FACOLTÀ DI INGEGNERIA

UNIVERSITÀ DI PISA

FACOLTÀ DI INGEGNERIA

CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA CIVILE DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE

A.A. 2003/2004

TESI DI LAUREA

MODELLAZIONE IDRAULICA DI UN SISTEMA DI

FITODEPURAZIONE E PROGETTAZIONE DI UN IMPIANTO PILOTA

CANDIDATO: MICHELE QUATTRONE

RELATORI: CHIAR.MO PROF. ING. RENATO IANNELLI

CHIAR.MO PROF. ING. VALERIO MILANO

Indice

Indice ________________________________________________________________ 2 Indice delle figure ______________________________________________________ 5 Premessa______________________________________________________________ 8 Capitolo 1 - Introduzione________________________________________________ 10 1.1 Funzione del modello di simulazione________________________________________ 10 1.2 Modello concettuale _____________________________________________________ 11 1.3 Necessità dello studio ____________________________________________________ 12 Capitolo 2 - La fitodepurazione___________________________________________ 14

2.1 Cenni sui trattamenti naturali _____________________________________________ 14 2.2 Processi naturali di depurazione ___________________________________________ 15 2.3 Generalità sui sistemi di fitodepurazione_____________________________________ 17 2.3.1 Sistemi a flusso subsuperficiale orizzontale (HF) _________________________________ 20 2.3.2 Sistemi a flusso subsuperficiale verticale (VF) ___________________________________ 21 2.4 Situazione italiana ______________________________________________________ 22 2.5 Meccanismi di rimozione _________________________________________________ 23 2.6 Considerazioni riepilogative_______________________________________________ 26 Capitolo 3 - Gli impianti di fitodepurazione come terreni agrari ________________ 27

3.1 Cenni sui terreni agrari __________________________________________________ 27 3.2 L’acqua nel sottosuolo ___________________________________________________ 29 3.3 Diffusione gassosa nel terreno_____________________________________________ 32 3.4 Considerazioni riepilogative_______________________________________________ 33 Capitolo 4 - Analisi dei parametri idraulici _________________________________ 35

4.1 Il potenziale totale_______________________________________________________ 35

4.2 Misura del potenziale di pressione __________________________________________ 37

4.2.1 Principio di funzionamento del tensiometro _____________________________________ 38

4.2.2 Calcolo dell’altezza piezometrica e dell’energia potenziale__________________________ 39

4.2.3 Caratteristiche dei tensiometri ________________________________________________ 40

4.2.4 Limiti dei tensiometri _______________________________________________________ 41

4.3 Contenuto d’acqua ______________________________________________________ 41

4.4 Misura del contenuto d’acqua _____________________________________________ 44

4.4.1 Metodo diretto gravimetrico __________________________________________________ 44

4.4.2 Metodo diretto ad alcool _____________________________________________________ 45

4.4.3 Metodo diretto del picnometro ________________________________________________ 45

4.4.4 Metodo indiretto neutronico __________________________________________________ 46

4.4.5 Metodo indiretto della resistenza elettrica _______________________________________ 46

4.4.6 Riflettometria nel dominio del tempo (TDR) _____________________________________ 46

4.4.7 Riflettometria nel dominio delle frequenze (FDR) ________________________________ 48

4.5 La conducibilità idraulica ________________________________________________ 50

4.5.1 Osservazioni sulle equazioni di van Genuchten___________________________________ 54

4.6 Misura della conducibilità idraulica ________________________________________ 58 4.6.1 Misure di laboratorio _______________________________________________________ 58 4.6.2 Permeametro di Guelph _____________________________________________________ 59 4.6.3 Metodo del foro di trivella____________________________________________________ 60 4.6.4 Metodo del piezometro ______________________________________________________ 61 4.6.5 Metodo degli infiltrometri____________________________________________________ 61 4.7 Prove idrodinamiche_____________________________________________________ 64 Capitolo 5 - Idrologia del terreno: modello concettuale e software di simulazione __ 66

5.1 L’Equazione di Richards _________________________________________________ 67 5.2 Software di simulazione __________________________________________________ 68 5.2.1 Hydrus-1D________________________________________________________________ 69 5.2.2 Chemflo 2000 _____________________________________________________________ 72 5.2.3 RETC____________________________________________________________________ 74 5.2.4 Rosetta ___________________________________________________________________ 76 5.3 Esempi di simulazione ___________________________________________________ 78 5.3.1 Simulazioni con caricamento continuo _________________________________________ 79 5.3.2 Simulazioni con caricamento discontinuo _______________________________________ 85

Capitolo 6 - Raccolta dati per la taratura del modello _________________________ 93 6.1 Impianto di Firenze Certosa_______________________________________________ 93

6.1.1 Descrizione dell’impianto ____________________________________________________ 93 6.1.2 Installazione delle apparecchiature ____________________________________________ 95 6.1.3 Campionamento del suolo __________________________________________________ 100 6.1.4 Analisi di laboratorio: descrizione delle procedure utilizzate _______________________ 102 6.2 Impianto di Shafdan (Israele) ____________________________________________ 106 6.2.1 Descrizione dell’impianto ___________________________________________________ 107 6.3 Problematiche riscontrate _______________________________________________ 108 6.4 Analisi dei risultati e commenti ___________________________________________ 111 6.4.1 Massa volumica delle radici _________________________________________________ 114 6.4.2 Porosità del terreno________________________________________________________ 116 6.4.3 Contenuto d’acqua del terreno con analisi di laboratorio__________________________ 120 6.4.4 Contenuto d’acqua del terreno con sonda FDR _________________________________ 124 6.4.5 Calibrazione FDR _________________________________________________________ 130

Capitolo 7 - Progetto di un impianto pilota finalizzato alla taratura del modello idraulico ____________________________________________________________ 139

7.1 Localizzazione_________________________________________________________ 140

7.2 Parametri da misurare __________________________________________________ 140

7.3 Descrizione dell’impianto________________________________________________ 142

7.3.1 Considerazioni preliminari __________________________________________________ 142

7.3.2 Specifiche costruttive ______________________________________________________ 143

7.3.3 Sistema di distribuzione ____________________________________________________ 146

7.3.4 Sistema di sollevamento ____________________________________________________ 148

7.3.5 Sistema di raccolta ed aerazione______________________________________________ 150

7.3.6 Accessori ________________________________________________________________ 151

7.4 Motivazioni delle scelte progettuali ________________________________________ 152

7.5 Materiali utilizzati______________________________________________________ 158

7.6 Criteri di calcolo _______________________________________________________ 159

7.6.1 Grado di riempimento (Allegato 1)____________________________________________ 159

7.6.2 Sistema di distribuzione (Allegato 2) __________________________________________ 160

7.6.3 Spinta del medium (Allegato 3) ______________________________________________ 162

7.7 Costo di realizzazione ___________________________________________________ 163

Capitolo 8 - Conclusioni e prospettive future _______________________________ 165

Bibliografia__________________________________________________________ 168

Allegato 1 - Grado di riempimento _______________________________________ 173

Allegato 2 - Sistema di distribuzione ______________________________________ 177

Allegato 3 - Spinta del medium __________________________________________ 185

Indice delle figure

Figura 1 - Trattamenti di fitodepurazione in uso: a) a flusso subsuperficiale orizzontale, b) a flusso subsuperficiale verticale, c) a flusso superficiale, d) con idrofite galleggianti, e) con idrofite sommerse (Bonomo, 1996) ____________________________________________________ 19 Figura 2 - Modello schematico di una vasca di fitodepurazione a flusso subsuperficiale orizzontale (Volpe,

2001)_____________________________________________________________________ 21 Figura 3 - Modello schematico di una vasca di fitodepurazione a flusso subsuperficiale verticale _____ 21 Figura 4 - Distribuzione geografica degli impianti di fitodepurazione in Italia (Masi, 2002) _________ 22 Figura 5 - Diffusione delle diverse tipologie di impianti di fitodepurazione in Italia (Masi, 2003) _____ 23 Figura 6 - Classificazione dei terreni su base granulometrica, secondo il Soil Conservation Service

(USDA) ___________________________________________________________________ 28 Figura 7 - Fattore di tortuosità calcolato secondo diversi Autori: Millington-Quirk (▬▬), Marshall

(▬▬) e Penman (▬▬)______________________________________________________ 33 Figura 8 - Tensiometro quick-draw, adatto a letturerapide____________________________________ 37 Figura 9 - Funzionamento del tensiometro ________________________________________________ 38 Figura 10 - Connessione della punta porosa tramite piezometro per misurare la pressione sotto il livello

idrico ____________________________________________________________________ 38 Figura 11 - Tensiometro per misurare il potenziale di pressione del suolo________________________ 39 Figura 12 - Principio di funzionamento del tensiometro dotato di vacuometro ____________________ 40 Figura 13 - Esempi di curve pF: A) argilla sabbiosa di pessima struttura, B) terra rossa argillosa,

calcarea, alluvionale, di ottima struttura, C) terreno sabbioso, ricco di sabbia fina, D) sabbia grossolana di arenile (Manuale Cremonese del geometra). __________________________ 42 Figura 14 - Curva pF stimata con Campbell _______________________________________________ 43 Figura 15 - Curva caratteristica θ=θ(ψ

) stimata con van Genuchten ___________________________ 44 Figura 16 - Metodo del picnometro ______________________________________________________ 45 Figura 17 - TDR con sonda a tre denti ___________________________________________________ 47 Figura 18 - FDR modello Diviner 2000 e datalogger della Sentek ______________________________ 49 Figura 19 - Conducibilità idraulica in funzione del potenziale secondo la formula di Campbell _______ 52 Figura 20 - Conducibilità idraulica in funzione del potenziale matriciale secondo la formula di van

Genuchten_________________________________________________________________ 53 Figura 21 - Contenuto d’acqua in funzione dell’altezza piezometrica secondo Vogel & Cislerovà (Vogel et

al., 1988 in Simunek et al., 1998) _______________________________________________ 56 Figura 22 - Conducibilità idraulica in funzione dell’altezza piezometrica secondo Vogel & Cislerovà

(Vogel et al., 1988 in Simunek et al., 1998) _______________________________________ 56

Figura 23 - Curva umidità-altezza piezometrica valutata con van Genuchten, per due diversi tipi di suolo

_________________________________________________________________________ 58

Figura 24 - Permeametro di Guelph _____________________________________________________ 59

Figura 25 - Metodo del foro di trivella ___________________________________________________ 60

Figura 26 - Metodo del piezometro ______________________________________________________ 61

Figura 27 - Infiltrometro a doppio cilindro: schema di funzionamento della barriera di potenziale ____ 62

Figura 28 - Infiltrometro a doppio cilindro ________________________________________________ 62

Figura 29 - Infiltrometro a tensione a disco _______________________________________________ 63

Figura 30 - Grafico del software Hydrus-1D: altezza piezometrica in funzione della profondità_______ 70

Figura 31 - Grafico del software Hydrus-1D: umidità in funzione della profondità _________________ 70

Figura 32 - Grafico del software Hydrus-1D: conducibilità idraulica in funzione della profondità_____ 71

Figura 33 - Grafico del software Hydrus-1D: capacità idraulica in funzione della profondità ________ 71

Figura 34 - Grafico del software Hydrus-1D: flusso liquido in funzione della profondità ____________ 72

Figura 35 - Esempio di output grafico del software Chemflo 2000 ______________________________ 74

Figura 36 - Esempio di output del software RETC __________________________________________ 75

Figura 37 - Grafico del software RETC: curva pF __________________________________________ 76

Figura 38 - Schema di funzionamento del software Rosetta ___________________________________ 76

Figura 39 - Interfaccia grafica del software Rosetta _________________________________________ 78

Figura 40 - Simulazione 1/Chemflo 2000: contenuto d’acqua in funzione della profondità ___________ 80

Figura 41 - Simulazione 1/Hydrus-1D: contenuto d’acqua in funzione della profondità _____________ 80

Figura 42 - Simulazione 1/Chemflo 2000: potenziale matriciale in funzione della profondità _________ 81

Figura 43 - Simulazione 1/Hydrus-1D: potenziale matriciale in funzione della profondità ___________ 81

Figura 44 - Simulazione 1/Chemflo 2000: conducibilità idraulica in funzione della profondità _______ 82 Figura 45 - Simulazione 1/Hydrus-1D: conducibilità idraulica in funzione della profondità __________ 82 Figura 46 - Simulazione 2/Chemflo 2000: contenuto d’acqua in funzione della profondità ___________ 83 Figura 47 - Simulazione 2/Hydrus-1D: contenuto d’acqua in funzione della profondità _____________ 83 Figura 48 - Simulazione 2/Chemflo 2000: potenziale matriciale in funzione della profondità _________ 84 Figura 49 - Simulazione 2/Hydrus-1D: potenziale matriciale in funzione della profondità ___________ 84 Figura 50 - Simulazione 2/Chemflo 2000: conducibilità idraulica in funzione della profondità _______ 85 Figura 51 - Simulazione 2/Hydrus-1D: conducibilità idraulica in funzione della profondità __________ 85 Figura 52 - Implementazione delle onde quadre come onde triangolari __________________________ 86 Figura 53 - Simulazione A: andamento dell’umidità in funzione della profondità (intervallo temporale tra

0’ e 240’) _________________________________________________________________ 87 Figura 54 - Simulazione A: andamento dell’umidità in funzione della profondità (intervallo temporale tra

240’ e 960’) _______________________________________________________________ 88 Figura 55 - Simulazione A: andamento dell’umidità nell’intorno di un caricamento ________________ 89 Figura 56 - Simulazione D: andamento dell’umidità nell’intorno di un caricamento ________________ 89 Figura 57 - Simulazione B: andamento dell’umidità in funzione della profondità (intervallo temporale tra

0’ e 480’) _________________________________________________________________ 90 Figura 58 - Simulazione B: andamento dell’umidità in funzione della profondità (intervallo temporale tra

480’ e 960’) _______________________________________________________________ 90 Figura 59 - Simulazione C: andamento dell’umidità in funzione della profondità (intervallo temporale tra

0’ e 960’) _________________________________________________________________ 91 Figura 60 - Simulazione D: andamento dell’umidità in funzione della profondità (intervallo temporale tra

0’ e 1080’) ________________________________________________________________ 92 Figura 61 - Vista dell’impianto installato presso l’Hotel Relais: sulla destra vi è il sistema di

fitodepurazione a flusso subsuperficiale orizzontale e sulla sinistra quello a flusso subsuperficiale verticale______________________________________________________ 94 Figura 62 - Vasca di raccolta del refluo da trattare _________________________________________ 94 Figura 63 - Pozzetto di ripartizione posizionato in testa al sistema di fitodepurazione a flusso

subsuperficiale verticale______________________________________________________ 95 Figura 64 - Scavo del foro per il pozzetto della sonda FDR con una trivella ______________________ 96 Figura 65 - Particolare del foro per il pozzetto della sonda FDR _______________________________ 96 Figura 66 - Controllo della verticalità del pozzetto__________________________________________ 97 Figura 67 - Pozzetto per la sonda FDR ultimato ____________________________________________ 97 Figura 68 - Inserimento della sonda FDR nel pozzetto di misura _______________________________ 98 Figura 69 - Lettura dell’umidità con la sonda capacitiva _____________________________________ 98 Figura 70 - Datalogger della sonda FDR _________________________________________________ 99 Figura 71 - Tensiometro______________________________________________________________ 100 Figura 72 - Particolare del manometro del tensiometro _____________________________________ 100 Figura 73 - Fasi di montaggio del campionatore a fustella: a) posizionamento della fustella, b)

posizionamento del battifustella, c) posizionamento del maglio, d) inserimento dell’asta guida ________________________________________________________________________ 101 Figura 74 - Campionamento del terreno con campionatore a fustella: a) fase di battitura con il maglio, b)

fine della fase di battitura, c) fustella pronta per essere prelevata, d) prelievo della fustella 102 Figura 75 - Sbancamento del terreno fino alla profondità voluta ______________________________ 103 Figura 76 - Fase di scavo e raccolta del medium __________________________________________ 104 Figura 77 - Posizionamento del volumenometro ___________________________________________ 104 Figura 78 - Ricostituzione delle condizioni sature nel provino mediante immersione in acqua della fustella ________________________________________________________________________ 105 Figura 79 - Materiale di riempimento del letto drenante_____________________________________ 107 Figura 80 - Sistema di distribuzione del liquame___________________________________________ 107 Figura 81 - Curva potenziale matriciale-umidità in assenza di risalita capillare __________________ 109 Figura 82 - Fasi per determinare la massa volumica delle radici: a) pulitura ed essiccatura dei campioni,

b) immersione dei campioni in paraffina, c) apparecchiatura per la pesata in acqua dei campioni impermeabilizzati, d) particolare del piattino usato per le misurazioni in acqua _ 110 Figura 83 - Presenza delle radici nel medium di riempimento; dalla foto di destra si può chiaramente

vedere come le radici siano presenti nel solo strato superficiale del letto_______________ 111

Figura 84 - Posizione dei pozzetti della sonda FDR e dei campioni di medium prelevati____________ 112

Figura 85 - Corrispondenza tra le quote di misurazione relative alla sonda e le quote riferite al piano campagna ________________________________________________________________ 113 Figura 86 - Installazione per lo studio dei materiali di riempimento del letto drenante _____________ 113 Figura 87 - Profili di umidità a diversi tempi, relativi al pozzetto P1 ___________________________ 125 Figura 88 - Sovrapposizione dei risultati di umidità riscontrati in laboratorio (■) con la media dei dati

rilevati dalla sonda (●)______________________________________________________ 126 Figura 89 - Profili di umidità nel tempo a seguito di versamento d’acqua _______________________ 128 Figura 90 – Istogrammi di confronto tra le umidità di ritenzione ______________________________ 129 Figura 91 – Istogrammi di confronto tra le umidità con flusso di 100 ml/min ____________________ 129 Figura 92 - Curva di calibrazione del Diviner 2000, fornita dal costruttore _____________________ 130 Figura 93 - Coppie di dati frequenza normalizzata-contenuto d’acqua relative al pozzetto P1 _______ 132 Figura 94 - Interpolazione dei dati umidità-frequenza normalizzata SF, per il basalto 2-3 mm_______ 133 Figura 95 - Interpolazione dei dati umidità-frequenza normalizzata SF, per il basalto 3-5 mm_______ 134 Figura 96 - Interpolazione dei dati umidità-frequenza normalizzata SF, per il basalto 5-10 mm______ 134 Figura 97 - Interpolazione dei dati umidità-frequenza normalizzata SF, per la dolomite 8 mm _______ 135 Figura 98 – Basalto 2-3 mm: umidità di laboratorio, umidità con sonda FDR calibrata ed errore

percentuale _______________________________________________________________ 136 Figura 99 - Basalto 3-5 mm: umidità di laboratorio, umidità con sonda FDR calibrata ed errore

percentuale _______________________________________________________________ 136 Figura 100 - Basalto 5-10 mm: umidità di laboratorio, umidità con sonda FDR calibrata ed errore

percentuale _______________________________________________________________ 137 Figura 101 – Dolomite 8 mm: umidità di laboratorio, umidità con sonda FDR calibrata ed errore

percentuale _______________________________________________________________ 137 Figura 102 - Ingombro in pianta dell’impianto ____________________________________________ 144 Figura 103 - Vasca di fitodepurazione___________________________________________________ 144 Figura 104 - Pianta del sistema di distribuzione ___________________________________________ 146 Figura 105 - Particolare del foro di uscita del liquame _____________________________________ 147 Figura 106 - Collegamenti idraulici ____________________________________________________ 147 Figura 107 - Pompa monovite _________________________________________________________ 148 Figura 108 - Schema di funzionamento pompa monovite ____________________________________ 148 Figura 109 - Curve Portata-Numero di giri delle pompe serie MR\MV _________________________ 149 Figura 110 - Tubi corrugati Drenopal___________________________________________________ 150 Figura 111 - Cappello di protezione ____________________________________________________ 150 Figura 112 - Giunto smontabile resistente a trazione _______________________________________ 151 Figura 113 - Parti terminali dello scarico ________________________________________________ 151 Figura 114 - Schema di funzionamento delle pompe a membrana _____________________________ 153 Figura 115 - Pompe peristaltiche impiegate per il sistema di distribuzione presso l’impianto sperimentale

del C.R.A. di Pavia (Iannelli R., 2001)__________________________________________ 154 Figura 116 - Particolare del sistema di distribuzione presso l’impianto sperimentale del C.R.A. di Pavia

(Iannelli R., 2001) _________________________________________________________ 154 Figura 117 - Sistema WRc di ripartizione del flusso (Cooper et al., 1996 riportato da Iannelli R., 2001)155 Figura 118 - Sistema di distribuzione con bocchette a V regolabili (Cooper et al., 1996 riportato da

Iannelli R., 2001) __________________________________________________________ 156 Figura 119 - Impiego di sifoni autoadescanti per ripartire il liquame (Loffler, 1990 riportato da Iannelli

R., 2001) _________________________________________________________________ 156 Figura 120 - Sistema di carico e scarico del liquame per mezzo di tubazioni forate disposte a reticolo

(Volpe, 2001) _____________________________________________________________ 157 Figura 121 - Andamento delle grandezze Q/Q

, V/V

e ω/Ω in funzione dell’altezza percentuale di

riempimento per la sezione circolare ___________________________________________ 174

Figura 122 - Schema del sistema di sollevamento __________________________________________ 177

Figura 123 - Schema del sistema di distribuzione __________________________________________ 177

Figura 124 - Andamento delle tensioni orizzontali _________________________________________ 186

Premessa

La necessità di realizzare il presente lavoro nasce all’interno del progetto, più ampio e complesso, di mettere a punto un modello di simulazione per i sistemi di fitodepurazione a flusso subsuperficiale verticale.

La tecnica di fitodepurazione a flusso subsuperficiale verticale suscita l’interesse degli addetti ai lavori poiché i rendimenti di rimozione sono migliori rispetto ad altri sistemi naturali di depurazione e gli ingombri impiantistici sono ridotti. Il medium di riempimento è soggetto a periodici cicli di svuotamento che favoriscono l’aerazione e di conseguenza lo sviluppo di biomasse aerobiche. Per permettere l’adozione sistematica di questo sistema depurativo in tutte quelle situazioni nelle quali i processi biologici tradizionali si dimostrano inadeguati, è essenziale sviluppare e mettere a punto un modello matematico previsionale. Lo sviluppo della parte idraulica di tale modello richiede la conoscenza delle proprietà fisiche di stato del medium di riempimento (ad esempio: porosità e contenuto d’acqua) e dei parametri idraulici che influenzano il moto dell’acqua in un mezzo poroso insaturo. Le proprietà fisiche di stato ed i parametri idraulici si determinano con gli stessi metodi usati in Idrogeologia: tra il letto drenante dei sistemi di fitodepurazione ed i terreni naturali sussistono delle similitudini, esposte nel presente lavoro.

I risultati ottenuti con i software sviluppati per lo studio della diffusione degli inquinanti nel sottosuolo serviranno ad accertare la coerenza e la consistenza del modello matematico previsionale, nell’ambito di un futuro studio di confronto.

La successiva fase di taratura del modello completo richiede la raccolta di una serie di dati, necessari a caratterizzare idraulicamente il medium di riempimento e per analizzare il refluo in ingresso ed in uscita. La raccolta dei dati potrebbe essere condotta su impianti di fitodepurazione già esistenti ma operando in questa maniera non è possibile tenere sotto controllo i parametri gestionali dell’installazione (portata e durata dei cicli). Da questa circostanza nasce la necessità di avere a disposizione un impianto pilota sul quale svolgere delle campagne di misurazione. Inoltre, poter seguire le fasi di costruzione dell’impianto sperimentale ci permette di verificare il rispetto dei parametri costruttivi (ad esempio: disposizione degli strati del medium) e semplifica l’installazione degli strumenti di misura. Grazie all’installazione sperimentale è anche possibile impostare e variare i parametri di gestione dell’impianto.

Pertanto in questa tesi è stata anche effettuata la progettazione di tale impianto pilota, tenendo conto dei parametri idraulici da misurare, degli strumenti da utilizzare e delle prove da eseguire, in modo da semplificare il più possibile le operazioni di raccolta dei dati e di campionamento del liquame.

L’impianto vuole anche ricoprire una funzione didattica: tramite visite guidate si tenterà di sensibilizzare l’opinione pubblica sui problemi ambientali.

Lo studio svolto per questa tesi di laurea può essere suddiviso in cinque parti:

1. La prima parte è di introduzione al lavoro svolto: viene descritto il funzionamento

generale della tecnica di fitodepurazione, i meccanismi di rimozione che entrano

in gioco e perché il sistema a flusso subsuperficiale verticale suscita tanto

interesse tra gli operatori del settore. Inoltre, sono illustrate le similitudini

esistenti tra i terreni agrari ed il medium di riempimento dei sistemi di

fitodepurazione.

2. Nella seconda parte sono illustrati i parametri idraulici da tenere in considerazione per modellare matematicamente la parte idraulica del modello. Per ogni parametro sono descritti gli strumenti e le procedure di misurazione.

3. Nella terza parte sono esposti i risultati delle simulazioni svolte con i software usati negli studi di dispersione/diffusione degli inquinanti nel sottosuolo. Le simulazioni eseguite potranno essere utilmente confrontate con i risultati che si otterranno con il modello matematico previsionale.

4. La quarta parte del lavoro è costituita dalla descrizione delle campagne di misure svolte sull’impianto di Firenze Certosa e su quello di Shafdan (Israele), grazie alle quali è stato possibile provare gli strumenti e mettere a punto le procedure di laboratorio per ricavare i dati che c’interessano.

5. La quinta ed ultima parte è costituita dal progetto dell’impianto sperimentale sul quale svolgere la raccolta dei dati per calibrare sia la parte idraulica sia la l’intero modello di simulazione.

È da sottolineare l’interdisciplinarietà del lavoro portato a termine. L’uso di strumenti

sviluppati in campo agronomico è stato preceduto da un’analisi dei terreni agrari per

stabilire se effettivamente esistevano delle similitudini con il medium dei sistemi di

fitodepurazione. Anche le analisi di laboratorio rientrano nell’aspetto interdisciplinare del

lavoro: basti pensare che le procedure descritte sono proprie dell’Idrogeologia e non

dell’Idraulica.

Capitolo 1 - Introduzione

Il ricorso a sistemi depurativi naturali dovrebbe essere la scelta obbligata quando il numero di abitanti equivalenti da servire è compreso tra poche decine ed alcune migliaia:

su questi intervalli di utenza i sistemi ad alta tecnologia hanno dimostrato problemi gestionali derivanti dalla difficoltà economica legata ad una gestione continua e specializzata che assicurerebbe un funzionamento più corretto (Masi, 2003).

A queste considerazioni è importante aggiungere il concetto di “depurazione decentralizzata”: per molti insediamenti urbani rurali si potrebbe prevedere il collettamento di numerosi nuclei in grossi impianti consortili che, da un lato garantirebbero il rispetto dei limiti di qualità degli scarichi, ma che dall’altro, richiedono elevate spese di investimento per realizzare le nuove reti fognarie. La depurazione decentralizzata si basa sull’eliminazione di queste spese di investimento, realizzando i trattamenti il più possibile a piè d’utenza. Ragionando in questa ottica, non solo si riducono al minimo i costi e le necessità tecniche ma le acque vengono restituite in modo diffuso sul territorio (Masi, 2003).

Altri problemi sono legati ai lunghi tempi d’attivazione ed alla “moria di fanghi” nei periodi in cui gli impianti biologici tecnologici lavorano sottocarico o sono disattivati del tutto: come esempio, pensiamo ai villaggi rurali quasi abbandonati che in tempi recenti sono stati trasformati in centri turistici che, soprattutto durante l’alta stagione, registrano picchi di presenza turistica (Masi, 2003).

Nel campo applicativo dei piccoli impianti, i sistemi di depurazione naturali sono considerati molto promettenti e la loro diffusione è legata alla possibilità di previsione del processo mediante simulazione matematica.

Tra tutti i sistemi di trattamento naturale, quelli a flusso subsuperficiale si sono rivelati adatti alla rimozione del carico organico ed alla filtrazione dei solidi sospesi. In particolare: i sistemi a flusso verticale risultano più efficienti ma tecnicamente complessi a causa dell’alimentazione discontinua del refluo. Proprio grazie a questo tipo di gestione è possibile ottenere il processo di nitrificazione: il ciclo di funzionamento dell’impianto alterna condizioni di saturazione con esposizioni all’atmosfera. Durante l’esposizione all’atmosfera, il rapido flusso del liquido attraverso il sistema permette una buona ossigenazione di tutti gli strati del medium. L’ondata successiva di refluo intrappola l’aria ed il risultato è l’alternanza di periodi di condizioni ossidanti con periodi di condizioni riducenti e quindi una maggior capacità nitrificante.

È comunque necessario combinare la tipologia impiantistica a flusso verticale con quella a flusso sommerso orizzontale se vogliamo rimuovere l’azoto per denitrificazione.

1.1 Funzione del modello di simulazione

A causa dei numerosi e complessi processi chimici, fisici e biologici, i trattamenti

naturali vengono attualmente progettati con schemi di calcolo empirici che portano a

dimensionamenti di massima: i modelli di progettazione in uso si basano su

considerazioni cinetiche e reattoristiche superficiali che forniscono indicazioni sulle

prestazioni dell’impianto in condizioni medie. La caratteristica principale, che

contraddistingue la tipologia di trattamento a flusso sommerso verticale, è la non

stazionarietà dei processi che, perciò, necessitano di un’analisi matematica più

approfondita. Lo sviluppo di un modello dinamico nasce dalla necessità di riprodurre le

evoluzioni temporali dei processi, allo scopo di ricavare informazioni su quelli più importanti come, ad esempio:

•

tempi di messa a regime dell’impianto;

•

progressivo intasamento del materiale drenante;

•

risposta del sistema a seguito di variazioni di carico organico o idraulico;

•

vita operativa dell’impianto.

Per prevedere il comportamento dei sistemi di fitodepurazione a flusso verticale è stato sviluppato, presso il Dipartimento di Ingegneria Civile, un modello di simulazione che implementa i processi ritenuti fondamentali. Un simile modello può essere usato come supporto della gestione ordinaria e per approfondire, oltre ai fenomeni temporali visti sopra, la conoscenza di molti aspetti essenziali per la progettazione. Alcuni di questi aspetti sono:

•

influenza dei cicli di riempimento-svuotamento sui rendimenti di rimozione;

•

contributo del refluo da trattare, delle macrofite e del materiale drenante nei confronti del rendimento di depurazione;

•

regolazione dei dispositivi di carico e scarico del liquame, per massimizzare i rendimenti e la funzionalità dell’impianto;

•

variazione dei rendimenti in base alle stagioni, al clima ed ai cicli vegetativi delle piante.

1.2 Modello concettuale

I fenomeni che prendono parte al processo depurativo, sono vasti e complessi e perciò non possono essere tutti implementati in un modello. Da un’analisi bibliografica condotta sull’argomento (Iannelli & Fasano) è stato possibile determinare gli aspetti che ricoprono un ruolo fondamentale nel processo e quindi da includere nella modellazione. Gli elementi essenziali, tramite i quali costruire il modello, possono essere raggruppati in due categorie: cinetiche del processo depurativo e schematizzazione idraulica.

Tra gli inquinanti da rimuovere si considerano solo i carichi organici biodegradabili e l’azoto; entrambi vengono degradati ad opera di colonie batteriche adese esclusivamente al medium di riempimento ed all’apparato radicale delle macrofite. In letteratura, infatti, è confermato che l’adsorbimento diretto della componente biodegradabile da parte delle macrofite è trascurabile e che l’assorbimento delle piante sul lungo periodo è poco significativo a causa della chiusura complessiva del bilancio di massa (in alcune fasi del ciclo vitale della pianta vengono restituiti gli inquinanti assorbiti).

Il modello cinetico per la rimozione del carico organico e dell’azoto è simile allo schema internazionale ASM1 dello IAWQ Task Group, già adottato per il processo a fanghi attivi. Secondo lo schema citato, si devono considerare 7 sostanze disciolte nella fase liquida e 6 in sospensione. Le equazioni cinetiche delle 13 materie devono essere integrate ad ogni nodo del reticolo costituito dalla discretizzazione in strati del medium di riempimento.

Le materie disciolte sono riportate alla componente liquida del terreno insaturo mediante

l’equazione di Richards e sono trattate come termini sorgente dell’equazione di

trasporto/diffusione/dispersione.

Le materie particolate si trattano con le equazioni modificate di Iwasaky, Ives e Carman- Kozeny: in questo modo i termini sorgente, legati alla cinetica biochimica ed alla variazione spazio-temporale dell’umidità, non vengono trascurati.

Il modello tiene anche conto dei cicli di riempimento-svuotamento e del ruolo svolto dalle piante sulla permeabilità e sul recapito di ossigeno alle biomasse presenti.

L’implementazione che sta alla base di qualunque modello numerico è la schematizzazione idraulica. Il processo di fitodepurazione a flusso subsuperficiale verticale si basa sulla filtrazione del refluo in un terreno poroso (filtrazione alla Darcy) nel quale è fondamentale considerare il fenomeno di capillarità legato al moto in condizioni insature. Il fenomeno suddetto è regolato dall’Equazione di Richards.

Modellare matematicamente la funzionalità idraulica dell’impianto è essenziale per tenere sotto controllo il noto e temuto progressivo intasamento del materiale drenante e per simulare la diffusione molecolare dell’inquinante disciolto nella fase acquosa:

quest’ultimo fenomeno è solidale al flusso di refluo all’interno del medium di riempimento.

L’impianto è schematizzato come una sovrapposizione discreta di strati orizzontali filtranti, nei quali il flusso avviene in direzione verticale discendente. La schematizzazione monodimensionale verticale è dovuta all’ipotesi (accettabile) che i fenomeni evolutivi e di trasporto in senso orizzontale possano essere trascurati.

1.3 Necessità dello studio

La letteratura scientifica non tratta in modo specifico l’argomento della modellazione dei sistemi di fitodepurazione e le informazioni di cui abbiamo bisogno vanno ricavate partendo da altre ricerche condotte, ad esempio, sui terreni agrari. Analizzando questo tipo di terreno, è possibile trovare delle similitudini con il medium di riempimento del sistema di fitodepurazione: le rassomiglianze che emergono riguardano la diffusione gassosa nel terreno ed il moto dell’acqua nel sottosuolo. Le eguaglianze emerse ci consentono di studiare il moto del refluo nel medium di riempimento con le stesse metodologie di ricerca sviluppate e messe a punto nello studio della diffusione degli inquinanti nel sottosuolo.

A questo punto è importante stabilire quali grandezze influenzano maggiormente il moto del refluo all’interno del mezzo poroso, come si effettuano le misurazioni e come sono in relazione tra loro. Al potenziale matriciale o di pressione del terreno, che è uno dei parametri principali, è legata la portata di refluo immesso nell’impianto ed al suo evolversi nel tempo sono legate le altre due grandezze fondamentali che reggono il problema idraulico: la conducibilità idraulica e l’umidità del materiale drenante. Una volta stabilite le grandezze in gioco, possiamo definire le relazioni empiriche che ci permettono di implementare il processo nel simulatore matematico.

I valori dei parametri da inserire nelle formule empiriche vanno ricavati per mezzo di

codici di calcolo capaci di elaborare i dati raccolti sul campo. Gli strumenti di

misurazione e le analisi di laboratorio adottate derivano dall’Agronomia e

dall’Idrogeologia ed è quindi necessario calibrare i primi ed adattare le seconde ai nostri

problemi. Non bisogna stupirsi se, da alcune analisi, emergono delle limitazioni di

applicabilità: per alcune di esse si rende necessario elaborare procedure più idonee al nostro tipo di studio.

Per accertare se il modello matematico previsionale è coerente e consistente, in un futuro studio di confronto si compareranno delle simulazioni di funzionamento del sistema con altre simulazioni, ottenute con l’ausilio di software capaci di riprodurre la diffusione e la dispersione degli inquinanti nel sottosuolo. La calibrazione della parte idraulica deve essere svolta eseguendo delle prove su un impianto costruito appositamente, sul quale poter variare i parametri gestionali (portata ed intervallo dei cicli). Una struttura del genere deve essere concepita per semplificare sia la raccolta d’informazioni, sia l’utilizzo della strumentazione. Da queste considerazioni è emersa l’esigenza di avere a disposizione un impianto pilota sul quale svolgere prima la fase di caratterizzazione del medium e successivamente la calibrazione del modello matematico.

Riassumiamo in pochi punti chiave gli obiettivi del presente lavoro:

1. individuazione delle analogie tra suoli agrari e sistemi di fitodepurazione per giustificare l’uso dei metodi di indagine sviluppati per i primi, sui secondi;

2. individuazione delle grandezze fondamentali che stanno alla base del movimento dei fluidi nel medium e degli strumenti più adatti a misurarle;

3. studio delle equazioni che regolano il moto di un fluido in un mezzo poroso insaturo;

4. ricerca ed analisi dei programmi di calcolo capaci di elaborare i dati raccolti per caratterizzare il letto drenante e di simulare il moto del refluo all’interno del materiale di riempimento;

5. analisi delle simulazioni di dispersione/diffusione ottenute con i programmi di calcolo;

6. sperimentazione dei metodi di misurazione (strumentali e di laboratorio), per adattare le procedure standardizzate per altre applicazioni ai nostri bisogni;

7. progettazione di un impianto sperimentale sul quale condurre gli studi di ricerca,

le misurazioni dei parametri e la taratura del modello.

Capitolo 2 - La fitodepurazione

Per completezza d’esposizione e per meglio inquadrare la fitodepurazione tra i diversi sistemi di trattamento, riportiamo una descrizione dei processi di depurazione naturale e dei meccanismi di rimozione che svolgono un ruolo fondamentale in questa tecnica depurativa.

La fitodepurazione è un sistema biologico di trattamento che, attraverso la ricostruzione di un ecosistema naturale, rimuove gli inquinanti dalle acque reflue. L’acqua viene depurata tramite la simultanea presenza di processi fisici, chimici e biologici nei quali le piante acquatiche svolgono un ruolo determinante: l’azione può avvenire direttamente e/o tramite dei batteri che si sviluppano sui loro apparati radicali e rizomatosi o nell’ecosistema in cui vivono.

La prima esperienza di questo sistema naturale risale al 1952, anno in cui Seidel realizzò, al Max Planck Institute di Plon, una linea a sperimentale a scopo di ricerca (Seidel, 1955 in Volpe, 2001). Il primo impianto a scale reale è del 1977, ad Othfresen in Germania (Kickuth, 1977 in Volpe, 2001).

La fitodepurazione ha avuto un primo periodo di diffusione applicativa negli anni Settanta, con l’uso di piante acquatiche galleggianti deputate a migliorare le caratteristiche degli effluenti dei sistemi di lagunaggio microfitici. Un secondo periodo di diffusione si è avuto dalla seconda metà degli anni Ottanta, con l’utilizzo di piante acquatiche emergenti come trattamenti secondari e terziari di acque reflue urbane e di alcuni reflui industriali, in impianti superficiali e soprattutto subsuperficiali.

Anche se con tecnologie diverse, la fitodepurazione si ricollega alla land-farming ed alla phyto-remediation che da oltre dieci anni sono utilizzate fra le possibili tecniche di decontaminazione dei siti inquinati (Nottoli, 2003).

2.1 Cenni sui trattamenti naturali

Storicamente le aree umide naturali sono sempre state considerate malsane ed inadatte alla vita umana.

Dal 1800, ed in alcuni casi anche prima, è stato avviato un risanamento delle zone umide:

lo scopo era eliminare il pericolo d’infezioni e recuperare terreni agrari.

Nel XX secolo, le aree umide rimaste erano utilizzate come bacini d’accumulo e come grossolani sistemi di depurazione ma le degradazioni anaerobiche dei liquami determinavano un peggioramento della loro qualità.

Negli ultimi trenta anni si è posta particolare attenzione alla salvaguardia dell’ambiente anche per le generazioni future e con il Trattato di Rio de Janeiro (1992) si è verificato un radicale cambiamento nell’utilizzo delle aree umide.

I principi fondamentali sull’utilizzo delle aree umide sono dettati dalla Convenzione di

Ramsar (1971), nella quale sono promossi i principi dello sviluppo sostenibile e della

conservazione della biodiversità. La tendenza attuale mira ad invertire i processi di

trasformazione e di distruzione delle zone umide.

In base alle caratteristiche costruttive ed allo scopo di realizzazione, è possibile classificare le aree umide, adibite ai trattamenti naturali, in diversi modi.

Aree umide naturali o natural wetlands

Sono aree dove l’acqua impregna la superficie del terreno per un tempo sufficientemente lungo da mantenere condizioni di suolo saturo e relativa vegetazione.

Dal momento che l’interesse ad usare aree umide per il trattamento degli inquinanti è abbastanza recente, il termine “aree umide” è relativamente nuovo e racchiude in sé quelli che per anni sono stati semplicemente definiti acquitrini o paludi.

Le aree umide naturali si possono considerare, per varie ragioni, trattamenti di depurazione: sono l’habitat di una gran varietà di batteri che rimuovono il BOD e l’azoto.

Le condizioni di calma dello specchio d’acqua, inoltre, consentono la sedimentazione dei solidi sospesi inquinanti.

Le aree naturali sono caratterizzate dalla presenza di vegetazione acquatica emergente.

Aree umide ricostruite

Con questo termine ci si riferisce ad aree che in precedenza erano sede di un’area umida artificiale e che sono state modificate o restaurate a scopo naturalistico (aumento della biodiversità, casse di espansione, obiettivi ricreativi e didattici, mantenimento e conservazione di particolari specie floristiche o faunistiche, diminuzione del carico inquinante che drena nel vicino corpo idrico recettore).

Aree umide artificiali o constructed wetlands (CW)

Si definiscono così le aree umide realizzate con il preciso scopo di ridurre l’inquinamento idrico in siti che possono essere diversi da zone umide naturali esistenti.

Il sinonimo di “impianti di fitodepurazione” si usa spesso per queste aree.

La costruzione di zone umide artificiali può offrire, in alcuni casi, dei vantaggi rispetto a quelle naturali: in particolare si possono ottimizzare i flussi idraulici, dimensionare le aree e scegliere le specie vegetali.

Ecosistemi filtro

Possono essere indistintamente aree umide naturali o artificiali; sono realizzate per ridurre l’inquinamento diffuso che drena nell’adiacente corpo idrico recettore.

2.2 Processi naturali di depurazione

I processi naturali di depurazione sono storicamente le prime soluzioni alle quali si è

ricorsi per risolvere il problema delle acque reflue. L’uso di deiezioni a scopo

fertilizzante è una pratica datata prima del Medioevo ed agli inizi del 1900, in grandi città

come Parigi, Berlino e Milano, era ancora attiva la prassi di usare a scopo fertirriguo le

acque di scolo.

L’Italia, rispetto agli altri paesi europei, ha avuto un notevole ritardo nello sviluppo e nella diffusione delle tecniche naturali di depurazione, nonostante siano presenti condizioni meteoclimatiche più favorevoli se confrontate, ad esempio, con i paesi nordeuropei.

La causa principale che ha determinato questo ritardo è da ricercare nella mancanza di riferimenti normativi che prendessero in considerazione questa tipologia impiantistica.

Il punto di svolta è segnato dal Decreto Legislativo n. 152/99

e successive modifiche ed integrazioni, che recepisce le direttive europee 91/271/CEE

e 91/676/CEE

. Tra gli obiettivi del Decreto vi è quello di incentivare, dove possibile, l’uso di tecniche depurative naturali, quali la fitodepurazione ed il lagunaggio. Nell’Allegato 5 del Decreto si legge: “Per tutti gli agglomerati con popolazione equivalente compresa tra 50 e 2000 a.e., si ritiene auspicabile il ricorso a tecnologie di depurazione naturale quali il lagunaggio o la fitodepurazione, o tecnologie come i filtri percolatori o impianti ad ossidazione totale”.

L’accezione più rigorosa del termine “sistema naturale di depurazione” indica un processo che avviene senza ricorrere a macchine o energie esterne, cosa che effettivamente avveniva nel passato. In chiave più moderna, ossia con il D. Lgs. n.

152/99, non è possibile preservare l’integrità di questo concetto ma bisogna annoverare tra i sistemi naturali le seguenti pratiche (Vismara, 2001):

ƒ

subirrigazione;

ƒ

fertirrigazione per scorrimento superficiale, a goccia o ad adacquamento;

ƒ

lagunaggio biologico aerobico, anaerobico, facoltativo;

ƒ

fitodepurazione in tutte le sue applicazioni.

Molti dei trattamenti elencati sopra hanno subito, dopo gli anni Trenta, una riduzione d’applicazione soprattutto nei paesi economicamente sviluppati. La difficoltà maggiore che un sistema naturale presenta sta nella richiesta di enormi spazi. Volendo fare un confronto immediato, basti sapere che un trattamento secondario di fitodepurazione richiede un ingombro di 5000m

/1000a.e. mentre per un sistema a fanghi attivi sono sufficienti 300m

/1000a.e. Dal raffronto emerge il perché di applicazioni su scala piccola di sistemi naturali (Vismara, 2001).

Per evitare preconcetti sbagliati, è bene evidenziare che su piccola e piccolissima scala l’efficacia di un sistema naturale è comparabile con quella di un sistema tecnologico, anche se evidentemente le stagioni calde ed i climi secchi mediterranei contribuiscono a migliorare le prestazioni.

Per gli interventi naturali si può fare la seguente schematizzazione (Tabella 1):

1

Disposizioni sulla tutela delle acque dall’inquinamento.

2

Trattamento delle acque reflue urbane.

3

Protezione delle acque dall’inquinamento provocato dai nitrati provenienti da fonti agricole.

Tipo di inquinamento

Intervento di trattamento

naturale Categoria di intervento

Lagunaggi Impianti subsuperficiali

Impianti superficiali “tecno”

Inquinamento puntuale

Impianti superficiali polivalenti

Fitodepurazione

Adattamento vie d’acqua esistenti

Fasce buffer

Ecosistemi filtro Inquinamento

diffuso

Coltivazioni polivalenti (marcite, ecc.)

Tabella 1 - Classificazione degli interventi naturali (Malcevschi, 2001)

I trattamenti di fitodepurazione meritano un discorso a parte perché riuniscono in un’unica applicazione gli obiettivi di miglioramento di qualità delle acque di scarico e la realizzazione di un’area con valenze paesaggistiche, naturalistiche e, raramente, ricreative.

2.3 Generalità sui sistemi di fitodepurazione

Il punto 2 dell’articolo 31 (Scarichi in acque superficiali) del D. Lgs. n. 152/99 specifica che: “Gli scarichi di acque reflue urbane che confluiscono nelle reti fognarie, provenienti da agglomerati con meno di 2000 abitanti equivalenti e recapitanti in acque dolci ed in acque di transizione e gli scarichi provenienti da agglomerati con meno di 10000 abitanti equivalenti, recapitanti in acque marino-costiere sono sottoposti ad un trattamento appropriato, in conformità con le indicazioni dell’Allegato 5, entro il 31 Dicembre 2005”.

I trattamenti appropriati, secondo l’Allegato 5, “devono essere individuati con l’obiettivo di:

a) rendere semplice la manutenzione e la gestione;

b) essere in grado di sopportare adeguatamente forti variazioni orarie del carico idraulico ed organico;

c) minimizzare i costi”.

Come riportato in precedenza, nell’Allegato 5 del Decreto si legge: “Per tutti gli agglomerati con popolazione equivalente compresa tra 50 e 2000 a.e., si ritiene auspicabile il ricorso a tecnologie di depurazione naturale quali il lagunaggio o la fitodepurazione, o tecnologie come i filtri percolatori o impianti ad ossidazione totale”.

Gli impianti di fitodepurazione rispondono bene a queste indicazioni ed è per questa ragione che anche in Italia, sulla base delle esperienze europee e nordamericane, si studia l’applicabilità della fitodepurazione ai trattamenti delle acque reflue civili.

In senso generale, il termine fitodepurazione può indicare qualunque processo in cui si fa uso di organismi fotosintetici, comprese le microfite (sostanzialmente microalghe).

Usualmente, però, il termine è utilizzato per indicare unicamente quei processi fondati

sull’attività di macrofite acquatiche

: questa distinzione ci consente di differenziare i

“trattamenti di fitodepurazione” così definiti da quelli che tradizionalmente appartengono alla famiglia dei “trattamenti di lagunaggio” e degli “stagni biologici”.

I trattamenti di fitodepurazione si distinguono per le componenti naturali e, in genere, richiedono un limitato input di energia elettrica dall’esterno.

Gli ecosistemi naturali sono caratterizzati dall’elevata variabilità delle componenti funzionali e dei percorsi idraulici: ciò rende difficoltoso definire dei criteri razionali per un uso ricorrente. La crescita spontanea sul terreno è limitata da fattori naturali quali luce, acqua e nutrienti mentre nei sistemi artificiali di fitodepurazione si può ricorrere ad un medium di crescita ed in fase di progetto si possono predefinire le condizioni di flusso e le macrofite (Brix & Schierup, 1989 in Bonomo, 1996; Brix, 1991, 1993a in Bonomo, 1996). In questo modo gli ecosistemi artificiali sono gestiti in maniera più controllata: le prestazioni tipiche naturali sono esaltate ed il funzionamento globale non viene compromesso, rimanendo simile a quello degli ecosistemi naturali (Wetzel, 1993 in Bonomo, 1996).

Le aree umide artificiali possono trovare applicazione in diversi stadi del percorso depurativo al quale i reflui vengono sottoposti, grazie alla possibilità di poter essere posizionate in qualunque fase del trattamento complessivo.

La tecnologia della fitodepurazione è generalmente applicata in due stadi del processo:

per compiere trattamenti secondari e di affinamento.

Per chiarezza d’esposizione, definiamo le fasi di depurazione usando la terminologia comunemente adottata (Metcalf & Eddy, 1991):

¾

Trattamento preliminare: consiste nella rimozione dei componenti inquinanti che causano problemi alle operazioni di trattamento, ai processi ed alle opere accessorie in dotazione all’impianto. Le operazioni preliminari comprendono, ad esempio, vagliatura e frantumazione di detriti e stracci, rimozione della sabbia e flottazione di oli e grassi.

¾

Trattamento primario: una porzione dei solidi sospesi e della materia organica viene rimossa del refluo tramite operazioni di sedimentazione e vagliatura. I trattamenti primari attuati con tecniche avanzate consentono una parziale biodegradazione dei composti organici. Per realizzare questo trattamento si fa uso di chiarificatori, vasche settiche e fosse Imhoff. L’effluente in uscita dal trattamento primario conterrà materia organica ed avrà concentrazione di BOD relativamente alta.

¾

Trattamento secondario: è il trattamento principale tramite il quale si rimuove la componente organica biodegradabile ed i solidi sospesi. Le tecnologie più comuni usate in questa fase del trattamento comprendono, ad esempio, i fanghi attivi, i biodischi ed i letti percolatori.

¾

Trattamento di affinamento: quest’ultima fase, spesso definita trattamento terziario, ha lo scopo di rimuovere la materia organica, i composti tossici ed i solidi sospesi. Anche la disinfezione appartiene a questo stadio di trattamento.

4

Piante acquatiche vascolari, organismi vegetali superiori in cui si distinguono un sistema radicale, uno

fotosintetizzante ed uno deputato al trasporto.

I diversi sistemi depurativi che si possono realizzare dipendono dalle caratteristiche costruttive dell’habitat naturale ricostruito artificialmente e dalle particolari macrofite acquatiche che hanno modo di svilupparsi.

Tra le idrofite e le colonie batteriche adese si instaura una cooperazione che riveste un ruolo importante per i processi biologici, chimici e fisici attuati per rimuovere gli inquinanti: sulle idrofite stesse si sviluppano delle colonie batteriche altamente produttive, con la conseguente capacità di degradazione della sostanza organica e di trasformazione dei nutrienti (Brix, 1993a in Bonomo, 1996).

La presenza della vegetazione mitiga il microclima nelle vicinanze del medium, riducendo la velocità del vento e l’incidenza dei raggi solari. La temperatura del medium, rispetto ad un impianto non piantumato, risulta più alta in inverno e più bassa in estate.

I trattamenti di fitodepurazione in uso sono molteplici e le definizioni non sono standardizzate. I diversi processi possiamo suddividerli come segue (Figura 1):

1. trattamenti di fitodepurazione mediante idrofite emergenti:

1.1. a flusso subsuperficiale orizzontale (Figura 1.a);

1.2. a flusso subsuperficiale verticale (Figura 1.b);

1.3. a flusso superficiale (Figura 1.c);

2. trattamenti di fitodepurazione mediante idrofite galleggianti (Figura 1.d);

3. trattamenti di fitodepurazione mediante idrofite sommerse (Figura 1.e);

4. sistemi di fitodepurazione integrati.

Figura 1 - Trattamenti di fitodepurazione in uso: a) a flusso subsuperficiale orizzontale, b) a flusso subsuperficiale verticale, c) a flusso superficiale, d) con idrofite galleggianti, e) con idrofite sommerse

(Bonomo, 1996)

La maggior parte dei sistemi di fitodepurazione a flusso superficiale e subsuperficiale

trovano applicazione per reflui di tipo domestico o assimilabile (centri commerciali,

centri turistici, centri ricreativi, ecc.) ma non mancano esempi di utilizzo differenti (reflui

industriali, acque meteoriche e di drenaggio dei terreni agrari) anche su vasta scala.

Confrontando i sistemi di fitodepurazione con i trattamenti convenzionali, emergono, a favore dei primi, vantaggi quali la semplicità di costruzione e di esercizio, i bassi costi di esercizio, la ridotta manutenzione, la gestione da parte di personale non altamente qualificato e la maggior resistenza agli shock di carico organico. Altro vantaggio non trascurabile degli ecosistemi artificiali è il fatto di poterli realizzare ovunque, senza essere limitati dalla disponibilità e dalla vicinanza al luogo di produzione del refluo.

Di contro, il calo di rendimento che si ha nei mesi freddi e per certi tipi di effluenti, aumenta notevolmente la richiesta di aree da destinare all’impianto.

Tra i vari metodi di trattamento naturale delle acque reflue, è da sottolineare che quelli a flusso subsuperficiale sono attualmente visti con maggior interesse, specialmente in Europa. I motivi di questo interesse sono dovuti essenzialmente ai seguenti aspetti (Iannelli, 2001):

•

i sistemi a flusso sommerso, essendo sprovvisti di uno specchio liquido esterno, riducono alcuni problemi legati all’impatto ambientale (proliferazione di insetti, generazione di odori sgradevoli, ecc.).

•

le macrofite presenti aggiungono valore all’impianto se confrontato con i sistemi che ne sono sprovvisti: l’impatto ambientale è minore ed il processo depurativo ne trae miglioramento. Anche alcuni aspetti all’apparenza secondari traggono benefici dalla presenza delle piante: lo stato di salute delle piante, ad esempio, porta alla luce zone poco irrorate dal liquame.

•

i processi di filtrazione volti alla rimozione dei solidi risultano più efficaci ed il supporto offerto dal medium consente lo sviluppo di biomasse adese molto efficienti.

2.3.1 Sistemi a flusso subsuperficiale orizzontale (HF)

La caratteristica principale di questa tipologia impiantistica è il flusso continuo che attraversa il sistema mantenendolo costantemente saturo (Figura 2). Le applicazioni sono volte ad ottenere la rimozione della sostanza organica, la denitrificazione e la parziale rimozione del fosforo.

Gli impianti che si trovano descritti in letteratura, si sono dimostrati affidabili nei riguardi della rimozione del carico organico, dei solidi sospesi e del carico microbico, indipendentemente da variazioni anche considerevoli del carico idraulico, delle caratteristiche di composizione delle acque in ingresso e delle temperature esterne.

Gli impianti a flusso sommerso orizzontale esistenti sul territorio nazionale sono, in larga maggioranza, dimensionati con i criteri dettati dalla letteratura internazionale: E.P.A.

(1993), Cooper P.F. (1990, 1993), Reed et al. (1995), Kadlec & Knight (1995).

Le prestazioni migliori si ottengono con un riempimento di ghiaia del diametro inferiore a 10 mm ed un’area specifica che varia tra 2.5 e 5 m

/a.e.; la pendenza del fondo non supera mai il 2% e la profondità media del medium è di 0.70 m (Del Bubba, 2000;

Garuti, 2000; Masi, 1999; Pucci, 2001; Conte, 2001; Masi, 2002).

Se l’area specifica non supera i 5 m

/a.e., il rendimento di rimozione dell’azoto

ammoniacale (N-NH

), che si ottiene utilizzando i dati di letteratura, non supera il 60-

70%; in denitrificazione si ottengono valori più elevati, soprattutto nei mesi estivi (Del

Bubba, 2000; Garuti, 2000; Masi, 1999).

Figura 2 - Modello schematico di una vasca di fitodepurazione a flusso subsuperficiale orizzontale (Volpe, 2001)

2.3.2 Sistemi a flusso subsuperficiale verticale (VF)

I sistemi a flusso sommerso verticale sono sempre più adottati anche in Italia, dove trovano impiego a livello di piccoli impianti o come stadi ossidativi in impianti ibridi multistadio, per ottenere un’adeguata nitrificazione (Figura 3).

Lo strato di riempimento è sottoposto ad un’alternanza di condizioni sature e di esposizioni all’atmosfera che ne favoriscono l’aerazione. Il letto drena liberamente consentendo la saturazione e la successiva ondata di liquido intrappola l’aria che, assieme all’aerazione provocata dal rapido flusso attraverso il sistema, consente una buona ossigenazione. La notevole diffusione dell’ossigeno anche negli strati più profondi consente di alternare periodi di condizioni ossidanti a periodi di condizioni riducenti: la conseguenza è una maggior capacità nitrificante.

Figura 3 - Modello schematico di una vasca di fitodepurazione a flusso subsuperficiale verticale

Le esperienze italiane, normalmente riempite con sabbia grossolana (0.05-0.1 mm) o con lisetta (0.1-0.5 mm) ed alimentate in discontinuo con pompe elettromeccaniche o sifoni di cacciata, mostrano elevate capacità di nitrificazione.

Gli impianti italiani, per il trattamento secondario di reflui civili o domestici, sono realizzati con coefficienti d’area di 2-5 m

/a.e. e le macrofite maggiormente utilizzate sono le Phragmites australis.

Con le indicazioni di letteratura (3 m

/a.e., 60 cm di sabbia grossolana, carico di 50 litri/m

·giorno) è possibile ottenere le seguenti percentuali di rimozioni (Tabella 2):

azoto ammoniacale 60-90%

COD 92-99.9%

BOD

97-99%

Tabella 2 - Percentuali di rimozione in impianti VF con parametri di letteratura (Bonomo, 1996)

2.4 Situazione italiana

Come si può notare dalla cartina di Figura 4, la maggior parte degli impianti di fitodepurazione è concentrata al Centro ed al Nord Italia, soprattutto fra Toscana, Veneto ed Emilia Romagna: le autorità locali di queste regioni si sono dimostrate particolarmente recettive all’accettazione di questi impianti.

Figura 4 - Distribuzione geografica degli impianti di fitodepurazione in Italia (Masi, 2002)

Nella Figura 5 sono riportate le varie tipologie impiantistiche, realizzate singolarmente o combinate tra loro.

6%

3% 7%

10% 4%

7% 1%

1%

61%

ALTRI RCW

ZONE TAMPONE HF+FWS HF+VF+FWS HF+VF FWS VF

Figura 5 - Diffusione delle diverse tipologie di impianti di fitodepurazione in Italia (Masi, 2003)

Le diverse sigle indicano:

•

HF: sistema a flusso sommerso orizzontale, detto anche a flusso subsuperficiale orizzontale;

•

RCW: zona umida ricostruita;

•

FWS: sistema a flusso libero;

•

VF: sistema a flusso sommerso verticale, detto anche a flusso subsuperficiale verticale.

L’impianto più utilizzato è il sistema a flusso subsuperficiale orizzontale (HF), preferito per la semplicità di realizzazione e di gestione. Entrambi i sistemi a flusso subsuperficiale (HF e VF) sono, per la maggior parte dei casi, installati come stadio di trattamento secondario per i reflui domestici o civili.

I sistemi a flusso libero (FWS) sono impiegati per realizzare stadi di trattamento terziari di impianti biologici esistenti (fanghi attivi, biodischi, ecc.), o come stadio finale in impianti di fitodepurazione ibridi, per favorire la disinfezione dell’effluente e per raffinare il processo depurativo ai fini del riuso agrario o industriale delle acque trattate.

Come trattamenti a “tecnologia leggera”, la Regione Veneto ha condotto delle esperienze utilizzando zone seminaturali (NW) o ricostruite (RCW).

2.5 Meccanismi di rimozione

I meccanismi depurativi della fitodepurazione vengono svolti indipendentemente dal tipo di applicazione. Di conseguenza, i vari meccanismi descritti nel seguito potranno essere attivi in tutti i sistemi ovvero esclusivamente in alcuni.

I processi biologici attraverso i quali avviene la rimozione degli inquinanti sono di tipo

biologico, chimico e fisico. In Tabella 3, in base alle diverse forme di inquinamento,