Interventi per una vitivinicoltura sostenibile

(1)

I sistemi di fitodepurazione per il trattamento ed il riuso delle acque reflue enologiche

Prof. Giuseppe Luigi CIRELLI

Università di Catania - Dipartimento di Agricoltura, Alimentazione e Ambiente (Di3A)

(giuseppe.cirelli@unict.it)

Webinar 17 maggio 2021

Attività finanziata dalla Regione Siciliana

Assessorato Regionale dei Beni Culturali e dell’Identità Siciliana Dipartimento dei Beni Culturali e dell’Identità Siciliana

Seminario

Interventi per una vitivinicoltura sostenibile

(2)

Industria enologica

 Il settore enologico produce consistenti quantità di reflui caratterizzati da elevate concentrazioni di sostanza organica e da una notevole variabilità quantitativa nel corso dell’anno.

 Le acque reflue enologiche, se non opportunamente trattate, possono determinare un significativo impatto ambientale sui corpi ricettori, o notevoli problemi gestionali ai depuratori se lo scarico avviene in fognatura.

 L’interesse crescente delle aziende vitivinicole alle problematiche ambientali comporta la ricerca delle migliori soluzioni gestionali dei reflui attraverso la definizione di obiettivi concernenti gli aspetti legali, economici e di

«immagine»

(3)

Consumi idrici in cantina

Vinificazione in rosso Vinificazione in bianco

RICEVIMENTO UVA

PIGIATURA E DIRASPATURA

MACERAZIONE E FERMENTAZIONE

SVINATURA

FERMENTAZIONE MALOLATTICA

TRATTAMENTI

INVECCHIAMENTO

TORCHIATURA

RICEVIMENTO UVA

PIGIATURA E DIRASPATURA

CRIO-MACERAZIONE

SGRONDATURA

DEFECAZIONE

FERMENTAZIONE ALCOLICA

TRATTAMENTI PRESSATURA

INVECCHIAMENTO

Lavaggi

Lavaggi e raffreddamento Riscaldamento

IMBOTTIGLIAMENTO/CONFEZIONAMENTO PREPARAZIONE BLEND

INVECCHIAMENTO IN BARRIQUE

Consumo idrico

(L/hL di vino) Fonte

92-94 Sangiorgi et al., 1996 233 Fumi et al., 1995

43 Gasperi e Viglia, 1995 59-729 ^{ANPA, 2001}

Le varie fasi della vinificazione richiedono numerosi lavaggi

(4)

Volume dei reflui prodotti in cantina

Lo scarico dei reflui enologici risulta estremamente variabile sia da un punto di vista qualitativoche quantitativo.

La determinazione del volume delle acque prodotte in cantina non è agevole poiché le operazioni di cantina implicano consumi idrici estremamente variabili in relazione alla tecnologia adottata, alle dimensioni degli impianti di produzioni, ecc.

Generalmente, i consumi idrici per unità di uva lavorata risultano inversamente proporzionali alle dimensioni della cantina ed alla capacità lavorativa.

Sangiorgi e Balsari (1996) hanno stimato una produzione totale annua di reflui ripartibile per il 47% durante la vendemmia, il 22% durante la fase dei travasi ed il 31% durante l’imbottigliamento.

(5)

Principali caratteristiche qualitative dei reflui enologici (1)

 La composizione chimica delle acque reflue rispecchia le sostanze contenute nell’uva (acini, raspi, semi, polpa) ed i prodotti residui dei vari processi di vinificazione, come lieviti, microrganismi, zuccheri, alcol etilico e metilico, formaldeide e butilaldeide, acetone, acido formico, acetico e tartarico, tartrati di potassio e calcio.

 Inoltre, la qualità dello scarico è influenzata dalle sostanze impiegate nella lavorazione del vino come: carbone attivo, coadiuvanti di filtrazione, ferrocianuro di potassio, anidride solforosa e suoi sali, soluzioni alcaline, tensioattivi cationici.

 Anche le caratteristiche chimico-fisiche dei reflui di cantina presentano un elevato grado di variabilità legate alla tipologia di vino prodotto ed alle modalità di lavorazione delle uve adottate.

(6)

 Il pH risulta tendenzialmente acido nelle acque provenienti dalle attività di lavorazione proprio per i processi di fermentazione mentre, al contrario, risulta significativamente alcalino nelle acque derivanti dal lavaggio di attrezzature e bottiglie.

 Valori di pH variabili da 3,5 a 7,0

 Alto contenuto di sostanze solide costituite da residui di foglie, bucce degli acini, semi e raspi, prodotti residui dei vari stadi di vinificazione, resti di sostanze che intervengono nella lavorazione del vino, soluzioni alcaline e tensioattivi impiegati nei lavaggi.

 Valori di SST variabili da 12 a 7.300 mg/L

(7)

Il COD durante la vendemmia raggiunge concentrazioni almeno 5 volte superiori a quelle registrate nel periodo primaverile ed estivo

BOD₅ COD

BOD₅/COD Fonte

(mg/L) (mg/L)

1.000-3.000 1.700-6.000 0,5-0,6 Farolfi, 1995

1.200-6.000 2.000-9.000 0,6-0,7 Fumi et al., 1995b

- 7.000-7.500 - Daffonchio et al., 1995

- 500-30.000 - Fumi et al., 1995a

Ridotto contenuto di nutrienti (N, P, K)

Presenza di molecole complesse (polifenoli, detergenti, disinfettanti).

(8)

Classificazione delle acque reflue

a) provenienti da imprese dedite esclusivamente alla coltivazione del terreno e/o alla silvicoltura;

b) provenienti da imprese dedite ad allevamento di bestiame che, per quanto riguarda gli effluenti di allevamento, praticano l'utilizzazione agronomica in conformità alla disciplina regionale stabilita sulla base dei criteri e delle norme tecniche generali di cui all'articolo 112, comma 2, e che dispongono di almeno un ettaro di terreno agricolo per ognuna delle quantità indicate nella Tabella 6 dell'Allegato 5 alla parte terza del presente decreto;

c) provenienti da imprese dedite alle attività di cui alle lettere a) e b) che esercitano anche attività di trasformazione o di valorizzazione della produzione agricola, inserita con carattere di normalità e complementarietà funzionale nel ciclo produttivo aziendale e con materia prima lavorata proveniente in misura prevalente dall'attività di coltivazione dei terreni di cui si abbia a qualunque titolo la disponibilità;

Acque reflue enologiche generalmente possono essere assimilate alle domestiche(Art. 101, comma 7, D.Lgs. 152/2006)

(9)

Reflui enologici (D.LGs 152/2006 e il DDG 17 gennaio 2007)

SCHEMA di trattamento e smaltimento più applicato Fossa biologica tipoImhoff, seguita da condotta di subirrigazione

ACQUE REFLUE

Utilizzazione agronomica delle acque enologiche (escluse alcune tipologie di aziende!!!) consentita per aziende che producono volumi di acque reflue non superiore a 4.000 m³/anno e quantitativi di azoto non superiori a 1.000 kg/anno. (All. 2 art. 2 comma r, DDG 17 gennaio 2007)

Dosi di applicazione non superiori ad 1/3 del fabbisogno irriguo ed in epoche di distribuzione finalizzate a massimizzare l’efficienza irrigua (art 16 del DDG 17 gennaio 2007)

Scarico

?

conforme al D.Lgs 152/2006

(10)

Principali problemi nel trattamento delle acque reflue delle attività 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 di esercizio e manutenzione e a basso impatto ambientale (consumi energetici, emissione di CO₂, ecc..)

Le soluzioni impiantistiche «intensive» adottate non sono idonee:

 Modesta elasticità di esercizio

 Elevati consumi energetici (elevata emissione di CO₂)

 Produzione di fanghi con costi di smaltimento elevati (fino a 80- 100 euro/m³)

(11)

Fitodepurazione

Substrato

Vegetazione

Microrganismi

effluente Refluo

•Abiotica

•Biotica

FITODEPURAZIONE

(12)

Sistema a flusso sommerso orizzontale (SFS-h)

Classificazione dei sistemi di

fitodepurazione: regime idraulico

Sistema a flusso sommerso verticale (SFS-v)

Sistema a flusso superficiale (FWS)

Flusso superficiale

Flusso subsuperficiale

(13)

Tipologia di piante generalmente utilizzate: macrofite

Papiro

(Cyperus papyrus)

Cannuccia di palude

(Phragmites australis)

Mazza di tamburo

(Typha latifolia)

(14)

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 m²/AE per un trattamento terziario)

 Pochi esempi di applicazione in Europa e in Italia

(15)

Sistemi a flusso superficiale

(16)

16

Superficie complessiva bacini 8.400 m

²

Francia



impianti di fitodepurazione “in cascata” su terrazzamenti



(17)

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

 Semplicità ed economia gestionale

 Assenza di acqua libera (sviluppo di insetti modesto)

 Superficie occupata: 4-5 m²/AE (trattamenti secondari) e 1-2 m²/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

(18)

(fonte IRIDRA)

Sistema a flusso subsuperficiale orizzontale - HSSF

(19)

Agriturismo Valle dei Margi

(20)

200 AE (circa 30 m³/giorno)

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

(21)

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

 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

 Distribuzione omogenea del liquame su tutta la superficie costituisce un problema idraulico di non facile soluzione

(22)

Sistema a flusso sub-superficiale verticale (IKEA, Catania)

(23)

IKEA Store - Catania

Impianto IKEA store di Catania

23

(24)

24

INTERESSE APPLICATIVO DEI SISTEMI NATURALI

 Relativa facilità di realizzazione anche da imprese locali

 Assenza (quasi sempre) di apparecchiature elettro-meccaniche

 Ottima capacità “tampone” per assorbire le punte di carico idraulico ed organico

 Affidabilità nel rendimento ed elevata efficienza nella rimozione di alcuni inquinanti

 Produzione di fanghi molto modesta (o assente)

 Semplicità ed economicità di gestione e manutenzione

 Buon inserimento ambientale

(25)

Il caso studio del progetto ViENERGY (Vigna Energetica) : la cantina Marabino

L’azienda agricola Marabino è localizzata nella Val di Noto nella zona sud orientale della Sicilia nel comprensorio Eloro DOC

& Noto DOC

La tenuta dell’azienda si estende per 30 ettari di cui 26 circa in produzione reimpiantati con i vitigni autoctoni della zona, Nero d’Avola e Moscato Bianco, e differenti cloni di Chardonnay

La produzione annuale di vini è pari a circa120.000-150.000 bottiglie

https://youtu.be/M0q3xh3CCa0

(26)

La cantina Marabino: progettazione dell’impianto di fitodepurazione

Griglia

Letto di fitodepurazione a flusso sub-superficiale

verticale

Letto di fitodepurazione a flusso sub-superficiale

orizzontale

Vasca di fitodepurazione a flusso superficiale Vasca

Imhoff

Vasca di equalizzazione

Rapporto reflui di produzione/vino prodotto pari a circa 4,5/1 Volume di reflui trattati pari a circa 3 m³/giorno

V-SSF H-SSF FWS

Subirrigazione

Irrigazione area a verde

(27)

Area realizzazione dell’impianto di fitodepurazione

Impianto dimostrativo di fitodepurazione

Vasca di equalizzazione Pozzetto di

grigliatura Vasca

Imhoff

V-SSF (≈ 140 m²) H-SSF (≈ 60 m²)

FWS (≈ 30 m²)

La cantina Marabino: impianto dimostrativo di fitodepurazione

(28)

Impianto di fitodepurazione: trattamenti preliminari e primari

Pozzetto di grigliatura

Vasca Imhoff

Cestello di grigliatura

Vasca Imhoff

subirrigazione Uscita FWS Vasca Imhoff

Vasca di equalizzazione

Pompa sommersa

Temporizzatore

(29)

Vasca a flusso sub-superficiale verticale (V-SSF): fasi di realizzazione (1)

Tubazioni di drenaggio

Fori Ø 20 mm

Tubi di aerazione

(30)

Rizomi di Phragmites australis Messa a dimora di

rizomi di

Phragmites australis (4 rizomi/m²) Stratigrafia letto V-SSF

(31)

Tubazione di uscita con tappi a vite Fori Ø 8 mm

Mattonella 20 x 20 cm

Tubazione di distribuzione

Terreno naturale Inerbimento naturale

Tubazione di distribuzione

Rete in polietilene +

Rete in biojuta

(32)

Vasca a flusso sub-superficiale orizzontale (H-SSF): fasi di realizzazione (1)

Tubazione di distribuzione Tappi a vite

Fori Ø 20 mm

Pasta bentonitica

Tubazione di drenaggio

Fori Ø 20 mm

(33)

Vasca a flusso sub-superficiale orizzontale (H-SSF): fasi di realizzazione (2)

Cyperus papyrus (≈ 8 piante/m²)

Canna indica (≈ 8 piante/m²) Pietrame

lavico

Ghiaia 8-10 mm

Tubazione di uscita

Cyperus papyrus e Canna indica

(34)

Vasca a flusso superficiale (FWS): fasi di realizzazione (1)

Pietrame lavico

Iris pseudacorus (≈ 10 piante/m²)

Scirpus lacustris

(35)

Vasca a flusso superficiale (FWS): fasi di realizzazione (2)

Pozzetto di uscita Pompa

Contatore volumetrico Tubazione di

uscita

Nymphaea alba

Tubazione di ingresso

(36)

Area a verde

 Punica granatum;

 Gaura spp.;

 Phyllirea spp.;

 Pistacia lentiscus;

 Nerium oleander;

 Convolvulus spp.;

 Rosmarinum spp.;

 Teucrium spp.;

 Laurus nobilis;

 Ficus carica;

 Lavandula angustifolia.

Specie vegetali impiantate:

(37)

Attività sperimentale: metodologia

V-SSF H-SSF FWS

1 2 3 4 5

• Frequenza di campionamento:

• Punti di campionamento:

1. Ingresso grigliatura;

2. Ingresso V-SSF;

3. Ingresso H-SSF;

4. Ingresso FWS;

5. Uscita FWS.

• Parametri chimico-fisici rilevati:

pH, C.E., SST, BOD₅, COD, N-NH₄, N-NO₂, N-NO₃, N-N_org, N-N_tot, P-PO₄ mensile

(38)

Attività sperimentale: campionamenti delle acque reflue

AGOSTO (vendemmia)

OTTOBRE (acque di lavaggio tini e botti)

Ingresso

grigliatura Ingresso

V-SSF Ingresso

H-SSF Ingresso

FWS Uscita FWS

Ingresso

FWS Uscita

FWS Ingresso

FWS Uscita FWS

SETTEMBRE (vendemmia)

(39)

404

203 207

10 9 16

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

SST BOD5 COD

Concentrazioni medie (mg/L)

Ingresso grigliatura Ingresso V-SSF Ingresso H-SSF Ingresso FWS Uscita FWS

Attività sperimentale: risultati (2)

Le concentrazioni di SST in INGRESSO

all’impianto di trattamento sono risultate variabili tra 13 e 960 mg/L

Le concentrazioni di COD in INGRESSO all’impianto di trattamento sono risultate variabili tra

7 e 1700 mg/L

Le concentrazioni di SST in USCITA

Le concentrazioni di COD in USCITA

Si evidenzia un abbattimento dei SST e della sostanza organica già

dal primo stadio di trattamento

(40)

Risultati: limiti di legge

40 WW Italian law

limits to discharge in surface water

bodies*

(mg/L)

% samples under discharge

limits

WW Italian law limits for

agricultural reuse (mg/L)

% samples under reuse

limits

TSS 80 10

Inlet VF 81 19

Outlet VF 94 56

Outlet HF 100 69

Outlet FW 100 81

BOD₅ 40 20

Inlet VF 50 31

Outlet VF 69 56

Outlet HF 94 88

Outlet FW 100 100

COD 160 100

Inlet VF 63 63

Outlet VF 88 81

Outlet HF 94 94

Outlet FW 100 100

NH₄-N 15 2

Inlet VF 94 69

Outlet VF 100 81

Outlet HF 100 100

Outlet FW 100 100

* for industrial wastewater

A further reduction of the TSS and, therefore, the complete match to law limits could be achieved by adopting, in the terminal sub-surface section of FW, a gravel material with a diameter less than of 80-100 mm to increase the filtering surface.

The FW system has

proved to be

indispensable to meet the legal requirements for organic matter

The NH₄-N concentrations were below the law limits already in VF and HF effluents

(41)

https://doi.org/10.3390/w12051260

41

(42)

Marabino winery

(43)

«Tecniche innovative e sostenibili nel trattamento e recupero degli scarti e dei reflui della filiera vitivinicola – VITINNOVA»

PSR Sicilia 2014-2020, Sottomisura 16.2

Società Agricola

“Santa Tresa s.r.l.”

Società Agricola

“Feudi del Pisciotto s.r.l.”

Azienda Agricola

“Paolo Calì”

Azienda Agricola

“Poggio di Bortolone”

(44)

GRAZIE PER L’ATTENZIONE

Giuseppe Luigi Cirelli giuseppe.cirelli@unict.it

Attività finanziata dalla Regione Siciliana

Assessorato Regionale dei Beni Culturali e dell’Identità Siciliana Dipartimento dei Beni Culturali e dell’Identità Siciliana