LIFE-Environment Programme

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1 LIFE-Environment Programme ESTRUS Enhanced and Sustainable TReatment for Urban Stormwater ANNEX II SCIENTIFIC PUBLICATIONS JULY 2009

2 ESTRUS LIFE05 ENV/IT/ LIFE05 ENV/IT/ ESTRUS SCIENTIFIC PUBLICATIONS a. Gnecco I., Lanza L.G., and La Barbera P. (2008). Analisi delle prestazioni in campo di un sistema di trattamento delle acque meteoriche in caditoia. XXXI Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche Perugia, 9-12 settembre (published on CD-rom); b. Berretta C., Gnecco I., Molini A., Palla A., Lanza L.G., and La Barbera P. (2008). On the efficiency of catch basin treatment devices for storm water runoff in harbor areas and production sites. 11 ICUD, 11th International Conference on Urban Drainage, Edinburgh, Scotland, 31 August 5 September, (published on CD-rom); c. Berretta C., Molini A., Gnecco I., Lanza L.G. e P.La Barbera (2007). Sull efficienza dei sistemi distribuiti per il trattamento delle acque meteoriche in caditoia. Atti del II Convegno Nazionale Idraulica Urbana, Chia (CA), settembre, (published on CD-rom); d. Molini A., Berretta C., Cattaneo C., Furfaro M., Gnecco I., La Barbera P., Lanza L.G. and M. Rovatti (2007). A laboratory intercomparison of distributed storm water treatment devices. Proceedings of the 6 th International Conference on Sustainable techniques and strategies in urban water management, Lyon, France, Vol.2 pp ; e. Lanza, L.G. (2008). Gestione e controllo delle acque meteoriche in ambiente urbano. In: Lanza L.G. (a cura di) Acque di Prima Pioggia: Soluzioni Tecnologiche e Innovazione. CIPA Editore, Collana Ambiente, Volume 31 ISBN Milano, 2008.

3 31 Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche Perugia, 9-12 settembre 2008 ANALISI DELLE PRESTAZIONI IN CAMPO DI UN SISTEMA DI TRATTAMENTO DELLE ACQUE METEORICHE IN CADITOIA I. Gnecco 1, L.G. Lanza 1 & P. La Barbera 1 (1) Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e del Territorio, Università di Genova, Via Montallegro 1, Genova, Italia SOMMARIO Il progetto ESTRUS (Enhanced and Sustainable Treatment for Urban Stormwater), sviluppato nell ambito del programma comunitario LIFE-Ambiente, si propone di dimostrare le prestazioni di sistemi distribuiti posti a monte delle reti di drenaggio urbano per il trattamento in caditoia delle acque meteoriche di dilavamento. Nella memoria si riportano i risultati dell indagine condotta presso un piazzale adibito al transito di autobotti nel corso delle operazioni di carico all interno di un impianto di trasformazione/raffinazione di prodotti petroliferi. La campagna di monitoraggio si compone di due fasi successive in cui viene inizialmente monitorato il sistema di drenaggio privo di dispositivi di trattamento e successivamente lo stesso sistema viene monitorato a valle dei dispositivi di trattamento appositamente installati in caditoia. I risultati sperimentali evidenziano un significativo abbattimento degli idrocarburi totali, al contrario sembrano risultare di scarsa efficacia per quanto concerne la riduzione del carico dei solidi sospesi totali. 1 INTRODUZIONE Le soluzioni tradizionali per il trattamento delle acque meteoriche di dilavamento, di tipo concentrato e poste a valle delle reti di drenaggio urbano, risultano generalmente vantaggiose in tutti gli insediamenti di nuova progettazione e realizzazione: un corretto dimensionamento assicura infatti l efficienza nell abbattimento del carico inquinante e la costruzione di tali strutture è generalmente compresa nel computo dei costi generali dell intera opera. Interventi analoghi su sistemi di drenaggio esistenti di aree scoperte (piazzali) di siti produttivi o terminali portuali risultano spesso insostenibili dal punto di vista economico, se non addirittura impraticabili, sia per le notevoli dimensioni delle strutture richieste, sia per la necessaria interruzione dell operatività delle aree durante la fase di realizzazione. A tale situazione è imputabile un notevole ritardo nell installazione di sistemi per la gestione delle acque meteoriche di dilavamento con ovvie ripercussioni sulla qualità dei corpi idrici ricettori. Un alternativa ai sistemi tradizionali è fornita dai dispositivi di trattamento a carattere distribuito, situati a monte della rete di drenaggio, e generalmente costituiti da opportuno materiale filtrante disposto in una struttura adattabile alle dimensioni delle caditoie in cui vengono installati. L utilizzo di tali sistemi è ampiamente diffuso negli Stati Uniti, mentre ad oggi sono rare le applicazioni in Europa e scarsi in letteratura gli studi specifici sull efficienza di tali sistemi in applicazioni reali (Lau et al., 2001;

4 I. Gnecco,L.G. Lanza, P. La Barbera Morgan et al., 2005; Hipp et al., 2006). L Università di Genova è impegnata da Ottobre 2005 in un progetto dimostrativo denominato ESTRUS (Enhanced and Sustainable Treatment for Urban Stormwater), cofinanziato dalla Comunità Europea nell ambito del programma LIFE-Ambiente, di concerto con il Comune di Genova, la Provincia, l Autorità Portuale, SEPG S.p.A. (Servizi Ecologici Porto di Genova), Finporto S.p.A. e l Agenzia Regionale per la Protezione dell Ambiente Ligure (ARPAL). Il progetto ha la finalità di dimostrare l efficacia e la sostenibilità di soluzioni tecniche distribuite in caditoia per la depurazione delle acque meteoriche di dilavamento. La valutazione dell efficacia e della sostenibilità di tali sistemi è stata programmata sia attraverso indagini di laboratorio, volte a determinarne l efficienza in condizioni controllate, sia in condizioni di esercizio attraverso una campagna di monitoraggio condotta in quattro siti pilota situati in aree portuali e siti produttivi sul territorio della provincia di Genova. La presente memoria si propone di illustrare i primi risultati sperimentali ottenuti dalla campagna di monitoraggio condotta presso un impianto di trasformazione di prodotti petroliferi. 2 SITO SPERIMENTALE E CAMPAGNA DI MONITORAGGIO 2.1 Descrizione del sito sperimentale Il sito sperimentale si trova presso un impianto di raffinazione dei prodotti petroliferi, in provincia di Genova. L area oggetto di studio è un piazzale di transito/sosta delle autobotti dirette alla pensilina di carico dei prodotti petroliferi; la rete di drenaggio a servizio del piazzale è dotata di una vasca di prima pioggia dimensionata per raccogliere i primi 5 mm di pioggia efficace, e di un dispositivo di bypass che isola idraulicamente la vasca, ad avvenuto riempimento, inviando le successive acque di dilavamento direttamente allo scarico. La superficie monitorata, interamente asfaltata, ha un estensione di circa 1200 m 2. La stazione di monitoraggio è stata attrezzata con un pluviometro a vaschette basculanti per la misura della precipitazione, un sensore area-velocità, installato all interno della rete di drenaggio (D=300 mm) per la misura della portata e un autocampionatore per gli aspetti di qualità. La stazione di misura è controllata in remoto attraverso un software di gestione sviluppato all interno del progetto ESTRUS, che consente di acquisire in tempo reale i dati misurati nonché di variare le condizioni di attivazione del campionamento. 2.2 La campagna di monitoraggio Nel corso della campagna di monitoraggio vengono acquisite misure di precipitazione e portata con risoluzione del minuto ed il prelievo di campioni di acqua di dilavamento con frequenza di Le analisi di laboratorio vengono effettuate dal Dipartimento di Ingegneria Chimica e di Processo dell Università di Genova relativamente a ph, conducibilità, carbonio organico totale (TOC) e idrocarburi totali (relativi a catene lineari con un numero di atomi di carbonio superiore a 12) e dal laboratorio di ARPAL per quanto concerne solidi sospesi totali (SST) e metalli pesanti sia in forma disciolta che aggregati alla matrice dei SST, in particolare zinco, rame, piombo, mercurio, cadmio, cromo e nichel. Il programma di monitoraggio si sviluppa in due fasi successive: fase I e fase II. La

5 Analisi delle prestazioni in campo di un sistema di trattamento in caditoia prima fase ha come obiettivo la determinazione della qualità delle acque meteoriche dilavanti il piazzale prospiciente la zona di carico delle autobotti. La fase I ha avuto inizio nel ottobre 2006 e si è conclusa nel febbraio 2008, nel corso della quale sono stati complessivamente monitorati 16 eventi di precipitazione. La presenza di disfunzioni nel dispositivo di by-pass, ha tuttavia compromesso in alcuni casi il corretto deflusso della portata all interno della rete di drenaggio, le analisi sono pertanto state condotte relativamente a 11 eventi di precipitazione (di cui per 9 sono disponibili valori per tutti i parametri oggetto d indagine). La fase II prevede invece il monitoraggio delle acque meteoriche di dilavamento a seguito dell installazione dei sistemi di trattamento in caditoia. La scelta del dispositivo di trattamento in caditoia è stata effettuata sulla base di un indagine di laboratorio (Molini et al., 2007; Berretta et al., 2008) al fine di valutarne l efficienza idraulica in condizioni ideali (acqua pulita), nonché la capacità di rimozione degli oli da parte del mezzo filtrante. A seguito di tale analisi, è stato selezionato il dispositivo Ultra Urban Filter (Abtech Industries) costituito da una struttura rigida a pianta rettangolare collegata tramite cinghie ad un invito, la distanza tra la struttura e l invito favorisce il bypass delle acque in eccesso; il sistema è dotato di materiale filtrante polimerico, Smart Sponge, particolarmente indicato per la rimozione di oli/idrocarburi. La fase II ha avuto inizio nel marzo 2008 ed è tuttora in corso di svolgimento. 3 ANALISI DEI RISULTATI SPERIMENTALI Nelle seguenti tabelle sono riportati i valori della concentrazione media d evento (EMC) e i valori puntuali della concentrazione massima e minima a scala d evento relativamente a solidi sospesi totali, carbonio organico totale e idrocarburi, tali valori sono inoltre indicati a scala dell intera campagna di misura; in particolare le Tabelle 1 e 2 sono relative rispettivamente alla fase I e alla fase II della campagna di monitoraggio. SST TOC HC [mg/l] [mg/l] [mg/l] EMC C max C min EMC C max C min EMC C max C min 31/03/ /05/ /05/ /05/ /05/ /06/ /11/ /11/ /02/ Tutti gli eventi Dev. St Tabella 1. Valori della concentrazione media d evento (EMC), concentrazione massima e minima a scala d evento e per l intera campagna di misura relativi a SST, TOC e HC osservati presso il sito sperimentale prima dell installazione dei sistemi di trattamento in caditoia (Fase I).

6 I. Gnecco,L.G. Lanza, P. La Barbera Per quanto riguarda la caratterizzazione delle acque dilavanti il piazzale di transito per le operazioni di carico delle autobotti (fase I) i risultati evidenziano la presenza di un significativo carico inquinante per SST, TOC e HC. Facendo riferimento ai valori di concentrazione limite per gli scarichi in corpo idrico superficiale (Allegato 5, D.Lgs. 152/06) i valori della EMC per SST e HC superano tali standard (80 mg/l per i SST e 5 mg/l per HC) sia a scala dell intera campagna di misura, con valori medi pari rispettivamente pari a mg/l e 6.6 mg/l, sia a scala del singolo evento con valori di punta della concentrazione rispettivamente pari a 849 mg/l per i SST e 19.4 mg/l per gli HC. In particolare il carico dei solidi sospesi è imputabile principalmente a due tipologie di sorgenti: il traffico di mezzi pesanti in transito e i fenomeni di deposito atmosferico imputabili alle emissioni della raffineria. I valori di concentrazione degli idrocarburi sono imputabili alla specifica destinazione d uso dell area. Tenuto conto delle caratteristiche del carico inquinante osservato, si osservano valori di TOC superiori a quelli generalmente osservati nelle acque meteoriche di dilavamento (Gnecco et al., 2007) con valori di EMC variabili tra 9 e 295 mg/l. SST TOC HC [mg/l] [mg/l] [mg/l] EMC C max C min EMC C max C min EMC C max C min 09/04/ /04/ /04/ Tutti gli eventi Dev. St Tabella 2. Valori della concentrazione media d evento (EMC), concentrazione massima e minima a scala d evento e per l intera campagna di misura relativi a SST, TOC e HC osservati presso il sito sperimentale a seguito dell installazione dei sistemi di trattamento in caditoia (Fase II). La fase II della campagna di misura è tuttora in corso e ad oggi sono disponibili i risultati dei primi eventi monitorati. Nonostante tali risultati debbano ritenersi preliminari, è possibile mettere in evidenza gli effetti imputabili alla presenza dei sistemi filtranti in caditoia. In particolare, si osserva una significativa riduzione relativa alla concentrazione degli idrocarburi, con valori di EMC mediamente pari a 1.3 mg/l. Dai risultati emerge, di conseguenza, un rilevante abbattimento anche nel caso dei valori di concentrazione di TOC, il cui intervallo di variazione risulta compreso tra 2 e 54 mg/l, con valore medio della EMC pari a 20 mg/l, corrispondente a meno di 1/3 rispetto a quanto osservato nella fase I. Al contrario, i risultati evidenziano la persistenza di un significativo carico di solidi sospesi, che in questa prima parte della campagna risulta addirittura superiore a quanto osservato in precedenza, con un valore medio di EMC pari a 245 mg/l. Per analizzare il comportamento e pertanto l efficacia dei sistemi di trattamento in caditoia, viene illustrato il processo di dilavamento del carico inquinante, con particolare riferimento ai solidi sospesi e agli idrocarburi, per due eventi meteorici: il 1 giugno 2007 corrispondente alla fase I (Figura 1) e il 17 aprile 2008 corrispondente alla fase II (Figura 2). In Figura 1 si può notare che il pollutogramma dei solidi sospesi, caratterizzato da valori puntuali di concentrazione significativamente superiori ai limiti

7 Analisi delle prestazioni in campo di un sistema di trattamento in caditoia di emissione indicati dal D.Lgs 152/06 (riportato in figura) decresce nel corso del corrispondente idrogramma evidenziando pertanto l occorrenza del fenomeno del first flush. Gli idrocarburi non mostrano invece un particolare andamento nel corso del corrispondente idrogramma e i valori di concentrazione si mantengono generalmente superiori a 5 mg/l nel corso dell evento monitorato Q (l/s) i5' TSS C lim (152/06) Q i (mm/h) TSS [mg/l] t [hh.mm] Q (l/s) i 5' HC Cl im (152/06) Q 40 i (mm/h) 10 HC [mg/l] t [hh.mm] 0 Figura 1. Istogramma, idrogramma e pollutogramma dei solidi sospesi totali (grafico in alto) e degli idrocarburi totali (grafico in basso) relativi all evento di precipitazione del 1 giugno In ciascun grafico la linea tratteggiata indica il corrispondente valore limite di concentrazione per gli scarichi in corpo idrico superficiale (D.Lgs. 152/06).

8 I. Gnecco,L.G. Lanza, P. La Barbera Q (l/s) Q i 5' TSS Clim (152/06) i (mm/h) TSS [mg/l] t [hh.mm] Q (l/s) Q i 5' HC C lim (152/06) i (mm/h) HC [mg/l] t [hh.mm] 80 0 Figura 2. Istogramma, idrogramma e pollutogramma dei solidi sospesi totali (grafico in alto) e degli idrocarburi totali (grafico in basso) relativi all evento di precipitazione del 17 aprile In ciascun grafico la linea tratteggiata indica il corrispondente valore limite di concentrazione per gli scarichi in corpo idrico superficiale (D.Lgs. 152/06). In Figura 2, si evidenzia invece un dilavamento dei solidi sospesi che tende ad essere maggiormente in accordo con il corrispondente idrogramma, è interessante osservare che il picco di concentrazione dei solidi sospesi, pari a 288 mg/l corrisponda

9 Analisi delle prestazioni in campo di un sistema di trattamento in caditoia al picco dell idrogramma. Tale comportamento sembra indicare un fenomeno di trasporto del materiale solido accumulatosi nello strato superficiale del filtro dovuto all incremento di portata. Il fenomeno può inoltre essere stato incrementato dal deflusso di una parte dell acqua meteorica di dilavamento attraverso il dispositivo di by-pass. Sebbene l analisi di tale fenomeno necessiti di essere confermata da ulteriori risultati sperimentali, si può osservare che anche in corrispondenza del picco dell idrogramma relativo all evento dell 11 aprile 2008 è stata misurata una concentrazione di solidi sospesi pari a g/l. I risultati sembrano evidenziare una captazione solo temporanea del carico dei solidi sospesi che viene poi trasportato nel corso di eventi di precipitazione successivi, caratterizzati da intensità più elevate. Nel caso degli idrocarburi si osserva invece una riduzione del carico inquinante, più pronunciata nella parte iniziale del processo di dilavamento; l aumento delle concentrazioni di idrocarburi nella seconda parte dell idrogramma potrebbe essere imputabile ad una riduzione della capacità di adsorbimento da parte del mezzo filtrante. Per quanto concerne i metalli analizzati nella campagna di monitoraggio, le concentrazioni più rilevanti sono state misurate per zinco, rame e piombo, inquinanti tipicamente associati al traffico veicolare, come osservato nel corso di precedenti campagne (Gnecco et al., 2005; Gnecco et al., 2006). Nichel, cadmio e cromo sono stati misurati solamente in tracce. In Tabella 3 sono riportati a scala dell intera campagna i valori di concentrazione media d evento, concentrazione massima e minima di zinco, rame e piombo relativamente alle fasi I e II della campagna di misura; i valori sono riferiti sia alla concentrazione totale, sia alle singole frazioni disciolta e aggregata alla superficie dei solidi sospesi. Zn Cu Pb [µg/l] [µg/l] [µg/l] EMC C max C min EMC C max C min EMC C max C min Fase I Totale Disciolto Aggreg Fase II Totale Disciolto Aggreg Tabella 3. Confronto tra i valori della concentrazione media d evento (EMC), concentrazione massima e minima relativi a zinco, rame e piombo in termini di totali, frazione disciolta e frazione aggregata ai solidi sospesi, osservati nel corso della fase I (senza sistema filtrante in caditoia) della fase II (con sistema filtrante in caditoia) della campagna di monitoraggio. Dai dati osservati emerge che tutti i metalli presentano una frazione aggregata fortemente dominante in entrambe le fasi della campagna di misura. La scarsa efficienza dei dispositivi di trattamento in caditoia in termini di riduzione del carico dei solidi sospesi, trova conferma nei risultati relativi ai metalli pesanti: i valori di concentrazione della frazione aggregata di zinco, rame e piombo misurati nella due fasi della campagna di monitoraggio sono confrontabili. Relativamente alla frazione disciolta, si osserva una diminuzione soprattutto relativamente a zinco e rame, che nella prima fase della

10 I. Gnecco,L.G. Lanza, P. La Barbera campagna di misura presentavano valori di concentrazione della frazione acquosa più rilevanti rispetto al piombo, in accordo con quanto generalmente osservato nel processo di distribuzione dei metalli pesanti (Gnecco et al., 2008). 4 CONCLUSIONI L analisi sull efficienza dei sistemi di trattamento in caditoia ha evidenziato una significativa riduzione del carico di idrocarburi totali, confermando quanto osservato nel corso delle indagini di laboratorio secondo cui la capacità di rimozione degli oli relativa al mezzo filtrante polimerico è risultata superiore al 90%. Al contrario, i risultati della campagna di monitoraggio sembrano mostrare una scarsa riduzione della concentrazione dei solidi sospesi: i valori di concentrazione più significativi (anche dell ordine di 1 g/l) sono stati misurati in corrispondenza dei valori di picco dell idrogramma. Sebbene tali risultati debbano essere ritenuti preliminari in quanto la seconda fase della campagna di misura (con i filtri installati in caditoia) è tuttora in corso di svolgimento, la valutazione dell efficienza di tali dispositivi di trattamento in condizioni di esercizio sembra evidenziare alcune importanti criticità nell abbattimento del carico inquinante. Al fine di valutare le cause che determinano la scarsa efficienza riscontrata nel caso dei solidi sospesi (deflusso attraverso il dispositivo di by-pass, processo di filtrazione non efficace sulle particelle più fini, ecc.) sarà condotta una seconda sperimentazione di laboratorio con i dispositivi provenienti dai siti pilota, analizzando pertanto l effetto dovuto all intasamento del filtro. BIBLIOGRAFIA Berretta, C., Gnecco, I., Molini, A., Palla, A., Lanza, L.G. & La Barbera, P., On the efficiency of catch basins treatment devices for storm water runoff in harbour areas and production sites, 11 th International Conference on Urban Drainage, Edimburgh, Scotland, 2008 (accepted). Gnecco, I., Sansalone, J.J. & Lanza, L.G., Speciation of zinc and copper in stormwater pavement runoff from airside and landside aviation land uses, Water, Air & Soil Pollution, Gnecco, I., Lanza, L.G. & Sansalone, J.J., Transport of metals in storm water runoff. Proceedings of 32nd Congress of IHAR Harmonizing the Demands of Art and Nature in Hydraulics, Venice, Italy, 2007 (published on CD-rom). Gnecco, I., Berretta, C., Lanza, L.G. & La Barbera, P., Quality of stormwater runoff from paved surfaces of two production sites. Water Science & Technology, 2006, 54(6-7), Gnecco, I., Berretta, C., Lanza, L.G. & La Barbera, P., Storm water pollution in the urban environment of Genoa, Italy. Journal of Atmospheric Research, 2005, 77(1-4), Hipp, A., Ogunseitan, O., Lejano, R.& Smith, C.S., Optimization of stormwater filtration at the urban/watershed interface, Environmental Science & Technology, 2006, 40(15), Lau, S.L., Khan, E. & Stenstrom, M. K., Catch basin inserts to reduce pollution from stormwater, Water Science & Technology, 2001, 44 (7), Molini, A., Berretta C., Cattaneo, C., Furfaro, M., Gnecco I., La Barbera, P., Lanza L.G. & Rovatti, M., A laboratory intercomparison of distributed stormwater treatment devices, Proceedings of the 6th International Conference on Sustainable Techniques and Strategies in Urban Water Management, Novatech 2007, Lyon, France, 2007 Morgan, RA, Edwards, FG, Brye, KR & Burian SJ., An evaluation of the urban stormwater pollutant removal efficiency of catch basin inserts, Water Environment Research, 2005, Sept.- Oct.(5),

11 11 th International Conference on Urban Drainage, Edinburgh, Scotland, UK, 2008 On the efficiency of catch basin inserts for storm water runoff treatment C. Berretta 2 *, I. Gnecco 1, A. Molini 1 3 4, A. Palla 1, L.G. Lanza 1 and P. La Barbera 1 1 DICAT, Dept. of Civil, Environmental and Architectural Engineering, University of Genoa, Via Montallegro 1, Genoa, Italy 2 Department of Environmental Engineering Science, University of Florida, 217 Black Hall Gainesville, Florida USA 3 Nicholas School of the Environment and Earth Sciences, Box Duke University Levine Science Research Center, Durham, NC Department of Civil and Environmental Engineering, Pratt School of Engineering, Duke University, Box Hudson Hall, Durham, NC *Corresponding author, to cberretta@ufl.edu ABSTRACT The ESTRUS Project (Enhanced and Sustainable TReatment for Urban Storm water) within the LIFE Environment Programme aims at demonstrating the suitability and costeffectiveness of catch basin treatment solutions for storm water runoff in harbor areas and production sites. In the present paper the results of the first phase of the project including the hydraulic performance tests of different inlet treatment devices and the preliminary results of the monitoring campaign for the field tests are presented. In order to evaluate the influence of the hydraulic behavior on the devices treatment efficiency, the experimental results are here interpreted through a simple pollution generation/wash-off model. The model has been applied to the IPLOM S.p.A. monitoring site for a long term simulation over a period of 18 years for two different treatment devices. Results are shown in terms of the treatment efficiency, total influent mass of suspended solids entering the catch basin filters and non treated mass due to hydraulic failure. KEYWORDS BMPs; Catch Basin Inserts; Hydraulic Performance Test; Treatment efficiency; Filter Media. INTRODUCTION In new settlements end-of-pipe solutions for storm water runoff treatment are cost effective and provide high efficiencies since the construction of large size structures for appropriate treatment is included in the overall construction costs and effort. In existing production sites and/or e.g. harbor infrastructures the costs and difficulties of traditional treatment solutions are often unsustainable, the installation of storm water treatment facilities being therefore postponed indefinitely with strong environmental consequences. Distributed inlet and catch basin filtration devices are proposed as an alternative to traditional systems but they are scarcely used in Europe and few data about their performances in the field are available in the literature (Lau et al., 2001, Morgan et al., 2005, Hipp et al., 2006). These devices consist of a filter media inserted in a rigid or flexible structure designed for installation directly into the inlets of the drainage network. ESTRUS (Enhanced and Sustainable TReatment for Urban Storm water) is a three years demonstration project co-financed by the European Union within the LIFE Environment Programme, which aims at demonstrating the suitability and cost-effectiveness of catch basin treatment solutions for storm water runoff in harbor areas and production sites. Further to the Berretta et al. 1

12 11 th International Conference on Urban Drainage, Edinburgh, Scotland, UK, 2008 University of Genova the project involves the local authorities (the Municipality, the Province Administration and the Regional Environmental Agency) in charge of authorizing storm water discharges and controlling the quality of receiving water bodies as well as the ultimate endusers (e.g. the Port Authority and service providing SMEs). In particular, the project aims at evaluating various distributed treatment systems in terms of their hydraulic performances, treatment efficiency and exhausted filter disposal procedure (with a possible energy recovery). This evaluation has been performed by laboratory tests carried out at the laboratories of DICAT (Dept. of Construction, Environmental and Architectural Engineering) and DICHEP (Dept. of Chemical and Process Engineering) of the University of Genoa (Molini et al., 2007). The most suitable treatment device was sought to be later installed in two production sites and two harbour infrastructures to undergo the field tests. This will allow to evaluate potential clogging phenomenon and thus the sustainability in terms of maintenance and costs. Two different typologies of monitoring campaign have been carried out depending on the dimension of the pilot sites. In the production sites a first phase of runoff quality characterization was performed before installing the treatment devices (timeshifted monitoring campaign). In the harbor sites, due to the significant extension of the catchment, a simultaneous monitoring of two homogeneous areas, one of which equipped with the treatment devices, have been started (time-concurrent monitoring campaign). In the present paper data collected at one of the production sites investigated in the ESTRUS project combined with the results of the hydraulic performance tests of the different filters are examined and utilized with the aim of preliminarily evaluating the treatment efficiency of the investigated catch basin systems. For this purpose a long term simulation over a period of 18 years have been performed using the SWMM model (Huber and Dickinson, 1992). METHODS Experimental site The site of interest is the IPLOM S.p.A. whose main activity is the handling and storage of oil products. It is located in the territory of the Province of Genoa, Italy. The monitored area is an asphalt surface in a good state with an extension of about 1200 m 2 located within the area employed for loading petrol products into the tank trucks. Storm water runoff of the monitored watershed is drained into a single catch basin and conveyed downstream through a circular pipe (D=300mm) which constitutes the initial branch of the storm water drainage system serving the whole apron. The gauge station is equipped with an automatic sampler (12 glass bottles with a capacity of 950 ml. each) coupled with level/velocity gauges for continuous flow measurements and a tipping bucket rain gauge (0.2 mm bucket capacity). The flow-meter and the intake suction line have been installed in the proximity of the terminal section of the pipe before discharging into the subsequently catch basin. The monitoring campaign started on October 2006, providing one-minute runoff flow rate data and discrete runoff samples collected at five minute frequency (depending on the sampling activation condition based on flow/rainfall real-time information). One minute rainfall records are also available. As for water chemistry characterization, laboratory tests of runoff samples were performed by the Department of Chemical and Process Engineering (University of Genoa) determining ph, electrical conductivity (EC), total organic carbon (TOC), and total hydrocarbons and by the Environmental Protection Agency of Liguria Region that examines total suspended solids (TSS) and heavy metals (copper, zinc, lead, mercury, cadmium and nickel) both as dissolved and particulate fractions. 2 On the efficiency of catch basin inserts for storm water runoff treatment

13 11 th International Conference on Urban Drainage, Edinburgh, Scotland, UK, 2008 Assessment of the efficiency of inlet treatment systems As previously mentioned, in the laboratory phase of the LIFE ESTRUS Project, three different types of catch basin inserts (from geotexile devices to metallic units) have been hydraulically tested with the goal of identifying their critical flow levels and quantifying the volumes of untreated storm water under different flow rates (Molini et al., 2007). The catch basin inserts investigated are the Catch-All HR I (Marathon Materials, Inc.), the Ultra- Drainguard (Ultratech International Inc.) and the Ultra Urban Filter (Abtech Industries). The hydraulic tests were performed at the DICAT Laboratory in clean water conditions in order to assess the hydraulic failures connected with the water conveyance scheme. Note that clogging issues are not here discussed, however such aspect will be approached during the field phase of the LIFE ESTRUS project. The three devices, although with slightly different percentages in terms of discarded flow rate versus reference flow, seemed to better perform at the higher flow rates. This is basically due to dripping and spilling phenomena through the by-pass observed for all the devices, especially at low intensity flow rates. Such phenomena are strictly connected with the specific design of deviators which are expected to convey water on the filter media, on the contrary they actually force low flow rates to drip through the by-pass. Such an evidence is particularly relevant since low flows are associated with shorter return periods and also reflect the initial part of rainfall events, usually characterized by the higher pollution load (in terms of concentration). In order to evaluate the influence of such hydraulic losses on the devices treatment efficiency, the experimental results are here interpreted through a simple pollution generation/wash-off model. The model has been applied to IPLOM S.p.A. monitoring site for a long term simulation over a period of 18 years. The hydrologic response of the experimental catchment both in terms of quantity and quality aspects has been simulated by using the Storm Water Management Model SWMM (Huber and Dickinson, 1992). As for the quantity module, the flow routing is based on the kinematic wave model and on the Manning equation; the Soil Conservation Service Curve Number method has been assumed for infiltration method. As for the quality module, the model continuously simulates the solids build-up at impervious surfaces between two rainfall events and pollutants wash-off during storm events. Build-up is simulated through the Alley and Smith equation (Alley and Smith, 1981). The exponential expression of Jewell and Adrian (Jewell and Adrian, 1978) had been used for the simulation of the wash-off phase. The model has been calibrated using the experimental rainfall-runoff data collected during the first phase of the monitoring campaign. Results of such model are the hydrograph and pollutograph of the total suspended solids. The model has been implemented in order to simulate the behaviour of the catch basin treatment device. For this purpose the experimental results obtained from the hydraulic tests are here interpreted in terms of treatment efficiency. In particular, two treatment systems characterized by a different behavior corresponding to very low flow rate values, were selected. In Figures 1 and 2 are shown the results of the hydraulic performance test for the Catch-All HR I manufactured by Marathon Materials, Inc. and the Ultra Urban Filter manufactured by Abtech Industries expressed in terms of hydraulic efficiency loss (1- η i ) as a function of the influent flow rate. Results are interpreted using the following expressions respectively for the Catch-All HR I and the Ultra Urban Filter: 1 b 1. Q η = = 0.28 e in (1) i Q 09 Q in Berretta et al. 3

14 11 th International Conference on Urban Drainage, Edinburgh, Scotland, UK, Q Q 10 2 b in η i = = (2) Qin Qin 7.01 Qin where Q b e Q in are the by-passed flow rate and the influent flow rate entering the catch basin filters. Figure 1. Bypassed flow percentage versus influent flow rate for the Marathon Materials, Inc. - Catch-All HR I filter. The continuous solid curve represents the interpolating curve, while dashed lines mark off the 99% confidence bounds. Figure 2. Bypassed flow percentage versus influent flow rate for the Abtech Industries Ultra Urban filter. The continuous solid curve represents the interpolating curve, while dashed lines mark off the 99% confidence bounds. The catch basin treatment system efficiency η t is then expressed as a function of the hydraulic efficiency η i and the chemical-physical treatment efficiency of the filter system η cf through the following expression: η = η η (3) t i cf 4 On the efficiency of catch basin inserts for storm water runoff treatment

15 11 th International Conference on Urban Drainage, Edinburgh, Scotland, UK, 2008 The chemical-physical treatment efficiency of the filter media η cf represents the pollutants removal capacity usually specified by the manufacturer. Such parameter depends on the flow rate, the specific pollutant and its concentration and the filter media condition in time. In the present paper the chemical-physical efficiency of the filter media is assumed to be constant (no clogging phenomenon) and the value is supposed to be equal to 0.9. RESULTS AND DISCUSSION Water Quality Data In Tables 1, the mean, median and standard deviation values of the Event Mean Concentration (flow-weighted average of constituent concentrations), together with the maximum and minimum concentration values observed across the whole monitoring campaign are summarized with respect to the analyzed parameters. Table 1 Event mean Concentration values (mean, median and standard deviation) of water quality constituents across the whole monitoring campaign with respect to Iplom experimental site. In addition the maximum and minimum concentration values measured at Iplom site are also reported. EMC Event Mean Concentration Concentration value mean median σ max min ph (-) TSS [mg/l] TOC [mg/l] HC [mg/l] Zn d [μg/l] Zn p [μg/l] Zn tot [μg/l] Cu d [μg/l] Cu p [μg/l] Cu tot [μg/l] Pb d [μg/l] Pb p [μg/l] Pb tot [μg/l] Ni d [μg/l] Ni p [μg/l] Ni tot [μg/l] Relevant EMC values for total suspended solids, total organic carbon and total hydrocarbons clearly emerge. By comparing EMC values with the quality standards for direct discharging into the receiving water bodies (Annex 5 Italian Decree by Law 152/06 according to the EC Dir. 91/271), results indicate that EMC mean values for TSS and HC (respectively 227 and 6.8 mg/l) exceed the quality standards respectively equal to 80 and 5 mg/l. In particular TSS load is significant across the whole monitoring campaign ranging from 93 to 532 mg/l with concentration peaks equal to 849 mg/l; such values are likely due to two main pollutant sources: vehicular (mainly trucks) traffic and dry deposition phenomena of oil refinery emissions. As for hydrocarbons, the concentration values are directly linked to the land use: the monitored watershed is employed for loading petrol products into the tank trucks; note that concentration peaks ranging between 12 and 16 mg/l have been measured during 3 over 6 Berretta et al. 5

16 11 th International Conference on Urban Drainage, Edinburgh, Scotland, UK, 2008 rainfall events. Due to the characteristics of pollutant load washed-off by runoff at IPLOM site, the TOC concentration values are significant, and range from 22 to 295 mg/l. As for heavy metals, results indicate that zinc, copper, nickel and lead reveal concentration values comparable with data reported in the literature, while mercury, cadmium and chromium are present only in traces. Among metals, zinc plays an important role, as reported in the literature, thus revealing the most significant concentration as dissolved and particulate fractions: the mean EMC of total zinc is equal to mg/l with a peak concentration equal to mg/l. In addition, it is important to observe that all metals show a predominant particulate-bound fraction across the whole monitoring campaign, thus pointing out the relevance of TSS abatement in order to reduce the impact of storm water discharges for the specific site of concern. The pollutant mass transport behaviour during the monitored rainfall events has been observed through the dimensionless M(V) curves representing the cumulative fraction of the total pollutant mass vs. the cumulative fraction of the total runoff volume. Results indicate that the first flush phenomenon generally occurs with respect to TSS and TOC as illustrated in Figure 3. The occurrence of the first flush phenomenon which corresponds to a more pronounced initial mass delivery, confirms the importance of the pollutant load abatement at the beginning of the event (generally corresponding to lowmedium flow rates), however it should be considered that the TSS and TOC reveal generally significant concentration values for the whole rainfall-runoff event. On the contrary for lead, zinc and mainly hydrocarbons, the mass delivery behaviour show a linear pattern with respect to runoff volume, such results point out that mass delivery behaviour is strongly different with respect to different pollutants therefore collecting and treating merely the first flush runoff volume may result an ineffective treatment system, in terms of pollutant abatement. As for mercury, cadmium and chromium the occurrence of the first flush phenomenon is observed, however it can be assumed that, due to the limited concentration values measured across the monitoring campaign, the first flush is enhanced by the rapid depletion of pollutant mass operated by the initial phase of wash-off. Long term simulation results The treatment system behavior has been observed for the first part of the rainfall event, considering the first 5 mm of runoff depth. A total of 1856 rainfall events have been simulated and analyzed from 1990 to Figures 4 and 5 show the cumulative mass of suspended solids washed-off by runoff and entering the treatment devices (M in ) and the non-treated cumulative mass due to the bypass hydraulic loss and to the chemical-physical treatment efficiency (M nt ) as a function of the average flow rate over the first 5 mm of runoff depth (Q mean-r5 ). In the same graphs the catch basin treatment system efficiency η t are reported. In light of the results obtained for the Catch-All HR I filter, the system efficiency strongly decreases because of the untreated bypassed runoff fraction for rainfall events characterized by a mean flow rate averaged over the first 5 mm of runoff depth lower than 1 l/s. Such rainfall events are characterized by a system treatment efficiency ranging between 66% and 80%. They represent the 87% of the simulated events and they are characterized by TSS load, in terms of delivered mass, equal to 69% of the total mass washed-off by the whole series of simulated rainfall events. It has to be noticed that such significant treatment efficiency decrease is only due to the dripping and spilling phenomena occurring for low flow rates, an additional efficiency decrease is expected due to clogging phenomena which will be addressed during the field phase of the LIFE ESTRUS project. 6 On the efficiency of catch basin inserts for storm water runoff treatment

17 11 th International Conference on Urban Drainage, Edinburgh, Scotland, UK, ,0 0,8 SST 1,0 0,8 TOC ΣMcum/ΣMtot 0,6 0,4 31Mar07 03May07 04May07 0,2 23May07 26May07 01June07 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,0 0,8 HC 0,6 31Mar07 0,4 03May07 04May07 0,2 23May07 26May07 01June07 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,0 0,8 Pb tot ΣMcum/ΣMtot ΣMcum/ΣMtot 0,6 0,4 31Mar07 03May07 04May07 0,2 23May07 26May07 01June07 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1, Zn tot Mar07 03May07 04May May07 26May07 01June ,6 0,4 31Mar07 03May07 04May07 0,2 23May07 26May07 0,0 01June07 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,0 31Mar07 03May07 Cu tot 0,8 04May07 23May07 0,6 26May07 01June07 0,4 0,2 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 ΣV cum /ΣVtot ΣV cum /ΣVtot Figure 3. M(V) dimensionless representation for the rainfall-runoff events monitored at the IPLOM S.p.A. site. Berretta et al. 7

18 11 th International Conference on Urban Drainage, Edinburgh, Scotland, UK, M in, M nt, η t [%] M nt η t M in Q mean_r5 [l/s] Figure 4. Treatment efficiency of the Catch-All HR I filter, cumulative number of rainfall events (N), influent suspended solids mass (M in ) and non treated mass (M nt ) vs the mean flow rate over the first 5 mm of runoff depth (Q mean(runoff=5mm)) M in, M nt, η t [%] M nt η t M in Q mean_r5 [l/s] Figure 5. Treatment efficiency of the Ultra Urban filter, cumulative number of rainfall events (N), influent suspended solids mass (M in ) and non treated mass (M nt ) vs the mean flow rate over the first 5 mm of runoff depth (Q mean(runoff=5mm)). 8 On the efficiency of catch basin inserts for storm water runoff treatment

19 11 th International Conference on Urban Drainage, Edinburgh, Scotland, UK, 2008 The Ultra Urban filter shows a different behavior in terms of treatment efficiency reduction: it clearly emerges the scarce influence of hydraulic losses. On the contrary to Catch-All HR I filter, results of the simulation show a slight decrease of the treatment efficiency for rainfall events characterized by mean flow rate higher than 0.1 l/s. From findings of elaboration, the Ultra Urban filter whose treatment efficiency seems to be irrespective of hydraulic loss influence for low flow rates, has been selected for the second phase of the time-shifted monitoring campaign at the IPLOM Spa site. CONCLUSIONS In the present paper the preliminary results of the Demonstration LIFE ESTRUS Project which aims at demonstrating the suitability and cost-effectiveness of catch basin treatment solutions for storm water runoff in harbor areas and production sites are presented. Based on the experimental data collected at the IPLOM S.p.A. monitoring site, the treatment efficiency of two different catch basin filter devices has been evaluated through a long term simulation over a period of 18 years. Data collected revealed relevant EMC values for total suspended solids, total organic carbon and total hydrocarbons. Heavy metals showed a predominant particulate-bound fraction across the whole monitoring campaign. The simulation results, focused on the TSS delivery, allowed to assess the influence of the hydraulic performance of the filter media in terms of treatment efficiency decrease. From findings of the elaborations, the hydraulic loss influence seems not significant for the Ultra Urban filter which was therefore chosen for installation in the IPLOM Spa site for the second phase of the time shifted monitoring campaign. The model has been implemented in order to describe the treatment efficiency decrease due only to the hydraulic failure caused by dripping and spilling phenomenon at low flow rate. However clogging phenomenon will be described in light of the results of the second phase of the monitoring campaign thus allowing to fully describe catch basin treatment system behaviour. AKNOWLEGEMENT This work was funded under the framework of the Life Environment Project ENVIT ESTRUS (Enhanced and Sustainable TReatment for Urban Storm water). The kind cooperation of the manufacturers of the tested catch basin inserts is also gratefully acknowledged. The research has been carried out while the authors were at the University of Genova, Italy. REFERENCES Alley, W.M., Estimation of impervious-area washoff parameter, Wat. Resources. Res. 17(6), , Alley, W.M. and Smith, P.E., Estimation of accumulation parameters for urban runoff quality modelling, Wat. Resources. Res. 17(6), , ASCE, Determining urban stormwater best management practice (BMP) removal efficiencies, Urban Water Resources Research Council of the American Society of Civil Engineers. WA DC, ESTRUS - Enhanced and Sustainable TReatment for Urban Stormwater, Contract n LIFE05 ENV/IT/000894, ESTRUS - Enhanced and Sustainable TReatment for Urban Stormwater, Deliverable D.1A-Appendix C, Preliminary survey on different catch basin insert typologies for ESTRUS Project Laboratory Intercomparison, ESTRUS - Enhanced and Sustainable TReatment for Urban Stormwater, Deliverable D.4, Technical report on the monitoring stations as installed, ESTRUS - Enhanced and Sustainable TReatment for Urban Stormwater, Deliverable D.8B, Evaluation of Phase I of the time-shifted monitoring campaign, Berretta et al. 9

20 11 th International Conference on Urban Drainage, Edinburgh, Scotland, UK, 2008 Hipp, A., O. Ogunseitan, R. Lejano, and C. S. Smith, Optimization of stormwater filtration at the urban/watershed interface, Environmental Science & Technology 40(15): , Huber, W.C. and Dickinson, R.E., Storm Water Management Model, SWMM, Version 4, User s Manual, USEPA, report no. EPA 600/3-88/001a (NTIS PB /AS). Athens Georgia, Jewell, T.K. and Adrian, D.D., SWMM storm water pollutant washoff functions, ASCE Journal of Env. Engg. Div. 104(5), , Lau, S.-L., Khan, E., Stenstrom, M. K., Catch basin inserts to reduce pollution from stormwater, Wat. Sci. Tech., 44 (7), 23-34, Molini A., Berretta C., Cattaneo C., Furfaro M., Gnecco I., La Barbera P., Lanza L.G., Rovatti M.: A laboratory intercomparison of distributed stormwater treatment devices. Proc. of the 6th International Conference on Sustainable Techniques and Strategies in Urban Water Management, Novatech 2007, Lyon - France - June 25-28, 2007 Morgan RA, Edwards FG, Brye KR, Burian SJ., An evaluation of the urban stormwater pollutant removal efficiency of catch basin inserts, Water Environ Res Sep-Oct;77(5):500-10, On the efficiency of catch basin inserts for storm water runoff treatment