche

Nella caratterizzazione delle acque risulta di particolare interesse la presenza di microrganismi, a causa del loro ruolo nella diffusione di numerose malattie e dell’azione svolta da essi nei processi di depurazione. Tale presenza è da attribuire alle deiezioni umane e animali, che vengono raccolte e allontanate dai centri urbani mediante le reti fognarie (Bonomo, 2008).

Una classificazione generale di tali microrganismi prevede (Metcalf & Eddy, 2006):

− Batteri, sono organismi monocellulari in grado di colonizzare il tratto intestinale, che vengono espulsi con le feci e che sono quindi presenti nei reflui civili. Tra di essi possono esserci organismi patogeni che possono provocare malattie negli uomini e negli animali che vi entrano in contatto, come gastroenteriti, salmonellosi, dissenteria e colera.

− Protozoi, più grandi dei batteri, possono provocare disagi gastrointestinali, con possibili gravi conseguenze in soggetti con immunodeficienze. Si rileva la loro presenza pressochè in tutti i reflui e risultano resistenti alla disinfezione per clorazione, per cui spesso richiedono trattamenti a raggi UV.

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− Elminti, rappresentano diversi tipi di vermi, tra cui il più noto è la Taenia, e sono fra i principali responsabili di malattie nell’uomo. Le loro uova sono tipicamente presenti nei reflui e vengono rimosse abitualmente durante i processi di trattamento e disinfezione.

− Virus, sono parassiti che sfruttano le cellule batteriche per vivere e riprodursi e sono responsabili di infezioni e malattie. Si moltiplicano nel tratto intestinale degli esseri umani e vengono espulsi con le feci, per cui si ritrovano nei reflui. Nelle acque reflue questi organismi patogeni sono normalmente presenti in numero esiguo e per la loro determinazione si utilizzano i cosiddetti organismi indicatori, in genere rappresentati da batteri. Dal momento che il tratto intestinale umano contiene una numerosa colonia di batteri coliformi (a forma di bastoncello), la loro presenza nelle acque è stata assunta come indicazione della possibile presenza di agenti patogeni di origine fecale. Attualmente si utilizzano quali indicatori di inquinamento fecale i coliformi fecali, mediante cui verificare la presenza di Escherichia Coli, organismo presente nelle feci di animali a sangue caldo, e quindi per determinare la presenza o meno di inquinamento biologico delle acque (Metcalf & Eddy, 2006).

La definizione delle caratteristiche biologiche delle acque, inoltre, risulta fondamentale per il giudizio di potabilità delle stesse o per il rispetto delle normative vigenti relative alle concentrazioni di inquinanti attese all’uscita del depuratore, ma le metodologie necessarie a conseguire tale scopo non verranno approfondite nel presente elaborato, poiché non strettamente pertinenti col lavoro di ricerca svolto.

1.4 Portate e carichi inquinanti dei reflui urbani

Ai fini del dimensionamento idraulico della rete fognaria e degli impianti di trattamento dei reflui di nuova costruzione, nonché per correlare i parametri quali-quantitativi relativi alle acque reflue convogliate da sistemi esistenti, risulta necessario valutare l’entità delle portate e dei carichi inquinanti. Entrambi questi aspetti presentano notevoli variazioni in differenti archi temporali, sia a causa delle abitudini della popolazione residente sia legate alla presenza di particolari utenze di carattere industriale presenti nell’area servita. I valori medi dei parametri sono spesso riportati in letteratura e devono intendersi come valori medi giornalieri, riferiti al giorno medio dell’anno, quando si può presumere che gli scarichi siano continuativi durante tutto l’anno, come accade per abitazioni civili e collegi. Si parlerà invece di valori medi riferiti ad un particolare periodo quando lo scarico è circoscritto in precisate ore della giornata, come per scuole, fabbriche e uffici (Masotti, 2011).

La misura delle portate di acque reflue defluenti dalla sezione di chiusura della rete fognaria, o analogamente di quelle in ingresso all’impianto di trattamento, mostra variazioni che tendono a ripetersi in periodi prefissati.

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Nel corso della giornata si registrano portate minime nelle prime ore del mattino, durante le quali il consumo idrico è anch’esso minimo e il deflusso in fognatura è dovuto essenzialmente ad infiltrazioni e a modesti apporti domestici. In tarda mattinata si verifica un primo picco di portata derivante dal consumo dei cittadini durante il risveglio, mentre un secondo picco si attesta generalmente intorno alle 20, in corrispondenza del rientro della gran parte della popolazione. Distribuzione ed entità dei valori di portata dipendono dalla tipologia e dalle estensioni del centro abitato, e si rileva che all’aumentare della sua importanza diminuiscono gli scostamenti tra portate massima e minima, sia per la maggior capacità di accumulo della rete fognaria, sia perché i consumi risultano più diversificati, quantitativamente e temporalmente (Metcalf & Eddy, 2006).

Un tipico andamento giornaliero delle portate di acque reflue è riportato in figura 1.2:

Figura 1.2 Variazioni orarie caratteristiche della portata di reflui civili (Metcalf & Eddy, 2006)

Forti variazioni stagionali si registrano in località interessate da flussi turistici, come città costiere o montane, o in piccoli centri abitati in cui le attività commerciali e industriali hanno carattere prevalentemente stagionale7. In questi casi si possono osservare portate minime o addirittura nulle, in alcuni casi, durante le basse stagioni, e valori di portata molto elevati durante le altre (Masotti, 2011).

Conoscendo le concentrazioni di costituenti specifici presenti nel refluo e avendo valutato come la sua portata idraulica varia nel tempo, è possibile risalire alla variazione del carico inquinante. Le caratteristiche fisiche, chimiche e biologiche delle acque reflue, tuttavia, variano nell’arco della giornata e per una loro accurata determinazione occorre affidarsi a campioni raccolti a intervalli regolari di tempo, ad esempio prelevando, ai fini della modellazione di tali caratteristiche, un campione di refluo ogni ora, nelle 24 ore della giornata (Henze et al., 2015).

7 _{Tipiche variazioni stagionali si registrano nei piccoli centri interessati da importanti flussi turistici}

estivi, dove i consumi idrici assumono valori anche doppi durante la stagione di balneazione, con conseguente abbattimento e ritorno ai valori medi nei mesi di settembre e ottobre.

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Tipici fattori di carico unitari e concentrazioni di costituenti nelle acque reflue, relative a singole utenze che scaricano in rete, sono disponibili in letteratura tecnica.

Un esempio è quello riportato nella tabella 1.1 seguente (Metcalf & Eddy, 2006):

COSTITUENTE VALORE TIPICO1 (g/ab∙d)

CONCENTRAZIONE (mg/l)

DOTAZIONE IDRICA PRO CAPITE 190 l/ab∙d 460 l/ab∙d

BOD5 85 450 187

COD 198 1050 436

Solidi Sospesi Totali 95 503 209 Azoto ammoniacale 7.8 41.2 17.2 Azoto organico 5.5 29.1 12.1 TKN 13.3 70.4 29.3 Fosforo organico 1.23 6.5 2.7 Fosforo inorganico 2.05 10.8 4.5 Fosforo totale 3.28 17.3 7.2 Oli e grassi 31 164 68

(1) Relativo alla quantità di inquinanti prodotti pro capite, espressa come peso secco e assumendo che il 25% delle abitazioni sia dotato di trituratore per i rifiuti

Tabella 1.1 Carichi e concentrazioni attese in acque reflue da singole utenze (Metcalf & Eddy, 2006)

Per quanto riguarda i liquami civili, in letteratura è possibile trovare indicazioni relative alla loro composizione tipica, la quale ovviamente varia in funzione del tipo di centro servito dalla rete fognaria, dalle sue dimensioni e dalle attività che in esso vengono svolte. Un esempio è riportato nella tabella 1.2 (Metcalf & Eddy, 2006).

CONTAMINANTI UNITÀ CONCENTRAZIONE

1

Basso carico Medio Carico Alto Carico

Solidi totali (TS) mg/l 390 720 1230 Solidi disciolti totali (TDS) mg/l 270 500 860 Solidi sospesi totali (TSS) mg/l 120 210 400

BOD5 mg/l 110 190 350 COD mg/l 250 430 800 Azoto (totale) mg/l 20 40 70 Organico Ammoniacale Nitriti Nitrati mg/l mg/l mg/l mg/l 8 12 0 0 15 25 0 0 25 45 0 0 Fosforo (totale) mg/l 4 7 12 Organico Inorganico mg/l mg/l 1 3 2 5 4 8 Oli e grassi mg/l 50 90 100 Coliformi totali n/100 ml 106 _{– 10}8 ₁₀7 _{– 10}9 ₁₀7 _{– 10}10 Coliformi fecali n/100 ml 103 _{– 10}5 ₁₀4 _{– 10}6 ₁₀5 _{– 10}8

(1) Le condizioni di basso, medio ed alto carico sono relative a dotazioni, rispettivamente, di 750, 460 e 240 l/ab∙d

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Analogo andamento è mostrato nelle variazioni del COD, per la misura della sostanza organica, per il quale in genere si registrano valori di punta durante le ore del tardo pomeriggio o nelle prime ore serali, a seconda del centro urbano. Questo si può osservare anche dalle variazioni settimanali mostrate in figura 1.3 (Henze et al., 2015).

Figura 1.3 Variazioni settimanali di COD e solidi sospesi in un refluo urbano (Henze et al., 2015)

Altri parametri qualitativi, come i composti azotati, principalmente contenuti nelle urine scaricate in fognatura, mostrano picchi mattutini e andamenti in linea con la portata, come si può vedere in figura 1.4 (Henze et al., 2015).

17

C

2

L

E ACQUE PARASSITE

2.1 Premessa

Il sistema di drenaggio urbano deputato alla raccolta e all’allontanamento delle acque di rifiuto dal generico centro abitato prevede, in generale, il funzionamento coordinato di sistemi di accumulo, di trasporto e di trattamento delle acque dette. Infatti, vengono considerate acque di rifiuto sia quelle dovute alle precipitazioni che si verificano sul centro abitato, sia quelle che vengono scaricate, dopo l’utilizzo, dalla popolazione residente, come detto nel precedente Capitolo.

Relativamente al sistema di trasporto dei rifiuti liquidi prodotti in ambito urbano, questi possono essere predisposti al convogliamento verso i punti di recapito delle acque di pioggia unitamente agli scarichi delle utenze, e in tal caso si parlerà di sistema unitario di fognatura. Viceversa, quando il sistema è deputato al trasporto delle due diverse tipologie di refluo mediante due distinte reti di collettamento, si parlerà di sistema separato (Milano, 2011).

In entrambi i sistemi fognari è possibile rilevare fenomeni di infiltrazione e di afflusso esterno, dovuto all’ingresso, accidentale o meno, di acqua estranea e non contemplata durante il processo di progettazione e dimensionamento del sistema, che quindi può comportare condizioni di sovraccarico e problematiche di funzionamento sia per la rete fognaria sia per l’impianto di trattamento o per il corpo idrico ricettore destinato ad accogliere le acque di scarico (Masotti, 2011).

Il fenomeno dell’infiltrazione e dell’afflusso interessa in particolare le reti di fognatura deputate all’allontanamento delle sole acque nere, ossia degli scarichi di varia origine provenienti dal centro urbano servito dalla rete stessa. Tali reti, infatti, vengono progettate e dimensionate per permettere il corretto smaltimento di portate nere che complessivamente risultano, in generale, di entità modesta e proporzionali al numero di abitanti residenti ed alla tipologia di attività presenti nel nucleo urbano. Pertanto, i collettori di fognatura nera, nel sistema separato, presentano dimensioni trasversali, in genere, ridotte e un apporto esterno non previsto, dovuto a varie cause che verranno analizzate nel seguito, comporta problemi di funzionamento, con il verificarsi di condizioni di sovraccarico e rischio di allagamenti dai pozzetti stradali.

Con riferimento al sistema fognario separato ad oggetto della presente tesi, nel seguito si parlerà di acque parassite, intese proprio come apporti esterni estranei alla rete di collettamento e dovute a causa diverse e a fenomeni non correlabili alle normali condizioni di funzionamento di tale rete.

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2.2 Caratteristiche ed origini

Sono definite acque parassite le acque non nere8, ossia non dovute agli scarichi di varia origine, che giungono in maniera anomala in fognatura, sovraccaricando il sistema fognario e, quindi, l’impianto di trattamento dei reflui (Masotti, 2011). In letteratura tecnica tali apporti idrici sono definiti mediante l’acronimo I/I, dovuto ai termini anglosassoni di Infiltration e Inflow, traducibili in “infiltrazione” e “afflusso”, che evidenziano sinteticamente le cause del fenomeno. È infatti possibile fornire le seguenti definizioni (Metcalf & Eddy, 2006):

− Infiltrazioni, rappresentate da acque che giungono alla rete fognaria attraverso connessioni di servizio, giunzioni tra collettori, difetti e/o rotture nei pozzetti stradali e nelle tubazioni.

− Afflussi stazionari, dovuti a sistemi di drenaggio, naturali o meno, di acque regimate che scaricano direttamente nella rete fognaria.

− Afflussi diretti, dovuti allo sversamento da parte dei sistemi di raccolta e trasporto delle acque di pioggia, in aree urbanizzate, direttamente in fognatura.

− Afflussi ritardati, rappresentati da acque di pioggia che giungono in fognatura solo dopo alcuni giorni dalla fine dell’evento pluviometrico.

Nella figura 2.1 che segue sono rappresentate le portate che affluiscono tipicamente ad un generico sistema fognario, dovute oltre che alle normali condizioni di funzionamento, anche agli apporti idrici appena definiti.

Figura 2.1 Rappresentazione grafica delle portate parassite in fognatura (Metcalf & Eddy, 2006)

8 _{In letteratura si è soliti suddividere le acque di rifiuto in acque bianche, rappresentate dalle immissioni}

in fognatura di acque pulite (da pozzi, sorgenti, falda o torrenti), ma soprattutto dalle acque di pioggia, e acque nere, che sono prodotte dagli scarichi, civili e industriali, e sono acque sporche.

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È possibile schematizzare diversi tipi di acque parassite come riportato nella figura 2.2, i quali sono dovuti a vari fenomeni di infiltrazione e di afflusso.

Figura 2.2 Schematizzazione delle acque parassite in un sistema di drenaggio (Masotti, 2011)

Tali acque parassite possono essere dovute alle seguenti cause (Masotti, 2011): 1. Sorgenti, vengono investite dal tessuto urbano a causa del processo di

espansione urbana in territorio collinare e le acque che sgorgano vengono quindi immesse nel primo collettore fognario disponibile per l’allontanamento. 2. Torrenti, vengono intercettati dalle nuove reti idrauliche necessarie al processo di urbanizzazione e, invece di essere condottati verso un corpo idrico, vengono collegati direttamente alla rete fognaria al fine di ridurre i costi di realizzazione. 3. Sfiori di serbatoi urbani, avvengono quando le opere di accumulo dell’acqua potabile a servizio del sistema acquedottistico risultano piene e i volumi d’acqua in eccesso vengono convogliati direttamente nel sistema fognario. 4. Sfiori di rogge, gore, canali di bonifica e di irrigazione, sono dovuti a

interconnessioni, spesso non conosciute, tra la rete fognaria e altre reti idrauliche operanti nel territorio interessato dal sistema di drenaggio urbano. 5. Acque di raffreddamento e di processo, prodotte da attività industriali o

complessi residenziali dotati di pozzi privati per la captazione di acque da destinare al condizionamento dell’aria e/o a processi produttivi, che vengono direttamente scaricate in fognatura dopo esser state utilizzate.

6. Acque di drenaggio, provenienti dai sistemi di drenaggio di muri di sostegno, vespai di cantine e locali bassi, che vengono scaricate direttamente in fognatura.

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7. Acque di drenaggio da perdite di acquedotto, dovute alla combinazione di perdite dalle tubazioni di acquedotto, causate da rotture e/o difetti di tenuta, e analoghi difetti nei collettori fognari, che consentono l’ingresso di acqua. 8. Acque di falda, che vengono drenate dalle condotte del sistema fognario a

causa dei problemi di tenuta (rotture di vario tipo, difetti delle tubazioni, cattiva costruzione), dal momento che tali condotte possono trovarsi, durante tutto l’anno o solo stagionalmente, al di sotto del livello della falda freatica alimentata dagli eventi pluviometrici o dai corsi d’acqua circostanti.

L’ultimo tipo di apporto appena definito, secondo la terminologia anglosassone, rappresenta il fenomeno di Infiltration, ossia di infiltrazione. Tutti gli altri apporti, invece, sono compresi nella categoria definita Inflow, ovvero di afflusso, ad indicare l’ingresso diretto all’interno del sistema fognario di portate concentrate di acque estranee al sistema stesso (Masotti, 2011).

Oltre alle tipologie viste, nel caso di fognature separate, un’altra importante causa di acque parassite è rappresentata dalle acque di pioggia, che possono affluire direttamente alla rete, oppure raggiungerla per infiltrazione attraverso il terreno, per cui il fenomeno è definito come Rainfall Derived Infiltration and Inflow (RDII). Del totale delle piogge che gravano su una determinata area, infatti, una parte scorre sul terreno raggiungendo i canali naturali di scolo o i sistemi di drenaggio urbano, mentre la restante parte costituisce l’aliquota maggiore delle cosiddette perdite iniziali, infiltrandosi nel terreno, quindi contribuendo alla ricarica delle falde sotterranee, e ritornando in atmosfera per effetto dell’evapotraspirazione (Metcalf & Eddy, 2006). L’infiltrazione di pioggia incide sulla generazione di acque parassite, dal momento che durante il suo moto verso il basso viene intercettata dagli elementi della rete fognaria, introducendosi in essi attraverso punti di debolezza dovuti a vetustà dei materiali, errori di installazione e/o manutenzione e danni intervenuti durante la vita dell’opera, che portano a rotture o crepe nelle tubazioni, difetti di tenuta in corrispondenza delle giunzioni e penetrazioni di radici. Oltre alle infiltrazioni dovute alla pioggia, non è raro il caso in cui la rete nera funge da drenaggio per le acque presenti nel terreno ad essa sovrastante, dovute a rotture o perdite da altri servizi, come quello di fognatura bianca o quello acquedottistico, dal momento che i collettori fognari vengono sempre previsti a profondità maggiori rispetto a quelli pluviali e alle condotte di approvvigionamento, al fine di evitare rischi di contaminazione delle acque bianche e potabili con acque reflue (Milano, 2011). Infine, la falda acquifera che, stagionalmente o durante tutto l’anno, si trova ad un livello più alto rispetto ai collettori della rete nera, subisce un analogo effetto di chiamata dovuto alla presenza dei punti di debolezza detti, attraverso i quali avviene il drenaggio della falda sotterranea.

Questi fenomeni comportano, nel tempo, il progressivo peggioramento del problema dell’infiltrazione e quindi delle acque parassite in fognatura.

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Gli afflussi alla rete fognaria sono invece dovuti, oltre che ai fenomeni detti, all’ingresso diretto delle acque meteoriche durante il generico evento di pioggia. Tali ingressi possono infatti avvenire attraverso i collegamenti di scarico dei pluviali, che dalle grondaie presenti sui tetti delle abitazioni convogliano l’acqua direttamente in fognatura. Altri afflussi diretti possono aversi a causa di sfiati non opportunamente sigillati o per la presenza di scarichi illegali o abusivi non noti. Un’ulteriore causa di afflusso è rappresentata dallo scarico delle acque di pioggia da bocche di lupo o pozzetti di raccolta9, che invece di essere convogliate alla rete pluviale vengono impropriamente scaricate in fognatura nera. Infine, possono verificarsi ingressi di acqua da fori o mancata tenuta dei chiusini in ghisa dei pozzetti stradali o attraverso le pareti, generalmente in muratura, dei pozzetti stessi (Kesik, 2015).

Analogamente alle infiltrazioni dovute alle piogge, gli apporti idrici legati agli eventi meteorici complicano il problema degli afflussi e con esso le portate parassite. Nella figura 2.3 che segue è riportata una rappresentazione schematica delle cause di infiltrazione e afflusso dovute alle precipitazioni appena evidenziate, e raffigura anche un adeguato sistema di allacciamento e scarico con cui confrontarla.

Figura 2.3 Cause tipiche di infiltrazioni e afflussi in ambito urbano (© Capital Regional District)

Il problema delle acque parassite risulta quindi legato alle precipitazioni che si verificano sull’area servita dalla rete, e su queste si incentra il presente lavoro di tesi.

9 _{Sono manufatti per l’intercettazione e la raccolta delle acque meteoriche che si riversano nelle zone}