Segreteria tecnico-scientifica:

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Progetto di ricerca:

Nuovi prodotti della trasformazione agroindustriale di frutti da colture mediterranee e gestione sostenibile dei sottoprodotti - Medfruit

Giuseppe Luigi CIRELLI giuseppe.cirelli@unict.it

La gestione sostenibile delle acque reflue di piccoli e medi insediamenti produttivi

Webinar:

La gestione sostenibile delle acque reflue agroindustriali

24 Aprile 2020

Segreteria tecnico-scientifica:

POSIZIONE DEL PROBLEMA

Il trattamento delle acque reflue di origine civile (o assimilabile al civile) e industriale rappresenta tuttora, soprattutto per gli insediamenti produttivi (centri commerciali, aziende agrituristiche, resort turistici, campeggi, cantine, oleifici....), non allacciati alle pubbliche fognature e per le piccole e medie comunità, un rilevante problema economico e gestionale, anche in relazione ai vincoli sempre più restrittivi allo scarico imposti dalla direttiva europee e dalle leggi nazionali.

In Italia, oltre il 72% dei comuni ha una popolazione

inferiore a 5.000 abitanti e circa il 69% degli impianti di

depurazione in esercizio sono a servizio di un numero

di abitanti equivalenti inferiore a 2.000 AE (Borin et al.,

2014). Review n. 24 – Italus Hortus 21 (3), 2014: 57-75

Il trattamento delle acque reflue nei piccoli e medi insediamenti civili ed agro-industriali

 Notevole variabilità del carico idraulico (volume di acque reflue) e del carico organico (kg BOD5/giorno) giornaliero e stagionale

 Assenza di operatori qualificati

 Smaltimento dei fanghi di depurazione

 Rischio di lunghi periodi di fuori esercizio per guasti delle apparecchiature elettromeccaniche

Esigenza di tecnologie a basso costo e a basso impatto ambientale Le soluzioni impiantistiche «intensive» adottate non sono idonee:

 Modesta elasticità di esercizio

 Elevati consumi energetici (emissione di CO ₂ )

 Produzione di fanghi con costi di smaltimento elevati (fino a 100-

130 euro/m ³ )

TRATTARE E “RIUSARE”

LE ACQUE REFLUE IL PIU’ VICINO POSSIBILE AL PUNTO DI ORIGINE

Impianti decentralizzati

“ Privilegiare i piccoli impianti ai grandi impianti”

Sustainable sanitation (Ingegneria sanitaria sostenibile)

Nature-Based Solution

SDG 6 SDG 11 SDG 12 SDG 13 SDG 15

Agenda 2030 for Sustainable Development

https://www.unenvironment.org/explore-topics/sustainable-development-goals

United Nations Environment Programme - UNEP (2015)

NBS per il settore idrico possono contribuire a raggiungere alcuni obiettivi e target

dell’Agenda 2030

Trattamenti di depurazione delle acque reflue

preliminari Primari Secondari Terziari disinfezione

Fitodepurazione

Negli impianti di fitodepurazione o “aree umide artificiali” (“constructed wetlands”), vengono riprodotti, in un ambiente controllato, i processi depurazione naturale caratteristici delle zone umide e ottenuti prevalentemente dall’azione combinata di: suolo, microrganismi e vegetazione

FITODEPURAZIONE

Classificazione dei sistemi di fitodepurazione in funzione del funzionamento idraulico

Sistema a flusso sommerso verticale (SFS-v)

Sistema a flusso sommerso orizzontale (SFS-h)

Sistema a flusso superficiale (FWS)

Flusso superficiale

Flusso subsuperficiale

Sistema a flusso superficiale (FWS)

 Bacini di forma allungata e bassa profondità

 Utilizzati prevalentemente come trattamento terziario

 Prestazioni significativamente variabili con le stagioni (poco applicabile in climi rigidi)

 Problemi di impatto ambientale

 Superficie occupata (oltre 3-4 m ² /AE per un trattamento terziario)

 Pochi esempi di applicazione in Europa e in Italia

Sistemi a flusso superficiale

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Superficie complessiva bacini 8.400 m ²

Francia

 impianti di fitodepurazione “in cascata” su terrazzamenti



Purdue’s Kampen campo da Golf, West Lafayette, Indiana

3 impianti di fitodepurazione a flusso superficiale raccolgono le acque

reflue di un centro urbano e di un resort

per poi riutilizzarle per l’irrigazione del

campo da golf

(Fonte: Zachary Reicher, Vickie Poole, Ron Turco, Amanda Lopez and Jon Harbor, Purdue University Nov 2000)

13

14

Sistema a flusso superficiale per il

trattamento terziario (foto H. Brix)

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Sistemi a flusso sub-superficiale orizzontale (H-SSF)

• bacini impermeabilizzati di forma rettangolare allungata e altezza intorno a 60 cm

• riempimento in materiale ghiaioso o misto ghiaioso- sabbioso

• il liquame viene fatto fluire orizzontalmente in

continuo attraverso il terreno in cui sono radicate le macrofite (prevalentemente Phragmites sp.)

• funzionamento in condizioni di terreno saturo, ma con il livello idrico non affiorante

• trattamento secondario a servizio di piccole o piccolissime comunità ( si consiglia di realizzare una sedimentazione primaria a monte !!!)

• Semplicità ed economia gestionale

• Presenta modeste perdite di carico

• Assenza di acqua libera (sviluppo di insetti modesto)

• Superficie occupata  4-5 m

/AE (trattamenti secondari) e 1-2 m

/AE (trattamenti terziari)

• Molto efficace nella rimozione di sostanza organica e SST, meno per la rimozione dei nutrienti

• Interessanti prestazioni nella riduzione della carica batterica

• Molto utilizzato in Europa, numerose

applicazioni anche in Italia

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(fonte Artec Ambiente srl)

NB Il pozzetto con filtro non è necessario se la vasca di sedimentazione è stata ben dimensionata !

Tipologia di piante generalmente utilizzate: macrofite

Papiro

(Cyperus papyrus)

radicate emergenti

Cannuccia di palude

(Phragmites australis)

Mazza di tamburo

(Typha latifolia)

(fonte IRIDRA)

Sistema a flusso subsuperficiale orizzontale - HSSF

(fonte G. Cooper)

Sistema H-SSF + FWS

Borgo Verde - Preganziol (Treviso)

 a.e.: 240

 Area superficiale sistemi H-SSF: 232 m ²

 Quantitativo di acque grigie trattate, disponibili per il riutilizzo: 14,5 m ³ /giorno (circa 5.300 m ³ /anno)

 si è stimato un periodo di circa 9 anni come tempo di ammortamento dei costi di realizzazione e dei costi di manutenzione annui.

(fonte IRIDRA)

Carpaneto Piacentino (PC) – Reflui caseari

Impianto a servizio del caseificio “Santa Vittoria” (capacità lavorativa 20.000 t/anno latte) per il trattamento di reflui prodotti nella produzione di Parmigiano Reggiano (10,5 m ³ /giorno) e Grana Padano (70 m ³ /giorno)

 4 letti H-SSF (2+2 in parallelo) + 1 letto V-SSF

 Area superficiale sistemi H-SSF: 2.700 m ²

 Area superficiale sistema V-SSF: 750 m ²

Fattoria della Piana (RC) – Reflui zootecnici - caseari

 a.e.: 1.500

 Portata trattata: 100 m ³ /giorno

 Area superficiale sistemi H-SSF: 2.280 m ²

RAI 3 – TG LEONARDO

Singola abitazione - Catania

 a.e.: 4

 Area superficiale sistema H-SSF: 5 m ²

 Quantitativo di acque grigie trattate, disponibili per il riutilizzo: 0,4 m ³ /giorno

 Vegetazione: Cyperus papyrus, Canna indica

0 ,8 0

0, 60

pietrame 30-50 mm

pietrisco 8-10 mm dispersore con tubazione

in PVC forato

fossa Imhoff

dispersore con tubo in PVC forato

sezione longitudinale sezione trasversale

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Sistemi a flusso sub-superficiale verticale (V-SSF)

• bacini impermeabilizzati di forma rettangolare e altezza variabile da 40 a oltre 80 cm

• riempimento in materiale ghiaioso e sabbioso, a volte con stratificazioni a granulometria variabile

• il liquame viene fatto fluire verticalmente attraverso il terreno in cui sono radicate le macrofite (prevalentemente Phragmites)

• funzionamento con cicli di riempimento-

svuotamento in modo da migliorare al massimo l’aerazione del terreno

• usati efficacemente come trattamento secondario o terziario

• Sviluppati come alternativa al flusso orizzontale, allo scopo di migliorare l’aerazione del terreno, favorendo i processi aerobici

• Presentano rendimenti migliori rispetto al flusso orizzontale (riduzione fino al 50%

delle superfici a parità di rendimento)

• Sono in grado di nitrificare efficacemente, e spesso utilizzato a questo scopo in

accoppiamento ai sistemi orizzontali

• Perdite di carico maggiori dei sistemi orizzontali

• Distribuzione omogenea del liquame su tutta la superficie costituisce un problema idraulico non banale

• Necessaria una regolazione idraulica dell’uscita

• Le applicazioni sono ancora poche a causa delle difficoltà sopra evidenziate

FITODEPURAZIONE

26

(fonte Artec Ambiente srl)

27

Impianto a flusso sub-superficiale verticale WRc di Medmenham. Messa a dimora delle macrofite (Cooper et al., 1996)

Sistema a flusso subsuperficiale verticale - VSSF

28

Impianto a flusso sub-superficiale verticale WRc di Medmenham a regime (luglio 1994) (Cooper et al., 1996)

Sistema a flusso subsuperficiale verticale - VSSF

29 (fonte IRIDRA)

30

Impianti di fitodepurazione “a scarico zero”

(fonte Hans Brix)

Fitodepurazione a scarico zero

Il sistema di smaltimento di Fitodepurazione a scarico zero detti anche ad evapotraspirazione totale sono progettati per non avere uno scarico in uscita (eccetto un eventuale scarico di troppo pieno in caso di piogge molto abbondanti) e quindi sono da utilizzare in situazioni in cui l’impossibilità di connettersi alla rete fognaria e l’assenza di corpi idrici superficiali.

tali sistemi richiedono superfici, che dipendono dalle condizioni meteorologiche e dal fabbisogno idrico per abitante, ma che in ogni caso sono molte estese.

Q _out = Q _in + P - ET - I 0 0

Q _in = ET -P

Massimo Carico idraulico

Q _out = 0

Area necessaria per 1 A.E.: circa 40-50 m ² (600 mm/anno)

32

Impianti di fitodepurazione “a scarico zero”

(fonte Hans Brix)

INQUINAMENTO DIFFUSO:

Runoff Agricolo Runoff Urbano

Runoff Autostrade/Infrastrutture Runoff Aeroporti

Trattamento di acque

superficiali e sotterranee

ALTRI CAMPI DI APPLICAZIONE (4)

PARTICOLARI APPLICAZIONI:

- Percolato discariche RSU e compostaggi

- Fitodisidratazione dei fanghi di depurazione

ALTRI CAMPI DI APPLICAZIONE (5)

La fitodepurazione per la riqualificazione e recupero del paesaggio e dell’ambiente

 I sistemi di fitodepurazione, oltre che tutelare e

migliorare la qualità delle acque, rivestono l’importante

ruolo ambientale di rinaturalizzazione, determinante nel

costituire habitat ideali per la fauna acquatica e

l’avifauna, accrescendo la biodiversità ed incrementando

le specie presenti.

Beijing, China

 superficie di circa 8 ha, di cui 2 ha di specchio liquido

 più di 300 specie di piante

 Photo: Beijing Tsinghua Urban Planning & Design Institute

Wakodahatcee Wetlands - Palm Beach County, Florida

Nel 1996 circa 20 ettari di vasche di infiltrazione sono state convertite in sistemi FWS

Dopo 3 anni si contavano già 174 specie di uccelli di cui 13 strettamente

dipendenti dalla wetland. (fonte Hans Brix)

Wakodahatcee Wetlands - Palm Beach County, Florida

(fonte Hans Brix)

39

Altri ruoli della vegetazione nei sistemi di fitodepurazione

3. Producono biomassa che

potrebbe essere impiegata per

scopi diversi

40

Microfite Macrofite

La fauna acquatica

La vegetazione acquatica

Organismi presenti nei sistemi di fitodepurazione

Micro

Macro

Chlorella Alghe Verdi

www.microscopyuk.org.uk/mag/wimsmall/green.html

Scenedesmus quadricauda

Microfite

De Benedetti, et al 2013. ⁵

Che cos’è una pianta da aree umide?

Macrofite caratteristiche

• Macrofite: piante vascolari i cui

tessuti sono facilmente visibili

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Specie Durata fase anossica

(giorni) Accrescimento della parte aerea

Carex rostrata 4 nullo

Juncus effusus 4-7 nullo

Mentha aquatica 4 nullo

Glyceria maxima 7-21 occasionale

Spartina anglica > 28 nullo

Iris pseudacorus > 28 nullo

Phragmites australis > 28 nullo

Typha sp. > 28 frequente

Scirpus lacustris > 90 frequente

Crawford 1994

Caratteristiche delle Macrofite

44

Classificazione -Tipologie di piante acquatiche

galleggianti

radicate sommerse radicate emergenti

45

Elodea spp.

Miriophyllum spp.

Ceratophyllum spp.

Macrofite radicate sommerse

Potamogeton spp. ⁹

10

xoomer.virgilio.it/liceocurcio/fiumeirminio.htm

Iris pseudacorus - L.

Carex pendula Nasturtium officinale

Macrofite radicate emergenti (1)

Le macrofite radicate emergenti sono le

piante maggiormente impiegate negli impianti di fitodepurazione.

Le macrofite radicate emergenti sono le

piante maggiormente

impiegate negli impianti

di fitodepurazione.

47

Cannuccia di palude

(Phragmites australis)

Mazza di tamburo

(Typha latifolia)

Papiro

(Cyperus papyrus)

Macrofite radicate emergenti (2)

48

Giacinto d’acqua

(Eichornia crassipes)

Lenticchia d’acqua

(Lemna spp.)

Lattuga d’acqua

(Pistia stratiotes)

Macrofite galleggianti

Castagna d’acqua

(Trapa natans spp.)

49

Sistemi flottanti

50

Le Piante sono necessarie nei sistemi di fitodepurazione ?

I ruoli delle macrofite nei sistemi di fitodepurazione possono essere correlati:

1. Alla presenza ‘ _fisica ’ delle piante (effetti fisici) 2. Alla loro fisiologia (effetti biologici)

3. Ad altri ruoli

Ruolo delle piante nei sistemi di fitodepurazione

Role of Plants in a Constructed Wetland: Current and New Perspectives - Shelef et al., - Water

2013, 5, 405-419

51

Spazio impiegato m ² /ae

20 Flusso superficiale

5-10 Flusso sub-sup. Orizz.

2-5 Flusso sub-sup. vert.

RUOLO

Stabilizzare i letti ***** ***** +++

Prevenire intasamento - - *****

Ridurre la velocità del

flusso *** ^{- -}

Attenuare la luce ***** ^{++ +}

Isolamento term. *** *** ***

Sup.adesione microb. ***** ^{+++ +}

Assorb.nutrienti ***** ^{+ -}

Rilascio O ₂ + ++ ⁺

Habitat fauna ***** ^{++ +}

estetico ***** **** ***

Brix Catania 2004

Importanza della vegetazione nei sistemi di fitodepurazione

52 Lythrum salicaria Canna indica L.

Altri ruoli della vegetazione nei sistemi di fitodepurazione

2. Offrono un ambiente

piacevole con un aspetto gradevole;

Nymphaea spp.

Iris pseudacorus

L’impianto dei trattamento dei reflui prodotti dall’IKEA Catania (SBR + CW)

SBR Grigliatura

Scarichi

Servizi igienici, Cucina, Bar

P P

Q= 30 m ³ /giorno

Fitodepurazione

HF (I stadio) VF1 (II stadio) VF2 (III stadio)

Canale Buttaceto Q ⁱⁿ = 45-50

m ³ /giorno

Pompa Pompa

Q= 15-20 m ³ bypass SBR se Q > 30 m ³ /giorno

ESEMPI in SICILIA

Valutazione delle portate di reflui

Sono stati misurati, tramite i contatori volumetrici, il volume di acque reflue effluenti da lavabi, WC, docce, lavelli cucina, ecc .

Min value m ³ /day 7 Max value m ³ /day 40 Range m ³ /day 33 Mean value m ³ /day 18,2

Statistiche del periodo Gennaio-Maggio 2012

Min value m ³ /day 7 Max value m ³ /day 27 Range m ³ /day 20 Mean value m ³ /day 14,7

Statistiche dei giorni feriali

Min value m ³ /day 15 Max value m ³ /day 40 Range m ³ /day 25 Mean value m ³ /day 27,9

Statistiche dei giorni prefestivi e festivi

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

01-gen 08-gen 15-gen 22-gen 29-gen 05-feb 12-feb 19-feb 26-feb 04-mar 11-mar 18-mar 25-mar 01-apr 08-apr 15-apr 22-apr 29-apr 06-mag 13-mag 20-mag 27-mag 03-giu 10-giu 17-giu 24-giu 01-lug

portata (m3)

Portata massima di progetto Q = 30 m

/giorno

- Portata massima di progetto: 5 m ³ /h

- In alcuni giorni sono state registrate portate orarie di 10 m ³ /h

Valutazione qualitativa dei reflui

Parametri Unità Min Max Media

SST mg/L 68 200 140

BOD ₅ mg/L 295 980 532

COD mg/L 600 1450 940

Fosforo totale mg/L 12 23 17

Ammoniaca

(NH ₄ ) mg/L 20 231 114

Concentrazione di progetto di azoto totale è di 135 mg/L

COD di progetto = 500 mg/L

Installazione delle tubazioni di distribuzione

Posa in opera del materiale di riempimento

(strato principale) Installazione delle tubazioni

di drenaggio

Fase di costruzione letti VF

Sistema a flusso sub-superficiale verticale – letti V1 e V2

(IKEA, Catania)

IKEA Store - Catania

Impianto IKEA store di Catania

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Macrofite piantumate

Phragmites australis (4 rizomi/m ² )

H-SSF V1

Ciperus papyrus (2,5 piante/m ² )

Canna indica (2,5 piante/m ² ) V2

Ibiscus palustris

(2,5 piante/m ² ) Iris pseudacorus

(2,5 piante/m ² )

200 AE (circa 30 m ³ /giorno)

Progetto realizzato dal Prof. Marco Navarra e dal prof. Giuseppe Luigi Cirelli

Agriturismo Valle dei Margi

Agriturismo Valle dei Margi

Visite tecniche e stampa locale e nazionale

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Considerazioni finali

I sistemi di fitodepurazione:

 valida alternativa ai sistemi convenzionali, quando non vi siano problemi di disponibilità di spazio

 elevata efficienza nella rimozione di diversi inquinanti;

 elasticità di esercizio con carichi organici ed idraulici estremamente variabili;

 raggiungimento di obiettivi depurativi difficilmente

“sostenibili” con i sistemi convenzionali (nel caso dei piccoli e medi insediamenti)

 ruolo strategico per il recupero di terreni marginali, aree

degradate,... e per il l’incremento della biodiversità

Rope-A-Dope

 Istruzione

 Formazione

 Innovazione

 Visione

…per «uscire dalle corde» e superare questo difficile momento

Muhammad Ali vs George Foreman (the Rumble in the Jungle – 1974)

G1

Diapositiva 64

G1 Giuseppe; 23/04/2020