Progettazione di un piccolo impianto di fitodepurazione per il trattamento di acque grigie e acque nere

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1 CON IL CONTRIBUTO DI UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CATANIA Dipartimento Di Ingegneria Agraria gli AROMI Piante Aromatiche e Officinali CENTRO STUDI DI ECONOMIA APPLICATA ALL INGEGNERIA Seminario di studio sulla progettazione e gestione dei sistemi di fitodepurazione di acque reflue Azienda Agrituristica Valle dei Margi Grammichele (Catania) maggio 2009 Progettazione di un piccolo impianto di fitodepurazione per il trattamento di acque grigie e acque nere Ing. Alessia Marzo, Dott. Mirco Milani (alessia.marzo@unict.it) (mirco.milani@unict.it) Dipartimento di Ingegneria Agraria, Università degli Studi di Catania ( CON IL PATROCINIO DI Agenzia Regionale per i Rifiuti e le acque - Sicilia Agenzia Regionale per la Protezione dell Ambiente Associazione Nazionale di Architettura Bioecologica Associazione Idrotecnica Italiana Sezione Sicilia Orientale Associazione Italiana per la Ingegneria Naturalistica Sezione Sicilia Associazione Ingegneri Ambiente e Territorio - Sicilia Ordine degli Ingegneri della Provincia di Catania Ordine Nazionale dei Biologi Ordine dei Dottori Agronomi e dei Dottori Forestali della Provincia di Catania Ordine dei Chimici della Provincia di Catania

2 Ripartizione dei consumi idrici per usi domestici con una dotazione idrica 200 litri pro capite al giorno cucina 12% pulizia casa 3% altri usi 8% igiene personale 32% scarico WC 30% lavatrice 12% lavastoviglie 3% 2

3 Scarichi idrici domestici Scarichi idrici domestici 70% Acque Grigie 30% Acque Nere 3

4 Concentrazioni di inquinanti nelle acque nere e grigie Parametro Apporti (g/ae giorno) Acque grigie Acque nere Grigie + Nere Concentrazioni (mg/l) Acque Grigie 140 l/ae giorno Acque Nere 60 L/AE giorno BOD COD Fosforo totale Azoto totale Solidi sospesi totali (Fonte: Masotti et al, 2005) 4

5 Velocità di decomposizione della sostanza organica In 5 giorni: degradazione del 40% del BOD5 In 5 giorni: degradazione del 90% del BOD5 5

6 Volumi prodotti di acque grigie Considerando che: l utilizzo di cassette di risciacquo dei WC normale comporta in media uno scarico giornaliero pro-capite di 60 l/giorno la produzione pro-capite media giornaliera di acque grigie è pari a 140 l/giorno è quindi sufficiente trattare e recuperare il 50% delle grigie per i WC Sistema trattamento 6

7 I sistemi di fitodepurazione per il trattamento delle acque grigie Una scelta progettuale sostenibile per il trattamento delle acque grigie ai fini del riutilizzo deve possedere: adattabilità alle variazioni di carico idraulico e organico in ingresso; buona efficienza nella degradazione della sostanza organica; alto abbattimento della carica batterica; semplicità ed economicità di gestione e manutenzione 7

8 Specie vegetali con valenza estetica 8

9 Bologna (BO) 20 abitanti equivalenti Castello di Godego (TV) 40 abitanti equivalenti (Centro Benessere) 25 abitanti equivalenti Bologna (BO) 9

10 Oslo, Norvegia a.e.: 100 trattamento acque grigie Area superficiale sistemi H-SSF: 100 m 2 10

11 Preganziol (Treviso), Italia a.e.: 240 trattamento acque grigie Area superficiale sistemi H-SSF: 232 m 2 Quantitativo di acque trattate, disponibili per il riutilizzo: 14,5 m 3 /giorno (circa m 3 /anno) si è stimato un periodo di circa 9 anni come tempo di ammortamento dei costi di realizzazione e dei costi di manutenzione annui. 11

12 Esempio di costi di realizzazione (iva esclusa) Bacino di 196 m 2 Incidenza Movimenti di terra 2.600,00 10,7% Impermeabilizzazione e rete antierosiva 8.000,00 33,1% Pietrisco 3.800,00 15,7% Gabbioni 0,00 0,0% Phragmites 1.300,00 5,4% Pozzetti (Ingresso e uscita) 3.000,00 12,4% Opere accessorie 5.500,00 22,7% ,00 Costo complessivo 123,47 /m 2 12

13 Costi di realizzazione /m Superficie m 2 Costi di costruzione (IVA esclusa) in relazione alla superficie dei letti di fitodepurazione 13

14 Willow systems: scarico zero Q out 0 Equazione di continuità: 0 Q out Q in + P - ET - I 0 Massimo Carico idraulico Q in ET -P 14

15 Esempio di dimensionamento (superficie) Q in 1200 mm/anno (1200 L/m 2 /anno) 1800 mm/anno 600 mm/anno Dotazione idrica per 1 A.E: 200 L/giorno L/anno Area necessaria per 1 A.E.: / m 2 15

16 Esempio di dimensionamento 16

17 separare le acque grigie e dalle acque nere riutilizzare acque depurate nelle cassette di risciacquo dei WC e per irrigazione delle aree a verde, con notevole risparmio idrico ed economico ottimizzare i sistemi di depurazione Attuare una gestione sostenibile delle acque, utilizzando le acque prelevate dalla rete acquedottistica pubblica esclusivamente laddove sia necessario l uso di acqua di alta qualità Fognatura mista Fognatura separata 17

18 Esempio di dimensionamento (volume) V (m 3 ) P (mm) Q in (m 3 ) Etp (mm) Etc (mm) Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic Gen 0 Porosità 0.38 m 3 /m 3 Veff 66 m 3 Superficie 61 m 2 h 1 m Non adeguata per l accrescimento radicale h min 1.5 m 18

19 Progettazione: definizione degli obiettivi qualitativi dell effluente trattato EFFLUENTE IMPIANTO DI FITODEPURAZIONE recapito in acque superficiali riuso Limiti di emissione: Allegato 5 del D.Lgs. 152/2006 D.M. 185/2003 Destinazioni d uso: Irriguo; Civile; Industriale 19

20 Progettazione: definizione dei parametri di dimensionamento ε ε 0,7 0,95 0,95 1 Q, C i W FWS A L h SSF ε 0,3 0,4 Q, C o C i, C o concentrazioni dell inquinante in ingresso ed in uscita (mg/l); Q Q i Q o portata (m 3 /giorno) per I P ET 0; A area superficiale del bacino (m 2 ); h altezza della colonna d acqua (m); ε porosità del sistema (m 3 /m 3 ). modelli matematici H-SSF: 0,2 0,8 m; FWS: 0,1 1 m (tipo di trattamento; macrofite) SSF: medium di riempimento FWS: densità vegetazione 20

21 Progettazione: definizione dei parametri di dimensionamento larghezza (m) volume (m 3 ) area (m) lunghezza (m) A V altezza della colonna d acqua (m) A L W Area (m 2 ) porosità (m 3 /m 3 ) Volume di reazione (m V A h ε 3 ) 21

22 Progettazione: definizione dei parametri di dimensionamento portata (m 3 /giorno) Q volume (m 3 ) V HRT q V A h ε h ε Tempo di detenzione nominale (giorni) Q Q q Q A Carico idraulico superficiale (m/giorno) 22

23 Progettazione: modelli matematici Il comportamento idraulico dei sistemi di fitodepurazione viene usualmente schematizzato mediante un modello di flusso a pistone (plug flow) t0 INGRESSO t1 t2 USCITA FLUSSO Su tale schema, e ipotizzando una cinetica di rimozione del primo ordine, si basano i modelli maggiormente utilizzati, sia in Europa che negli Stati Uniti, per il dimensionamento e la modellazione degli impianti di fitodepurazione 23

24 C C Formulazione volumetrica o i V C C * * exp Modello k-c* (Kadlec e Knight, 1996) ( k HRT ) * Q Co C ln * kv Ci C Progettazione: modelli matematici Cinetica del primo ordine e schematizzazione idraulica del tipo plug-flow C i concentrazione dell inquinante in ingresso (mg/l) C o concentrazione dell inquinante in uscita (mg/l) C* concentrazione di background (mg/l) volume (m 3 ) V HRT V Q portata (m 3 /giorno) k V coefficiente volumetrico di rimozione (giorni -1 ) k A ε h k V k A coefficiente di rimozione (m/giorno) k A k 20 θ ( T 20) k 20 coefficiente di rimozione alla temperatura di 20 C (m/giorno) θ fattore di correzione della temperatura T temperatura delle acque reflue C 24

25 Progettazione: modelli matematici Modello k-c* (Kadlec e Knight, 1996) Cinetica del primo ordine e schematizzazione idraulica del tipo plug-flow C i concentrazione dell inquinante in ingresso (mg/l) C o concentrazione dell inquinante in uscita (mg/l) C* concentrazione di background (mg/l) C C o i Formulazione aerale C C * * k exp A Q A k A coefficiente di rimozione (m/anno) k area (m 2 ) A k 20 θ ( T 20) A * Q Co C ln * k A Ci C portata (m 3 /giorno) 25

26 Progettazione: modelli matematici Modello k-c* (Kadlec e Knight, 1996) Valori di k 20, C * e θ per il BOD 5 Tipologia di sistema k 20 (m/anno) C * (mg/l) θ FWS 34 6,2 0,98 H-SSF ,0 1,00 1,05 C * 3,5 + 0,053 C i (per 0 C i < 200 mg/l) per BOD 5 Valori di θ diversi da 1 indicano una dipendenza del processo di rimozione dell inquinante in esame 26

27 Progettazione: modelli matematici Modello monoparametrico (Reed, Crites & Middlebrooks 1998) Cinetica del primo ordine e schematizzazione idraulica del tipo plug-flow C i concentrazione dell inquinante in ingresso (mg/l) C o concentrazione dell inquinante in uscita (mg/l) C C o i exp ( k HRT ) T A h ε HRT Q A Q ln( C C K h ε T i o) k T coefficiente di rimozione (giorni -1 ): T Temperatura delle acque reflue ( C) Per il BOD 5 : θ 1,06 k T k 20 θ ( T 20) k 20 coefficiente di rimozione a 20 C 0,678 giorni -1 (FWS) oppure 1,104 giorni -1 (H-SSF) 27

28 Progettazione: modelli matematici (FWS) v Equazione di Manning (1) v velocità dell acqua (m/s) s gradiente idraulico (m/m) 1 / n n coefficiente di Manning (s/m 1/3 ) h altezza della colonna d acqua (m) a coefficiente di scabrezza (s m 1/6 ); ( 2 / 3 ) ( 1 2 h s ) 0,4 s m 1/6 per vegetazione rada e bassa, con h > 0,4 m; 1,6 s m 1/6 per vegetazione moderatamente densa, con h 0,3 m; 6,4 s m 1/6 per vegetazione molto densa, con h 0,3 m. n 1 / h Vengono generalmente utilizzati valori di a che variano tra 1 e 4 s m 1/6 a 2 28

29 Progettazione: modelli matematici (FWS) Equazione di Manning (2) Considerando che: portata (m 3 /giorno) v larghezza (m) v Q W h 1 / a altezza acqua (m) ( 7 / 6 ) ( 1 2 h s ) W area (m 2 ) A L s lunghezza (m) fattore precauzionale m h L Combinando le equazioni si ottiene la massima lunghezza del bacino di fitodepurazione FWS: L A ( 8 / 3 ) ( 1 / 2 h m ) a Q / 3 29

30 Progettazione: modelli matematici (H-SSF) Legge di Darcy v k s s v velocità dell acqua (m/giorno) s gradiente idraulico (m/m) K s conducibilità idraulica del mezzo poroso (m/giorno) Considerando che: v larghezza (m) Q W h portata (m 3 /giorno) altezza della colonna d acqua (m) 30

31 Progettazione: modelli matematici (H-SSF) Q ks W h s Q k s A T s A T area trasversale del bacino (m 2 ) larghezza (m) Considerando che: W A L area (m 2 ) lunghezza (m) gradiente idraulico (m/m) s fattore precauzionale m h L altezza d acqua (m) lunghezza (m) W 1 h Q m A k s

32 Progettazione: V-SSF Il dimensionamento dei letti V-SSF è basato su criteri empirici basati sulla richiesta aerale di ossigeno necessario per ossidare la sostanza organica e l azoto. Generalmente viene utilizzato il seguente metodo: Calcolo del fabbisogno di ossigeno sulla base di 1 Kg di O 2 per Kg di BOD 5 da rimuovere e di 4,3 Kg di O 2 per Kg di NH 3 da ossidare; Calcolo della superficie (m 2 ): fabbisogno di ossigeno A OD K + OD a K a 0,25 fattore cautelativo K a coefficiente di aerazione superficiale 30 g O 2 /m 2 32

33 Dimensionamento di un sistema H-SSF a servizio di 5 A.E. rete mista Dati di progetto: Q 1 m 3 /giorno BOD mg/l T 12 C K s m/giorno Trattamento di sedimentazione primaria tramite fossa imhoff rimozione del 30% della concentrazione del BOD 5 C i 210 mg/l (BOD 5 in ingresso all impianto di fitodepurazione) Riuso irriguo (D.M. 185/2003) C o 20 mg/l (BOD 5 in uscita dall impianto di fitodepurazione) BOD mg/l BOD mg/l BOD 5 20 mg/l fossa imhoff H-SSF 33

34 Dimensionamento di un sistema H-SSF a servizio di 5 A.E. rete mista Applicazione del modello monoparametrico (Reed, Crites & Middlebrooks 1998) k Coefficiente di rimozione: ( T 20) ( 12 20) k20 θ 1,104 1,06 0,693 giorni Tempo di detenzione nominale: HRT 1 k T ln C C o i 1 0,693 ln ,4 giorni 34

35 Dimensionamento di un sistema H-SSF a servizio di 5 A.E. rete mista Volume di reazione: V HRT Q 3, ,4 m Area superficiale: V A h ε h 0,55 m ε 0,38 m 3 m 3 A 3,4 0,55 0, ,3 m 35

36 Dimensionamento di un sistema H-SSF a servizio di 5 A.E. rete mista W 1 Q A h m k s Larghezza minima del letto filtrante: , ,3 0, ,28m 20% del carico idraulico a disposizione 1/3 della conducibilità idraulica L W A Lunghezza del letto filtrante: 16,3 0,28 58,2 m 36

37 Dimensionamento di un sistema H-SSF a servizio di 5 A.E. rete mista L Rapporto lunghezza/larghezza: : W 58,2 : 0, :1 NO non è compreso tra: 1:1 e 3:1 W 3,00 m L 6,00 m L Rapporto lunghezza/larghezza: : W 6,00 :3,00 2 :1 OK compreso tra: 1:1 e 3:1 37

38 Dimensionamento di un sistema FWS a servizio di 5 A.E. rete mista Dati di progetto: Q 1 m 3 /giorno BOD mg/l T 9 C Trattamento di sedimentazione primaria tramite fossa imhoff rimozione del 30% della concentrazione del BOD 5 C i 210 mg/l (BOD 5 in ingresso all impianto di fitodepurazione) Riuso irriguo (D.M. 185/2003) C o 20 mg/l (BOD 5 in uscita dall impianto di fitodepurazione) BOD mg/l BOD mg/l BOD 5 20 mg/l fossa imhoff FWS 38

39 Dimensionamento di un sistema FWS a servizio di 5 A.E. rete mista k Coefficiente di rimozione: ( T 20) ( 9 20) -1 9 k20 θ 0,678 1,06 0,357 giorni Tempo di detenzione nominale: HRT 1 k T ln C C o i 1 0,357 ln ,59 giorni V HRT Q Volume di reazione: 6, ,59 m 39

40 Dimensionamento di un sistema FWS a servizio di 5 A.E. rete mista Area superficiale: V A h ε h 0,30 m ε 0,75 m 3 m 3 A 6,59 0,30 0, ,3 m 40

41 Dimensionamento di un sistema FWS a servizio di 5 A.E. rete mista Lunghezza massima del letto bacino di fitodepurazione: L A ( 8 / 3 ) ( 1 / 2 h m ) a Q / 3 m 0,2 a vegetazione moderatamente densa 1,6 s m 1/6 L 29,3 ( 8 3 0,30 ) ( 1 2 0,2 ) 1, m Larghezza del bacino di fitodepurazione: A 29,3 W L 934 0,03 m 41

42 Dimensionamento di un sistema FWS a servizio di 5 A.E. rete mista Rapporto lunghezza/larghezza: L: W 934: 0, :1 NO non è compreso tra: 2:1 e 10:1 W 3 m L 10 m L Rapporto lunghezza/larghezza: : W 10:3 3,3:1 OK compreso tra: 2:1 e 10:1 42

43 Confronto H-SSF e FWS Dati : Q 1 m 3 /giorno C i 210 mg/l (BOD 5 ) C o 20 mg/l (BOD 5 ) H SSF 2 A 16,3 m FWS 2 A 29,3 m FWS 2 H-SSF 43

44 Dimensionamento di un sistema H-SSF a servizio di 5 A.E. rete duale Dati di progetto: Q (acque grigie) 0,7 m 3 /giorno BOD mg/l T 12 C K s m/giorno Riuso irriguo (D.M. 185/2003) C o 20 mg/l (BOD 5 in uscita dall impianto di fitodepurazione) BOD mg/l BOD 5 20 mg/l H-SSF 44

45 Dimensionamento di un sistema H-SSF a servizio di 5 A.E. rete duale Applicazione del modello monoparametrico (Reed, Crites & Middlebrooks 1998) k Coefficiente di rimozione: ( T 20) ( 12 20) k20 θ 1,104 1,06 0,693 giorni Tempo di detenzione nominale: HRT 1 k T ln C C o i 1 0,693 ln ,17 giorni 45

46 Dimensionamento di un sistema H-SSF a servizio di 5 A.E. rete duale Volume di reazione: V HRT Q 3,17 0,70 3 2,22 m Area superficiale: V A h ε h 0,55 m ε 0,38 m 3 m 3 A 2,22 0,55 0, ,6 m 46

47 Dimensionamento di un sistema H-SSF a servizio di 5 A.E. rete duale W 1 Q A h m k s Larghezza minima del letto filtrante: ,55 0,70 10,6 0, ,19m 20% del carico idraulico a disposizione 1/3 della conducibilità idraulica L W A Lunghezza del letto filtrante: 10,6 0,19 55,8 m 47

48 Dimensionamento di un sistema H-SSF a servizio di 5 A.E. rete duale L Rapporto lunghezza/larghezza: : W 55,8: 0,19 294:1 NO non è compreso tra: 1:1 e 3:1 W 2,00 m L 5,30 m L Rapporto lunghezza/larghezza: : W 5,30 : 2,00 2,65:1 OK compreso tra: 1:1 e 3:1 48

49 Confronto trattamento reflui domestici acque grigie Dati trattamento reflui domestici: Q 1 m 3 /giorno C i 210 mg/l (BOD 5 ) C o 20 mg/l (BOD 5 ) H SSF (1) Trattamento reflui domestici 2 A 16,3 m Dati trattamento acque grigie: Q 0,7 m 3 /giorno C i 180 mg/l (BOD 5 ) C o 20 mg/l (BOD 5 ) H SSF (2) Trattamento acque grigie 2 A 10,6 m H-SSF (1) 1,5 H-SSF(2) 49

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