6. IPOTESI DI INTERVENTO SUL BACINO

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6. IPOTESI DI INTERVENTO SUL BACINO

6.1. Soluzioni proposte.

Sulla base dei risultati ottenuti delle simulazioni dello stato attuale, sono state ipotizzate alcune possibili soluzioni progettuali finalizzate al miglioramento della qualità delle acque superficiali dello Yarqon. Tali ipotesi di intervento o scenari di progetto riguardano sia le due fonti puntuali costituite dai depuratori, che le sorgenti diffuse sul bacino composte principalmente dai nutrienti provenienti dalle aree urbane e dai comparti agricoli. Per quanto riguarda il primo tipo di interventi sono stati ipotizzati dei trattamenti di fitodepurazione da istallare a valle degli effluenti di entrambe i depuratori, pur tenendo conto del fatto che il depuratore di Ramat Hasharon presenta già una buona efficacia di depurazione ed i margini di miglioramento sono molto più ridotti rispetto al primo depuratore.

I sistemi di fitodepurazione possono rappresentare un efficace trattamento terziario in grado di migliorare la qualità degli effluenti in uscita dai tradizionali impianti di depurazione, costituendo al contempo un’opportunità di recupero ambientale (Conti e Iannelli, 2005). In particolare i letti a flusso sub-superficiale verticale presentano una particolare efficacia nella rimozione dei composti azotati risultando quindi indicati per il ripristino delle condizioni ottimali per lo sviluppo della vita acquatica.

I vantaggi dei trattamenti di fitodepurazione, nel caso di sufficiente disponibilità di spazio, sono principalmente il basso costo di costruzione e manutenzione a parità di efficacia depurativa di altri sistemi. Inoltre la creazione di zone umide e vegetate favorisce la diversità biologica.

Per la valutazione dell’efficacia depurativa di tali trattamenti applicati ai casi specifici del presente lavoro, sono stati utilizzati alcuni valori di letteratura frutto di campagne sperimentali in vari centri di ricerca riferiti a vaste gamme di concentrazione delle sostanze inquinanti in ingresso.

Riguardo alle fonti diffuse, è stata ipotizzata l'installazione di depuratori con trattamenti

secondari tradizionali nelle aree urbane del bacino servite da fognatura ma non collegate ad

alcun depuratore (localizzate principalmente nella Cisgiordania). Per quanto riguarda

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questo tipo di intervento, sono stati analizzati soltanto gli effetti sulle concentrazioni di nutrienti (simulate da MONERIS) e relativamente alla stagione delle piogge.

6.2. Caratteristiche e rendimenti della fitodepurazione (letti a flusso sub-superficiale).

I sistemi di fitodepurazione a flusso subsuperficiale sono installazioni in cui il liquame, dopo grigliatura e sedimentazione primaria, viene immesso in un letto di terreno ghiaioso della profondità di 50÷70 cm, con fondo e pareti impermeabilizzati, in cui vengono installate essenze tipiche di zona umida, come la canna comune (Phragmites Australis).

Nel filtrare attraverso il terreno il liquame subisce complessi processi di sedimentazione,

filtrazione, assorbimento e biodegradazione anaerobica – aerobica che determinano

l’abbattimento del carico inquinante. La filtrazione in direzione orizzontale è quella più

frequentemente adottata: le zone di immissione ed estrazione del liquame sono posizionate

ai due lati opposti del bacino; i bacini vengono gestiti mantenendo, mediante regolatori di

livello appositamente predisposti, il mezzo di supporto in condizioni di perenne

saturazione con il livello di falda appena al di sotto della superficie del terreno. L’assenza

di una superficie libera di liquame costituisce un fattore particolarmente apprezzato,

eliminando il problema della proliferazione di insetti presente nei sistemi a flusso

superficiale. Inoltre le prestazioni di rimozione del BOD5, azoto e solidi sospesi risultano

migliori rispetto ai sistemi a flusso superficiale, consentendo di aumentare i valori di carico

idraulico ed organico adottati nei dimensionamenti. Il principale problema gestionale è

costituito dal rischio di intasamento del mezzo filtrante, che può avvenire soprattutto nella

zona appena successiva all’entrata del liquame. Tale rischio, che è stato ridotto rispetto alle

prime installazioni facendo ricorso a materiale di supporto di pezzatura superiore a quelli

precedentemente adottati, è oggi tale da consentire ad impianti ben realizzati un

funzionamento continuativo per una decina di anni o più con interventi di manutenzione

assai contenuti. Anche se l’applicazione più diffusa, in particolare in Europa, è destinata al

trattamento di reflui di piccolissime comunità civili pretrattati mediante semplice

sedimentazione, l’adozione con funzione di affinamento di reflui assoggettati a trattamento

secondario presenta numerose applicazioni con discreti risultati, soprattutto in termini di

contenimenti dei solidi sospesi residui nel processo a fanghi attivi (anche con funzione di

presidio da temporanei malfunzionamenti dell’impianto a monte) ma anche come ulteriore

riduzione del carico organico, di azoto e fosforo residuo, con rimozioni massime ottenibili

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dell’ordine del 30% (Iannelli et al., 2002). Anche per la carica microbiologica si osserva una notevole efficacia di rimozione dei microrganismi di dimensioni maggiori ed una rimozione di 2-3 ordini di grandezza per quanto riguarda i batteri.

Poiché la limitata capacità di trasferimento di ossigeno rappresenta il fattore limitante del rendimento depurativo dei sistemi a flusso orizzontale, sono stati successivamente sviluppati i sistemi a flusso subsuperficiale verticale, nei quali si tenta di migliorare il trasferimento di ossigeno nel terreno attraverso una diversa modalità di alimentazione e recupero del liquame. Infatti in questi sistemi il liquame viene distribuito uniformemente su tutta la superficie dei letti (ancora impermeabilizzati, rettangolari e con profondità di 60 – 80 cm) e da qui percola verticalmente nel terreno fino a raggiungere un sistema di drenaggio di fondo da cui viene raccolto ed estratto. Questi sistemi prevedono l’alternanza di periodi di alimentazione e di riposo, nei quali il terreno viene lasciato svuotarsi completamente del liquame favorendone l’aerazione. Anche il sistema di alimentazione, che solitamente alimenta la superficie del letto lasciando cadere il liquame da alcuni centimetri di altezza, favorisce l’ossigenazione del liquame entrante. Inoltre l’alimentazione viene effettuata mediante brevi impulsi ripetuti ciclicamente al fine di incrementare la portata istantanea in ingresso risolvendo diversi problemi legati all’intasamento del sistema di alimentazione e all’efficacia di distribuzione del liquame su tutta la superficie del letto. Grazie a questi accorgimenti, i letti a flusso verticale presentano un rendimento di biodegradazione e nitrificazione significativamente superiore a quello dei sistemi a flusso orizzontale e quindi consentono di ridurre significativamente gli ingombri, a parità di rendimento di rimozione (gli ingombri si riducono a circa 0,8 – 1 m2/A.E. per il trattamento terziario di reflui civili). A fronte di tali vantaggi vi è un contenuto impiantistico appena più rilevante.

L’efficacia di depurazione dei sistemi di fitodepurazione è ben documentata sulla base di molte campagne sperimentali condotte su letti a flusso sub-superficiali. Le prestazioni di questo tipo di trattamenti dipendono principalmente dalla progettazione del sistema (flusso orizzontale o verticale) e dalla configurazione dei letti, dalla composizione del refluo in entrata, dal carico idraulico, dal clima e dalle caratteristiche del sistema (tipo di terreno e di vegetazione). Quindi non sorprende il fatto di trovare una vasta gamma di valori sui rendimenti di questi sistemi fra le differenti sperimentazioni in differenti centri di ricerca.

In questo lavoro si è fatto riferimento ai modelli proposti da Kadlec et al. (2000). Nel caso

dell’azoto tali relazioni sono specificamente riferite a sistemi a flusso verticale. Per gli altri

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indicatori invece non è stato specificato se sono stati ottenuti su sistemi a flusso verticale o orizzontale.

6.2.1. Rimozione degli SST.

I dati sulle prestazioni di rimozione degli SST ottenuti a Richmond in Australia (Sapkota &

Bavor 1994 in IWA 2000) mostrano che i profili dall’ingresso all’uscita del refluo delle concentrazioni di SST misurate nei letti a flusso subsuperficiale presentano una decrescita esponenziale tendente ad un valore di base del 24%(figura 6.1).

Figura 6.1: Profilo degli SST in letti a flusso sub-superficiale orizzontale ottenuto a Richmond in Autralia. Fonte : Sapkota & Bavor 1994 in IWA 2000.

In generale vi è una tendenza ad una più alta concentrazione in uscita all’aumentare della concentrazione in ingresso. Una correlazione analitica fra concentrazioni in uscita e di entrata per letti con vegetazione diffusa è stata proposta da Severn Trent e può essere scritta come:

0.706

0

0.76

_i

C = C (6.1)

Dove:

C

0

= concentrazione di uscita [mg/l].

C

i

= concentrazione di entrata, variabile tra 8 e 595 mg/l.

Dato che le concentrazioni in uscita dei due depuratori sono situate nella parte inferiore

dell’intervallo suddetto, questa formula è stata utilizzata per entrambe gli effluenti,

ottenendo i risultati della tabella 6.1.

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DEPURATORE STAGIONE SST in ingresso [mg/l]

SST in uscita [mg/l]

Piogge KS-HH

Secca

25 55

8 14

Piogge 13 5

RH

Secca 16 5.8

Tabella 6.1: Stima della rimozione di SST con letti a flusso sub-superficiale sugli effluenti dei due depuratori.

6.2.2. Rimozione del BOD.

Nei trattamenti di fitodepurazione, i principali meccanismi di rimozione delle sostanze organiche sono la degradazione biologica, la sedimentazione e l’assorbimento delle piante.

La degradazione biologica avviene maggiormente in modo aerobico od anaerobico a seconda della disponibilità di ossigeno. I letti a flusso verticale garantiscono una maggiore concentrazione di ossigeno all’interno del mezzo poroso rispetto ai letti a flusso orizzontale, offrendo quindi una maggiore efficienza nella rimozione del BOD.

All’interno del progetto NADB (North America Treatment Wetland Database in IWA 2000) è stata proposta la regressione lineare:

0

0.33

_i

1.4 C = C + (6.2)

Ottenuta sulla base di 100 misurazioni e campo di variazione di C

_i

pari a 1< C

_i

<57 mg/l in cui rientrano gli effluenti di entrambe i depuratori.

La tabella 6.2 mostra i risultati dell’applicazione di tale formula nelle due stagioni.

DEPURATORE STAGIONE SST in ingresso

[mg/l]

SST in uscita [mg/l]

KS-HH Piogge 20

36

8 13.3

RH Secca 4

7

2.7 3.7

Tabella 6.2: Stima della rimozione di BOD con letti a flusso sub-superficiale sugli effluenti dei due depuratori.

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6.2.3. Rimozione dell’azoto.

Le principali reazioni che coinvolgono la rimozione dell’azoto nei letti a flusso sub- superficiale sono, come per gli altri trattamenti, la nitrificazione e la denitrificazione. Il primo processo richiede una concentrazione di ossigeno di almeno 2 mg/l, mentre il secondo avviene nelle zone anossiche del mezzo poroso. Nel terreno saturo dei letti coesistono zone aerobiche ed anaerobiche, quindi la nitrificazione e la denitrificazione avvengono simultaneamente. Il prodotto finale delle due reazioni è l’azoto gassoso che si libera nell’atmosfera. I sistemi a flusso verticale, in cui la concentrazione media dell’ossigeno è elevata (5 mg/l), svolgono meglio la nitrificazione, mentre nei letti a flusso orizzontale avviene maggiormente la denitrificazione, essendo più estesa la zona anossica.

Nei sistemi a flusso verticale la rimozione di azoto mediamente è maggiore anche per le ciclicità del flusso attraverso il terreno, mentre la soluzione più vantaggiosa consiste in un trattamento con due letti in successione, il primo a flusso verticale ed il secondo a flusso orizzontale. Per gli impianti con letti a flusso verticale, considerati nella presente ipotesi di intervento, sono riportati nella tabella 6.3 i rendimenti di rimozione dell’azoto misurati nei centri di ricerca di varie parti del mondo.

Concentrazione Media [mg/l] Carico medio [Kg/ha*d]

IN OUT EFF

[%] n IN OUT REM EFF n

Azoto

Tot. 50.4 20.1 60.1 9 665 332 333 50 7

Tabella 6.3: Efficacia di rimozione dell’azoto dei letti a flusso sub-superficiale verticale. n rappresenta il numero di misurazioni. Risultati ottenuti in Austria, Germania, Cina, Francia e UK. Ottenuti da Vymazal, 2003.

Negli esperimenti eseguiti la concentrazione in ingresso si presentava molto elevata (50

mg/l) rispecchiando perciò le caratteristiche del primo depuratore. I rendimenti in questo

caso sono piuttosto elevati, mentre per concentrazioni in ingresso minori è presumibile una

diminuzione del rendimento. Nonostante ciò, per semplicità sono stati considerati gli stessi

valori anche per il secondo depuratore ed i risultati sono riportati nella tabella 6.4.

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Depuratore Org N in [mg/l]

Org N out [mg/l]

NH4-N in [mg/l]

NH4-N out [mg/l]

NO3-N in [mg/l]

NO3-N out [mg/l]

Secca 3 1.2 40 16 37 14.8

KS-

HH Piogge 1.2 0.5 12 4.8 8 3.2

RH 2.5 1 6.2 2.5 6.2 2.5

Tabella 6.4: Stima della rimozione dell’azoto nelle varie forme con letti a flusso sub-superficiale verticale sugli effluenti dei due depuratori.

6.2.4. Rimozione del fosforo.

Il fosforo interagisce fortemente con il terreno e la vegetazione presenti nei letti, i quali assicurano un immagazzinamento di questa sostanza sia a breve che a lungo termine. I dati disponibili sulla rimozione di fosforo compiuta dai letti a flusso sub-superficiale sono molto divergenti. Una regressione trovata nella Repubblica Ceca (Vymazal 1998b in IWA 2000) per i letti con vegetazione è:

0.26 1.52

o i

C = C + (6.3)

Con C

i

variabile tra 0.77 e 14.3 mg/l.

Per il secondo depuratore è stato considerato che, data la bassa concentrazione di fosforo nell’effluente, il trattamento non abbia influenza sulla rimozione di questo nutriente. Le stime di rimozione del fosforo sono riportate nella tabella 6.5.

Depuratore Fosforo in ingresso

[mg/l]

Fosforo in uscita [mg/l]

Secca 18 6.20

KS-HH

Piogge 8 3.6

RH 0.5 0.5

Tabella 6.5: Stima della rimozione del fosforo con letti a flusso sub-superficiale sugli effluenti dei due depuratori.

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6.3. Scenari di progetto.

6.3.1. Scenari analizzati.

Sono stati concepiti ed analizzati 4 differenti scenari di progetto, riportati nella tabella 6.6.

I primi tre scenari prevedono l’installazione di trattamenti di fitodepurazione con flusso subsuperficiale verticale a valle rispettivamente del primo, del secondo o di entrambi i depuratori. Il quarto scenario prevede l’installazione di trattamenti secondari nelle aree urbane connesse alla rete fognaria ma attualmente non servite da depuratori. Questo scenario è stato analizzato solamente per la stagione piovosa, in cui si verifica il trasporto dei carichi diffusi, e relativamente ai soli nutrienti analizzati da MONERIS (azoto e fosforo).

Fonti di inquinamento Depuratore di

Kfar Sava - Hod Hasharon

Depuratore di Ramat-Hasharon

Aree urbane non servite da depuratori 1 Trattamento terziario:

fitodepurazione a flusso subsuperficiale verticale

- -

2 - Trattamento terziario:

-

3 Trattamento terziario:

Trattamento terziario:

fitodepurazione a flusso subsuperficiale verticale Scenari -

4 - - Trattamenti secondari

Tabella 6.6: Scenari di progetto analizzati.

La suddivisione delle aree urbane secondo il grado di trattamento delle acque reflue,

utilizzata nell'applicazione di MONERIS ai vari bacini, subisce per lo scenario 4 le

variazioni riportate nella tabella 6.7. Le aree urbane del bacino proprio dello Yarqon e

dell’Hadar sono quasi completamente servite da fognatura e di conseguenza non ci sono

differenze sostanziali fra lo stato attuale ed lo scenario futuro.

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Bacino proprio Raba Shillo Qanah Hadar Aree Urbane

% Att. Scen 4 Att. Scen 4 Att. Scen 4 Att. Scen 4 Att. Scen 4 Fognatura separata

47 48.5 38 48 40 48 33 43 43 50

Fognatura

promisqua 47 48.5 38 48 40 48 33 43 43 50

Fognatura senza

depuratore 3 0 20 0 16 0 20 0 8 0

Aree non connesse

a fognatura 3 3 4 4 4 4 14 14 6 0

Tabella 6.7: Percentuali di aree urbane con diverso grado di trattamento dei reflui: stato attuale e scenario di progetto n.ro 4.

Nella tabella 6.8 sono riportate le concentrazioni nelle sezioni di chiusura dei vari bacini analizzati con MONERIS allo stato attuale ed in seguito alle modifiche propose nello scenario 4. Le riduzioni percentuali delle concentrazioni di fosforo sono più elevate di quelle dell’azoto.

Bacino proprio Raba Shillo Qanah Hadar

Concentrazioni [mg/l] Stato

attuale

Scenario 4

Stato attuale

Scenario 4

Stato attuale

Scenario 4

Stato attuale

Scenario 4

Stato attuale

Scenario 4 Fosforo totale 0.17 0.17 0.19 0.05 0.12 0.07 0.22 0.08 0.17 0.17

Azoto totale 11.0 11.0 14.2 7.9 13.2 9.6 18.2 11.0 12.5 12.5 Tabella 6.8: Concentrazioni di Azoto e Fosforo Totali alla sezione di chiusura dei bacini analizzati con MONERIS allo stato attuale e per lo scenario 4.