In ogni capitolo verranno riportati i principali parametri di taratura del modello ed i grafici più significativi dei risultati ottenuti.

(1)

87 4. Simulazioni dinamiche

In questo capitolo verranno esposti i risultati ottenuti dalle simulazioni dinamiche realizzate mediante il modello matematico FITOVERT.

Le simulazioni dinamiche sono state effettuate impostando i parametri di input del modello per poter simulare correttamente i dati forniti dalla sperimentazione avvenuta presso il Dipartimento di Agronomia Ambientale e Produzioni Vegetali dell’Università degli Studi di Padova.

Le simulazioni hanno riguardato i dati relativi alla prima settimana di luglio 2007, poiché in tale mese sono state effettuate un maggior numero di rilevazioni di dati e sono stati ottenuti i migliori rendimenti depurativi.

In ogni capitolo verranno riportati i principali parametri di taratura del modello ed i grafici più significativi dei risultati ottenuti.

(2)

88 4.1. Simulazione Typha Latifolia

In questo paragrafo verranno esposti i risultati ottenuti nella simulazione matematica delle vasche contenenti Typha Latifolia.

Le simulazioni sono state effettuate imponendo:

• il coefficiente di dispersione, λ

d

, pari a 10 (come verificato in un precedente lavoro) (Giraldi, 2006);

• concentrazioni in ingresso di SNO e SNH pari a 50 [mg/l];

• l’utilizzo del modello Marshall per il calcolo del fattore di tortuosità;

• i valori dei parametri idraulici di Van Genuchten mostrati in Tabella 13;

Tabella 13: Parametri di fornitura della stratigrafia del letto

n [-] α [1/cm] Ks [cm/s] θr [-] θs [-]

4.02 0.435 0.0495 0.045 0.35

La simulazione matematica è stata realizzata imponendo le stesse condizioni che sono state verificate nella sperimentazione reale, è stata quindi predisposta, ad inizio simulazione, una fase di svuotamento completo seguita da una fase di completo riempimento.

Tabella 14: Parametri biochimici di taratura del modello

Symbol 20°C 10°C Literature FITOVERT Stoichiometric parameters

Heterotrophic yield Y_H 0.67 0.67 0.38-0.75 0.67

Autotrophic yield Y_A 0.24 0.24 0.07-0.28 0.24

Fraction of biomass yielding particulate products f_P 0.08 0.08 - 0.08

Mass N/mass COD in biomass i_XB 0.086 0.086 - 0.086

Mass N/mass COD in products from biomass i_XP 0.06 0.06 - 0.06

Kinetic parameters

Heterotrophic max. specific growth rate μ_H 6.0 3.0 0.6-13.2 6

Heterotrophic decay rate b_H 0.62 0.20 0.05-1.6 0.62

Half-saturation coefficient (hsc) for heterotrophs K_S 20 20 5-225 20

Oxygen hsc for heterotrophs K_O,H 0.20 0.20 0.01-0.20 0.20

Nitrate hsc for denitrifying heterotrophs K_NO 0.50 0.50 0.1-0.5 0.50

Autotrophic max. specific growth rate μ_A 0.80 0.30 0.2-0.1 0.55

Autotrophic decay rate b_A 0.20 0.10 0.05-0.2 0.12

Oxygen hsc for autotrophs K_O,A 0.4 0.4 0.4-2.0 0.4

Ammonia hsc for autotrophs K_NH 1.0 1.0 - 1.0

Correction factor for anoxic growth of heterotrophs η_g 0.8 0.8 0.6-1.0 0.8

Ammonification rate k_a 0.08 0.04 - 0.08

Max. specific hydrolysis rate k_h 3.0 1.0 - 3.0

Hsc for hydrolysis of slowly biodeg. substrate K_X 0.03 0.01 - 0.03

Correction factor for anoxic hydrolysis η_h 0.4 0.4 - 0.4

(3)

89 In Tabella 14 sono stati esposti tutti i parametri biochimici inseriti nel modello FITOVERT ed i parametri di letteratura.

L’importante funzione della pianta nella somministrazione nel suolo di carbonio, è stata ipotizzata suddivisa equamente tra:

• SS → substrato solubile rapidamente biodegradabile;

• XS → substrato particolato lentamente biodegradabile.

La somministrazione di carbonio nel letto di fitodepurazione è stata considerata costante nel tempo (vedi Tabella 15).

Tabella 15: Parametri di fornitura di substrato da parte della pianta al letto

[mg/l/s] Mod. di fornitura

SS 0.045 Flusso costante

XS 0.045 Flusso costante

In Tabella 16 sono stati riportati i valori imposti nel modello per la simulazione delle condizioni di sviluppo dell’apparato radicale.

z_max [cm]

z_smax1 [cm]

z_smax2 [cm]

24 0 24

(4)

90

Figura 72: Variazione nel tempo della concentrazione di SNO

Figura 73: Variazione media nel tempo della concentrazione di SNO 0

10 20 30 40 50 60

SNO [mg/l]

SNO medio

(5)

91

Figura 74: Variazione nel tempo della concentrazione di SNH

Figura 75: Variazione media nel tempo della concentrazione di SNH 0

10 20 30 40 50 60

SNH [mg/l]

SNH medio

(6)

92

Figura 76: Variazione nel tempo della concentrazione di SO

Figura 77: Variazione nel tempo della concentrazione di O2 gas

(7)

93 In Tabella 17 sono riportate le concentrazioni di SNO e SNH (relative a 12 litri) nei letti pilota di fitodepurazione e le concentrazioni calcolate mediante il modello FITOVERT.

Tabella 17: Concentrazioni di azoto su 12 litri di acqua misurate e simulate

LETTI PILOTA FITOVERT

DATA SNO [mg/l] SNH [mg/l] SNO [mg/l] SNH [mg/l]

04/07/2007 50 50 50 50

11/07/2007 9.08 6.54 10.53 7.02

Lo sviluppo omogeneo nella profondità della estensione radicale della pianta, porta ad avere una alimentazione costante di carbonio oltre che nel tempo anche nello spazio. Questa particolare condizione permette di ottenere alti rendimenti di rimozione di SNO, il quale viene abbattuto in tutte le profondità ma con rendimenti diversi dovute alle differenti concentrazioni di SO presenti nel letto.

Negli strati più profondi a causa di un minore scambio di ossigeno e quindi una minore concentrazione di SO presente, permette di ottenere abbattimenti di SNO più rapidi rispetto agli strati più superficiali dove contrariamente si hanno concentrazioni di SO più elevate.

La concentrazione di SNH varia invece con andamento circa costante e risulta poco influenzato dalla

profondità, ottenendo quindi un abbattimento quasi omogeneo nello spazio.

(8)

94 4.2. Simulazione Juncus effonde L.

In questo paragrafo verranno esposti i risultati ottenuti nella simulazione matematica delle vasche contenenti Juncus effonde L.

Le simulazioni sono state effettuate imponendo:

• il coefficiente di dispersione, λ

d

, pari a 10 (come verificato in un precedente lavoro) (Giraldi, 2006);

• concentrazioni in ingresso di SNO e SNH pari a 50 [mg/l];

• l’utilizzo del modello Marshall per il calcolo del fattore di tortuosità;

• i valori dei parametri idraulici di Van Genuchten mostrati in Tabella 18;

n [-] α [1/cm] Ks [cm/s] θr [-] θs [-]

4.02 0.435 0.0495 0.045 0.35

La simulazione matematica è stata realizzata imponendo le stesse condizioni che sono state verificate nella sperimentazione reale, è stata quindi predisposta, ad inizio simulazione, una fase di svuotamento completo seguita da una fase di completo riempimento.

(9)

95 In Tabella 19 sono stati esposti tutti i parametri biochimici inseriti nel modello FITOVERT ed i parametri di letteratura.

L’importante funzione della pianta nella somministrazione nel suolo di carbonio, è stata ipotizzata suddivisa equamente tra:

• SS → substrato solubile rapidamente biodegradabile;

• XS → substrato particolato lentamente biodegradabile.

La somministrazione di carbonio nel letto di fitodepurazione è stata considerata costante nel tempo (vedi Tabella 20).

In Tabella 21 sono stati riportati i valori imposti nel modello per la simulazione delle condizioni di sviluppo dell’apparato radicale.

z_max [cm]

z_smax1 [cm]

z_smax2 [cm]

24 0 12

(10)

96

10 20 30 40 50 60

SNO [mg/l]

SNO medio

(11)

97

10 20 30 40 50 60

SNH [mg/l]

SNH medio

(12)

98

(13)

99 In Tabella 22 sono riportate le concentrazioni di SNO e SNH (relative a 12 litri) nei letti pilota di fitodepurazione e le concentrazioni calcolate mediante il modello FITOVERT.

04/07/2007 50 50 50 50

11/07/2007 40.55 5.90 40.5 5.9

Lo sviluppo non omogeneo nella profondità della estensione radicale della pianta, porta ad avere una alimentazione costante di carbonio solo nel tempo e non nello spazio. Questa condizione comporta dei rendimenti di rimozione di SNO fortemente influenzati sia dalla concentrazione di ossigeno presente che dalla presenza o assenza di carbonio. Nello strato più profondo la rimozione di SNO viene fortemente limitata dalla quasi totale assenza di carbonio immesso dalla pianta.

La rimozione di SNH avviene con particolare efficacia e con un andamento non molto variabile con la

stratigrafia del letto.

(14)

100 4.3. Simulazione Phragmites australis

In questo paragrafo verranno esposti i risultati ottenuti nella simulazione matematica delle vasche contenenti Phragmites australis.

Le simulazioni sono state effettuate imponendo:

• il coefficiente di dispersione, λ

d

, pari a 10 (come verificato in un precedente lavoro) (Giraldi, 2006);

• concentrazioni in ingresso di SNO e SNH pari a 50 [mg/l];

• l’utilizzo del modello Marshall per il calcolo del fattore di tortuosità;

• i valori dei parametri idraulici di Van Genuchten mostrati in Tabella 23;

n [-] α [1/cm] Ks [cm/s] θr [-] θs [-]

4.02 0.435 0.0495 0.045 0.35

La simulazione matematica è stata realizzata imponendo le stesse condizioni che sono state verificate nella sperimentazione reale, è stata quindi predisposta, ad inizio simulazione, una fase di svuotamento completo seguita da una fase di completo riempimento.

(15)

101 In Tabella 24 sono stati esposti tutti i parametri biochimici inseriti nel modello FITOVERT ed i parametri di letteratura.

L’importante funzione della pianta nella somministrazione nel suolo di carbonio, è stata ipotizzata suddivisa equamente tra:

• SS → substrato solubile rapidamente biodegradabile;

• XS → substrato particolato lentamente biodegradabile.

La somministrazione di carbonio nel letto di fitodepurazione è stata considerata costante nel tempo (vedi Tabella 25).

In Tabella 26 sono stati riportati i valori imposti nel modello per la simulazione delle condizioni di sviluppo dell’apparato radicale.

z_max [cm]

z_smax1 [cm]

z_smax2 [cm]

24 0 24

(16)

102

10 20 30 40 50 60

SNO [mg/l]

SNO medio

(17)

103

10 20 30 40 50 60

SNH [mg/l]

SNH medio

(18)

104

(19)

105 In Tabella 27 sono riportate le concentrazioni di SNO e SNH (relative a 12 litri) nei letti pilota di fitodepurazione e le concentrazioni calcolate mediante il modello FITOVERT.

04/07/2007 50 50 50 50

11/07/2007 30.79 9.20 29.99 10.1

Lo sviluppo omogeneo nella profondità della estensione radicale della pianta, porta ad avere una alimentazione costante di carbonio oltre che nel tempo anche nello spazio. Il minor rendimento di rimozione di SNO rispetto a quello ottenuto nelle vasche contenenti TY (aventi anche esse il medesimo sviluppo dell’apparato radicale) risulta dovuto al minor quantitativo di carbonio immesso nel sistema.

Anche in questa simulazione si nota un rendimento di rimozione di SNO variabile con la profondità legato alla presenza decrescente di SO al crescere della profondità.

La concentrazione di SNH varia invece con andamento circa costante e risulta poco influenzato dalla

profondità, ottenendo quindi un abbattimento quasi omogeneo nello spazio, risultando comunque

influenzato in maniera opposta dalla assenza di ossigeno, ottenendo quindi i maggiori risultati negli stari

più superficiali caratterizzati da concentrazioni di ossigeno disciolto maggiori rispetto a quelle

riscontrate in profondità.

(20)

106 4.4. Simulazione Phalaris arundinacea L.

In questo paragrafo verranno esposti i risultati ottenuti nella simulazione matematica delle vasche contenenti Phalaris arundinacea L.

Le simulazioni sono state effettuate imponendo:

• il coefficiente di dispersione, λ

d

, pari a 10 (come verificato in un precedente lavoro) (Giraldi, 2006);

• concentrazioni in ingresso di SNO e SNH pari a 50 [mg/l];

• l’utilizzo del modello Marshall per il calcolo del fattore di tortuosità;

• i valori dei parametri idraulici di Van Genuchten mostrati in Tabella 28;

n [-] α [1/cm] Ks [cm/s] θr [-] θs [-]

4.02 0.435 0.0495 0.045 0.35

La simulazione matematica è stata realizzata imponendo le stesse condizioni che sono state verificate nella sperimentazione reale, è stata quindi predisposta, ad inizio simulazione, una fase di svuotamento completo seguita da una fase di completo riempimento.

(21)

107 In Tabella 29 sono stati esposti tutti i parametri biochimici inseriti nel modello FITOVERT ed i parametri di letteratura.

L’importante funzione della pianta nella somministrazione nel suolo di carbonio, è stata ipotizzata suddivisa equamente tra:

• SS → substrato solubile rapidamente biodegradabile;

• XS → substrato particolato lentamente biodegradabile.

La somministrazione di carbonio nel letto di fitodepurazione è stata considerata costante nel tempo (vedi Tabella 30).

In Tabella 31 sono stati riportati i valori imposti nel modello per la simulazione delle condizioni di sviluppo dell’apparato radicale.

z_max [cm]

z_smax1 [cm]

z_smax2 [cm]

24 0 0

(22)

108

Figura 91: Variazione medio nel tempo della concentrazione di SNO 0

10 20 30 40 50 60

SNO [mg/l]

SNO medio

(23)

109

Figura 93: Variazione medio nel tempo della concentrazione di SNH 0

10 20 30 40 50 60

SNH [mg/l]

SNH medio

(24)

110

(25)

111 In Tabella 32 sono riportate le concentrazioni di SNO e SNH (relative a 12 litri) nei letti pilota di fitodepurazione e le concentrazioni calcolate mediante il modello FITOVERT.

04/07/2007 50 50 50 50

11/07/2007 22.57 5.16 24 4

Il particolare sviluppo fortemente superficiale dell’apparato radicale influenza pesantemente i rendimenti di rimozione dell’azoto.

La concentrazione di SNH viene abbattuta prevalentemente negli strati più superficiali grazie ad un miglior scambio di ossigeno.

I valori di SNO risultano abbattuti con cinetiche altamente differenti con la stratigrafia e quindi con una

differente alimentazione di carbonio. Gli strati superficiali caratterizzati dal maggior supporto di

carbonio da parte della pianta, abbattono le concentrazioni di SNO molto rapidamente, mentre gli strai

più profondi, aventi bassi quantitativi di carbonio immesso, ottengono, un rendimento decrescente con

l’aumentare della profondità.

(26)

112 4.5. Simulazione Carex elata

In questo paragrafo verranno esposti i risultati ottenuti nella simulazione matematica delle vasche contenenti Carex elata L.

Le simulazioni sono state effettuate imponendo:

• il coefficiente di dispersione, λ

d

, pari a 10 (come verificato in un precedente lavoro) (Giraldi, 2006);

• concentrazioni in ingresso di SNO e SNH pari a 50 [mg/l];

• l’utilizzo del modello Marshall per il calcolo del fattore di tortuosità;

• i valori dei parametri idraulici di Van Genuchten mostrati in Tabella 33;

n [-] α [1/cm] Ks [cm/s] θr [-] θs [-]

4.02 0.435 0.0495 0.045 0.35

La simulazione matematica è stata realizzata imponendo le stesse condizioni che sono state verificate nella sperimentazione reale, è stata quindi predisposta, ad inizio simulazione, una fase di svuotamento completo seguita da una fase di completo riempimento.

(27)

113 In Tabella 34 sono stati esposti tutti i parametri biochimici inseriti nel modello FITOVERT ed i parametri di letteratura.

L’importante funzione della pianta nella somministrazione nel suolo di carbonio, è stata ipotizzata suddivisa equamente tra:

• SS → substrato solubile rapidamente biodegradabile;

• XS → substrato particolato lentamente biodegradabile.

La somministrazione di carbonio nel letto di fitodepurazione è stata considerata costante nel tempo (vedi Tabella 35).

In Tabella 36 sono stati riportati i valori imposti nel modello per la simulazione delle condizioni di sviluppo dell’apparato radicale.

z_max [cm]

z_smax1 [cm]

z_smax2 [cm]

24 0 12

(28)

114

10 20 30 40 50 60

SNO [mg/l]

SNO medio

(29)

115

10 20 30 40 50 60

SNH [mg/l]

SNH medio

(30)

116

(31)

117 In Tabella 37 sono riportate le concentrazioni di SNO e SNH (relative a 12 litri) nei letti pilota di fitodepurazione e le concentrazioni calcolate mediante il modello FITOVERT.

04/07/2007 50 50 50 50

11/07/2007 30.45 6.25 31.4 5.45

Lo sviluppo non omogeneo nella profondità della estensione radicale della pianta, porta ad avere una alimentazione costante di carbonio solo nel tempo e non nello spazio. Questa condizione comporta dei rendimenti di rimozione di SNO fortemente influenzati sia dalla concentrazione di ossigeno presente che dalla presenza o assenza di carbonio. Nello strato più profondo la rimozione di SNO viene fortemente limitata dalla quasi totale assenza di carbonio immesso dalla pianta.

La rimozione di SNH avviene con particolare efficacia e con un andamento non molto variabile con la

stratigrafia del letto.

(32)

118 4.6. Simulazione vasca di controllo

In questo paragrafo verranno esposti i risultati ottenuti nella simulazione matematica delle vasche senza vegetazione.

Le simulazioni sono state effettuate imponendo:

• il coefficiente di dispersione, λ

d

, pari a 10 (come verificato in un precedente lavoro) (Giraldi, 2006);

• concentrazioni in ingresso di SNO e SNH pari a 50 [mg/l];

• l’utilizzo del modello Marshall per il calcolo del fattore di tortuosità;

• i valori dei parametri idraulici di Van Genuchten mostrati in Tabella 38;

n [-] α [1/cm] Ks [cm/s] θr [-] θs [-]

4.02 0.435 0.0495 0.045 0.35

La simulazione matematica è stata realizzata imponendo le stesse condizioni che sono state verificate nella sperimentazione reale, è stata quindi predisposta, ad inizio simulazione, una fase di svuotamento completo seguita da una fase di completo riempimento.

(33)

119 In Tabella 39 sono stati esposti tutti i parametri biochimici inseriti nel modello FITOVERT ed i parametri di letteratura.

L’importante funzione della pianta nella somministrazione nel suolo di carbonio, è stata ipotizzata suddivisa equamente tra:

• SS → substrato solubile rapidamente biodegradabile;

• XS → substrato particolato lentamente biodegradabile.

La somministrazione di carbonio nel letto di fitodepurazione è stata considerata costante nel tempo (vedi Tabella 40).

In Tabella 41 sono stati riportati i valori imposti nel modello per la simulazione delle condizioni di sviluppo dell’apparato radicale.

z_max [cm]

z_smax1 [cm]

z_smax2 [cm]

24 0 24

(34)

120

46 48 50 52 54 56 58

SNO [mg/l]

SNO medio

(35)

121

10 20 30 40 50 60

SNH [mg/l]

SNH medio

(36)

122

(37)

123 In Tabella 42 sono riportate le concentrazioni di SNO e SNH (relative a 12 litri) nei letti pilota di fitodepurazione e le concentrazioni calcolate mediante il modello FITOVERT.

04/07/2007 50 50 50 50

11/07/2007 55.24 10.28 56.3 11.2

La vasca di controllo è caratterizzata da avere una alimentazione di carbonio dovuta dalla presenza di alcune alghe che si sono formate nel tempo. Questa alimentazione è stata ipotizzata omogenea nel letto e risulta comunque nettamente inferiore rispetto a quella riscontrata nelle simulazioni con piante.