Trattamento dei reflui mediante fitodepurazione e riuso agricolo nell’azienda agrituristica Valle dei Margi

Seminario dei risultati intermedi del progetto di ricerca:

Gestione sostenibile di impianti di ulivo attraverso tecniche di irrigazione deficitaria e uso di acque reflue – H2Olivo

Trattamento dei reflui mediante fitodepurazione e riuso agricolo nell’azienda agrituristica Valle dei Margi

Prof. Giuseppe Luigi Cirelli - Dott. Mirco Milani

Università degli Studi di Catania

giuseppe.cirelli@unict.it - mirco.milani@unict.it

con il contributo di:

WEBINAR 10 Novembre 2020

Premessa



Il riuso irriguo delle acque reflue trattate rappresenta, per il settore agricolo, la possibilità di disporre di una risorsa idrica aggiuntiva non legata alla stagionalità, garantendo una maggiore stabilità delle produzioni rispetto ai rischi causati dai cambiamenti climatici



La pratica del riuso di acque reflue è subordinata alle normative (spesso stringenti) nazionali



L’uso pianificato e controllato delle acque reflue comporta la necessità di

sottoporre queste acque ad idonei livelli di trattamento al fine di ridurre o

eliminare il potenziale rischio igienico sanitario connesso alla qualità delle acque

utilizzate.

D.M. 185/2003: Riuso delle acque reflue trattate

Regolamento (UE) 2020/741 per il riuso delle acque reflue in agricoltura

Allegato 1/Tabella 1 – Classi di qualità delle acque depurate e tecniche di utilizzo

e di irrigazione agricole consentite

Allegato 1/Tabella 2 – Prescrizioni di qualità delle acque depurate a fini di irrigazione agricola

Le acque depurate saranno considerate conformi alle prescrizioni di cui alla tabella 2 se le misurazioni soddisfano tutti i seguenti criteri:

• i valori indicati per E. coli, Legionella spp. e nematodi intestinali sono rispettati in almeno il 90 % dei campioni. Nessuno dei valori dei campioni può eccedere la deviazione massima ammissibile di 1 unità logaritmica rispetto al valore indicato per E. coli e Legionella e il 100 % del valore indicato per i nematodi intestinali;

• i valori indicati per BOD₅, SST e torbidità nella classe A sono rispettati in almeno il 90 % dei campioni. Nessuno dei valori dei campioni può eccedere la deviazione massima ammissibile del 100 % del valore indicato.

Regolamento (UE) 2020/741 per il riuso delle acque reflue in agricoltura

Sustainable sanitation (Ingegneria sanitaria sostenibile)

Riuso delle acque reflue (il più vicino possibile al punto di origine) e recupero di

sostanze fertilizzanti

Separazione alla fonte della sostanza organica di origine fecale (acque nere e

acque grigie) nei nuovi edifici

Fonte: Masi et al., 2018

Tecnologie di trattamento dei reflui a basso costo e a basso impatto ambientale Impianti di trattamento decentralizzati adattabili

alle diverse situazioni economiche e sociali

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:

substrato, vegetazione e microrganismi

Interesse applicativo dei sistemi dei fitodepurazione



Relativa facilità di realizzazione anche da imprese locali;



Assenza (quasi sempre) di apparecchiature elettro-meccaniche;



Produzione di fanghi molto modesta;



Semplicità ed economicità di gestione e manutenzione;



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



Ottima capacità “buffer” per assorbire punte di carico idraulico ed organico;



Buon inserimento ambientale;



Possibilità di recupero di aree marginali;



Promozione della conservazione della biodiversità.

Sistema a flusso superficiale (FWS)

Flusso superficiale

Flusso sub-superficiale

• Sistema a flusso sub-

superficiale orizzontale (H-SSF) • Sistema a flusso sub-

superficiale verticale (V-SSF)

Fonte: http://www.globalwettech.com

Fitodepurazione: classificazione in funzione del regime idraulico

Macrofite

galleggianti radicate sommerse radicate emergenti

Le macrofite sono piante vascolari che possiedono la capacità di crescere e riprodursi in

acqua o vivere su un substrato che, per periodi più o meno prolungati, è carente di

ossigeno poiché la sua macroporosità è occupata dall’acqua

Il progetto H2Olivo – WP.2



Valutare l’efficienza depurativa di un sistema di fitodepurazione per il riuso delle acque reflue a scopo irriguo in campo olivicolo;



Valutazione dell’efficienza idraulica del sistema mediante prove di conducibilità idraulica a saturazione.

Obiettivi Realizzativi (O.1)

Le attività sperimentali, previste dal WP.2 “Tecniche di irrigazione deficitaria e uso di acque

fitodepurazione a servizio dell’azienda agrituristica Valle dei Margi.



Definizione di un protocollo per la gestione di un impianto di fitodepurazione, le cui acque siano destinate all’irrigazione di colture olivicole;



Definizione di procedure per la determinazione delle conducibilità idraulica a saturazione nei substrati utilizzati negli impianti di fitodepurazione;



Messa a punto di indicazioni tecniche per la realizzazione, gestione e monitoraggio di un sistema di fitodepurazione per piccoli insediamenti finalizzato al trattamento e recupero delle acque reflue per l’irrigazione di colture olivicole.

Risultati attesi

Agriturismo Valle dei Margi – Grammichele (CT)

Grammichele

L'Azienda agrituristica Valle dei Margi, ubicata nel territorio comunale di Grammichele, si sviluppa su una superficie aziendale di circa 18 ettari

Svolge le attività agrituristiche di:

- ricezione;

- somministrazione sul posto di pasti;

- vendita diretta di prodotti agricoli;

- attività ricreative, culturali, divulgative, ecc.

Dispersione nel terreno quale sistema di trattamento e nel contempo di smaltimento finale

trattamento preliminare e primario

(fossa settica, fossa Imhoff sistema individuale aerazione prolungata)

dispersione nel terreno

assorbimento in falda

Sistema di subirrigazione nel terreno con trincee drenanti per insediamenti isolati.

fossa settica

trincea di subdispersione

Agriturismo Valle dei Margi – Sistema di trattamento e smaltimento (stato iniziale)

Agriturismo Valle dei Margi – Schema sistema di trattamento (progetto)

H-SSF + FWS

Agriturismo Valle dei Margi – Ubicazione Impianto di fitodepurazione

CORPI DI FABBRICA B1 e B2 CORPO DI FABBRICA C

IMPIANTO DI FITODEPURAZIONE

CORPO DI FABBRICA A

EDIFICIO PL R&B AAV Addetti Totale

AE COT

n.ro AE n.ro AE n.ro AE n.ro AE n.ro g BOD₅/giorno

A 30 30 200 50 15 6,3 86,3 5.178

B1 50 8 2 0,4 8,4 504

B2 170 28.3 2 0,8 29,1 1.746

C 20 20 1 0,4 20,4 1.224

Totale 50 50 200 50 220 36.3 20 7,9 144,2 8.652

PL: Posti letto

R&B: Ristorazione & bar

AAV: attività agrituristiche varie: ricreative, culturali, sportive, divulgative ecc. (sono indicati il numero di utenti); vendita diretta di prodotti agricoli; fattoria didattica con attività di degustazione ed assaggio di prodotti aziendali

AE: abitanti equivalenti, 1 AE = 60 g BOD₅/giorno COT: Carico organico totale

Agriturismo Valle dei Margi – Caratteristiche quali/qualitative reflui

Produzione massima giornaliera di acque reflue da avviare al sistema di trattamento e smaltimento pari a circa 30 m

/giorno .

Il liquame in ingresso al sistema di trattamento presenterà un concentrazione in termini

di BOD

pari circa 290 mg/L.

Agriturismo Valle dei Margi – Dati progettuali

1. Concentrazione di sostanza organica in termini di BOD

nel liquame in ingresso al sistema di trattamento primario pari a circa 290 mg/L 2. Rimozione di sostanza organica nella fase di trattamento primario

(degrassatore + vasca tipo Imhoff) pari a circa il 10%;

3. Concentrazione di BOD

nel liquame in ingresso al sistema di fitodepurazione pari a circa 260 mg/L (concentrazione media in ingresso al letto di fitodepurazione H-SSF);

4. Concentrazione di BOD

nel liquame in uscita dal sistema di fitodepurazione H-SSF pari a circa 50 mg/L (concentrazione in ingresso al letto FWS);

5. Concentrazione di BOD

nel liquame in uscita dal sistema di

fitodepurazione FWS pari a 20 mg/L .

Agriturismo Valle dei Margi – Impianto di fitodepurazione H-SSF+FWS

Superficie letto H-SSF= 350 m

Superficie letto FWS = 180 m

Vista dell’impianto di fitodepurazione dopo un anno di esercizio (2013)

Vista dell’impianto di fitodepurazione a maggio 2019

Diffusione della Phragmites australis su sponde e bacino FWS

Intasamento della sezione d’ingresso

Isolate piante di Cyperus papyrus e Carex Schoenoplectus

Estese fallanze di Iris pseudacorus

Manutenzione straordinaria dell’impianto di fitodepurazione

Sostituzione della tubazione di distribuzione dei reflui in H-SSF

Sfalcio della Phragmites australis Sostituzione del medium di riempimento

nella sezione d’ingresso di H-SSF

Messa a dimora di piante di Cyperus papyrus, Canna

indica e Iris pseudacorus

Impianto di fitodepurazione – stato di fatto

Attività sperimentale fitodepurazione: metodologia (1)

1 2 3

• Frequenza di campionamento acque reflue:

• Quindicinale/Mensile

• Punti di campionamento:

Imhoff

FWS H-SSF

FWS

Irrigazione oliveto

1. Ingresso H-SSF;

2. Uscita H-SSF;

3. Uscita FWS.

• Parametri rilevati sui campioni:

• pH, C.E., SST, BOD₅, COD, N-NH₄, N-NO₂, N-NO₃, Ntot, P-PO₄

• Valutazione dell’efficienza di rimozione:

• E = Efficienza di rimozione (%);

• C_in = Concentrazione parametro in ingresso (mg/L);

• C_out = Concentrazione parametro in uscita (mg/L).

 

 100

 

in o ut in

C C E C

Tubo in PE→ 6,6 L (Volume)

Valvola a sfera

(Per assicurare la modalità impulsiva richiesta dalla prova)

Sonda di pressione (Acquisizione dati)

Permeametro (Tubo in acciaio) Conducibilità Idraulica a saturazione (K_s) - è

l’altezza d’acqua che si muove in una sezione di suolo saturo nell’unità di tempo (m · s^-1)

METODO FALLING HEAD

Il valore K_s tende a decrescere in condizioni di

intasamento del letto

Attività sperimentale fitodepurazione: metodologia (2)

• Misure di conducibilità idraulica a saturazione:

Le misure di conducibilità idraulica a saturazione

sono state condotte a Marzo 2020 su 9 punti (4 ripetizioni) di misurazione

posti a 0,5 m da ogni piezometro all’interno del

letto di fitodepurazione

Dati climatici

Elaborazioni eseguite sui dati rilevati dalla stazione SIAS di Caltagirone

Temperature

variabili tra -2,0 °C (Febbraio 2020) e 41,6 °C (Agosto 2020) con una media, nel periodo Maggio 2019 – Settembre 2020, di 18,7 °C

-4 4 12 20 28 36 44

0 20 40 60 80 100 120

mag-19 giu-19 lug-19 ago-19 set-19 ott-19 nov-19 dic-19 gen-20 feb-20 mar-20 apr-20 mag-20 giu-20 lug-20 ago-20 set-20 Temperatura (C°)

Precipitazione (mm)

Precipitazioni Tmax Tmedia Tmin

Precipitazioni

Concentrate nel periodo Settembre – Novembre 2019 (635 mm) Nel periodo Maggio 2019 – Settembre 2020 si evidenziano 340 giorni privi di precipitazioni

Risultati: Copertura vegetale

La Canna indica e l’’Iris pseudacorus hanno evidenziato, nel corso del 2020, un decremento della densità di piante.

Le cause sono ascrivibili:

1. all’alimentazione non costante dell’impianto;

2. elevate temperature registrate durante il periodo primaverile – estivo;

3. sviluppo di erbe infestanti.

8

48

14 42

25 19

372

12 328

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Canna indica Cyperus papyrus Iris pseudacorus Densità (n. piante/m2 )

set-19 dic-19 set-20

Canna indica Cyperus papyrus Iris psudacorus

Risultati: Conducibilità Elettrica e pH

Conducibilità Elettrica

Gli elevati valori rilevati nelle acque reflue primarie sono da ascrivere alle acque convenzionali con le quali vengono alimentati i servizi igienici dell’agriturismo.

pH

Ha presentato una scarsa variabilità, con valori compresi tra 6,1 (ingresso H-SSF) e 7,8 (uscita FWS) e medie complessivamente prossime alla neutralità.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

set-19 ott-19 nov-19 dic-19 gen-20 feb-20 mar-20 apr-20 mag-20 giu-20 lug-20 ago-20 set-20 ott-20

C. E. (μS cm-1)

IN H-SSF OUT FWS

5 5,5 6 6,5 7 7,5 8

set-19 ott-19 nov-19 dic-19 gen-20 feb-20 mar-20 apr-20 mag-20 giu-20 lug-20 ago-20 set-20 ott-20

pH

IN H-SSF OUT FWS

Risultati: Concentrazioni parametri chimico – fisici (1)

162

432

746

31 38 71

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

SST BOD5 COD

Concentrazioni medie (mg/L)

Ingresso H-SSF Uscita H-SSF Uscita FWS

Le concentrazioni di SST in INGRESSO all’impianto di trattamento sono risultate

variabili tra 41 e 235 mg/L

Le concentrazioni di SST in USCITA all’impianto di trattamento sono risultate

variabili tra 10 e 56 mg/L

Nella vasca FWS, a causa della proliferazione algale, sono state rilevate concentrazioni di SST e sostanza organica in ingresso confrontabilicon quelle in uscita

Risultati: Concentrazioni parametri chimico – fisici (2)

Il primo stadio di trattamento (H-SSF) ha confermato la sua efficienza nei processi di ammonificazione e denitrificazione mentre, nel

sistema a flusso superficiale, è stato

prevalentemente osservato, come prevedibile, il processo di nitrificazione

60

115

34

5 6 11

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

N-NH4 Ntot P-PO4

Concentrazioni medie (mg/L)

Ingresso H-SSF Uscita H-SSF Uscita FWS

La rimozione degli ortofosfati, è risultata principalmente legata all’incremento della

copertura vegetale che ha assimilato direttamente il nutriente dalle acque.

Risultati: Efficienza di rimozione dei parametri chimico - fisici

Elevate efficienze di rimozione per la totalità dei parametri indagati

Le maggiori efficienze di rimozione sono state rilevate nel primo stadio di trattamento

fitodepurativo (H-SSF)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

SST COD BOD5 N-NH3 N-NO2 N-NO3 N-org Ntot P-PO4

Limite D.Lgs. 152/2006 per lo scarico in

corpo idrico superficiale⁽¹⁾

% campioni entro limiti D.Lgs.152/2006

Limite D.M. 185/2003 per il riuso agricolo

% campioni entro limiti D.M.185/2003

SST 150 mg/L⁽²⁾ 10 mg/L

Ingresso H-SSF 38 0

Uscita FWS 100 25

BOD5 25 mg/L 20 mg/L

Ingresso H-SSF 0 0

Uscita FWS 38 38

COD 125 mg/L 100 mg/L

Ingresso H-SSF 0 0

Uscita FWS 75 75

Ntot 15 mg/L⁽³⁾ 35 mg/L

Ingresso H-SSF 0 0

Uscita FWS 100 100

(1) Le analisi sugli scarichi provenienti da lagunaggio o fitodepurazione devono essere effettuate su campioni filtrati;

(2) limite di 150 mg/L per gli impianti di fitodepurazione e lagunaggio;

(3) limite valido solo per le aree sensibili.

Risultati: Conformità ai limiti normativi

Il superamento dei limiti normativi è stato principalmente rilevato nei campioni prelevati in seguito ad eventi in grado di alterare l’attività della

flora battericapresente nell’impianto di fitodepurazione (manutenzione straordinaria;

mancato o ridotto afflusso di reflui a causa dell’assenza o ridotta presenza di clienti in azienda).

Il trattamento di fitodepurazioneha determinato un sostanziale incremento delle

percentuali di campioni conformi ai limiti legislativi

Risultati: Confronto tra le efficienze di rimozione 2013 e 2019/20

L’intervento di manutenzione straordinaria, eseguito nel corso del 2019, è stato in grado di ripristinare la piena funzionalità dell’impianto di fitodepurazione dimostrata dalla

confrontabilità tra i dati rilevati nel corso del periodo d’indagine 2019/2020 e quelli rilevati nel 2013, ad un anno dall’entrata in esercizio dell’impianto

Parametri Periodo Numero campioni

Concentrazione media Efficienza di rimozione complessiva Ingresso H-SSF Uscita FWS

(mg/L) (mg/L) (%)

SST 09/2019 – 09/2020 8 162 31 82

05/2013 – 09/2013 5 180 36 80

COD 09/2019 – 09/2020 8 746 71 90

05/2013 – 09/2013 5 887 71 92

BOD5 09/2019 – 09/2020 8 432 38 90

05/2013 – 09/2013 5 514 37 93

N-NH3

09/2019 – 09/2020 8 60 5 91

05/2013 – 09/2013 5 51 4 92

Ntot 09/2019 – 09/2020 8 115 6 94

05/2013 – 09/2013 5 100 5 94

P-PO4

09/2019 – 09/2020 8 34 11 67

05/2013 – 09/2013 5 35 7 80

0,13 0,135 0,14 0,145

Ks -medio (m · s-1)

Punti di Misura

Ks (m · s^-1) medio (4 ripetizioni) rilevato nei diversi punti di misura

Valore medio

letto HF

ottenuto tramite metodo FH

Valore medio

pietrisco

pulito ottenuto in laboratorio:

0,138 m · s

(DS=0,03)

0,149 m · s

(DS=0,12) P-value = 0,47

Condizioni del letto:

PRIVO DI INTASAMENTO

Risultati: Conducibilità idraulica a saturazione

Conclusioni

 L’impianto di fitodepurazione, a servizio dell’azienda agrituristica Valle dei Margi, ha evidenziato buone efficienze di rimozione per la totalità degli inquinanti chimico-fisici indagati

 Le indagini hanno rilevato che l’impianto è in grado di produrre un effluente compatibile con gli standard qualitativi dettati dal D.Lgs. 152/2006, per lo scarico su corpo idrico superficiale e con quelli, più restrittivi, imposti dal D.M. 185/2003 per il riuso irriguo

 La forte variabilità quali-quantitativa dei reflui trattati, legata alla variabilità del numero di clienti presente in azienda a causa delle restrizioni determinate dalla pandemia di Covid-19, ha determinato una limitata copertura vegetale del letto H-SSF

 Le prove di conducibilità idraulica a saturazione non hanno evidenziato fenomeni di intasamento del letto filtrante H-SSF

 La completa copertura vegetale del letto filtrante, associata ad una maggiore stabilità delle presenze in azienda, sarà in grado di incrementare, presumibilmente, l’efficienza dell’impianto di fitodepurazione

GRAZIE PER L’ATTENZIONE

Prof. Giuseppe Luigi Cirelli - Dott. Mirco Milani

Università degli Studi di Catania

giuseppe.cirelli@unict.it - mirco.milani@unict.it