Sistemi fognari unitari e separati: aspetti funzionali e ambientali. A. Paoletti 1, S. Papiri 2

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1 Sistemi fognari unitari e separati: aspetti funzionali e ambientali A. Paoletti 1, S. Papiri 2 1. Politecnico di Milano 2. Università degli Studi di Pavia 1. Premessa Lo sviluppo storico dei territori urbanizzati è accompagnato dalla progressiva evoluzione delle strutture di drenaggio idraulico destinate ad irreggimentare i corsi d acqua naturali, a drenare le falde laddove queste si rialzano a livelli incompatibili con gli insediamenti e con le infrastrutture esistenti nel sottosuolo, nonché a raccogliere e convogliare a valle le acque meteoriche e i reflui delle attività civili e produttive. È anche interessante lo studio degli insuccessi, talvolta clamorosi, che l uomo ha incontrato in questa secolare attività, legati spesso non tanto ad insipienza, quanto all oggettiva difficoltà di individuare il migliore compromesso nella dinamica delle diverse esigenze e vincoli e delle mutevoli condizioni indotte dalla evoluzione socio-economica del territorio. Tali difficoltà sono oggi ancora più presenti. Il massiccio sviluppo urbanistico che attualmente si riscontra ovunque nel mondo, ma la cui dinamica è impressionante soprattutto nei paesi in via di sviluppo, conduce ad assorbire all interno del tessuto urbano corsi d acqua e falde con effetti spesso dirompenti sul loro regime idrologico e sul loro equilibrio ecologico. I sistemi fognari sono deputati al controllo di tutti, o quasi tutti, i fenomeni idraulici che coesistono nel territorio urbanizzato. Nell odierno dibattito relativo alla scelta tra sistemi fognari unitari o separati non si deve quindi dimenticare che la loro attuale configurazione proviene sovente da una lunga storia caratterizzata da tappe di assoluto prestigio culturale oltre che tecnico. I sistemi fognari ricevono non solo le acque reflue e le acque meteoriche urbane, ma spesso anche altre acque superficiali e sotterranee, la cui presenza era un tempo ritenuta favorevole ed incentivata per ottenere benefici effetti di diluizione. La necessità di limitare al minimo la presenza di acque parassite nelle portate addotte agli impianti di depurazione deve quindi essere posta a confronto con i motivi che determinano la presenza di tali acque nelle reti, oltre che con le esigenze oggettive di prevedere anche per esse, ove necessario, un trattamento appropriato. Il dibattito sulle fognature unitarie e separate è ancora attuale poiché lo sviluppo delle conoscenze conduce a continui aggiornamenti sulla presenza significativa di sostanze inquinanti non solo nelle acque reflue ma anche nelle acque meteoriche e nelle altre acque superficiali e sotterranee. La ricetta che prevedeva il sistema separato come risposta migliore all efficienza depurativa non regge nei confronti delle nuove conoscenze sull inquinamento delle acque meteoriche urbane. Se l ingegnere idraulico è ben consapevole delle esigenze di funzionalità delle strutture di convogliamento ed invaso e l ingegnere sanitario è ben consapevole delle esigenze di funzionalità degli impianti di depurazione, entrambi devono oggi essere altrettanto consapevoli che il buon risultato delle loro scelte non è legato solo alla funzionalità o idraulica o impiantistica delle dette strutture, ma anche al miglior risultato complessivo nei confronti del territorio e dei corpi idrici superficiali e sotterranei con esso interconnessi. Oggi la ricetta migliore deve essere ricercata caso per caso attraverso una scelta integrata del sistema fognario-depurativo tale da consentire il miglior risultato, con le migliori tecnologie disponibili e con costi compatibili, in termini di rimozione degli inquinanti e di qualità ambientale complessiva. 1

2 In generale, un sistema di drenaggio urbano è costituito dalle opere di drenaggio superficiale (caditoie e cunette, allacciamenti privati), dalle canalizzazioni destinate al convogliamento delle acque meteoriche di dilavamento e delle acque reflue di origine civile e produttiva, dagli eventuali manufatti di controllo idraulico e ambientale (scaricatori di piena, vasche di prima pioggia e vasche volano), dalle eventuali stazioni di sollevamento, dai manufatti di scarico e dall impianto di trattamento. Tutto il sistema deve essere concepito in modo unitario e coerente per evitare le disfunzioni che emergono quando rete di drenaggio e impianto di trattamento sono progettati indipendentemente l uno dall altro [Artina e Paoletti, 1997]. Il sistema di drenaggio nel suo complesso deve essere efficiente e compatibile con l ambiente circostante, cioè: - la frequenza delle insufficienze della rete deve essere economicamente compatibile con i danni da esse arrecati agli insediamenti residenziali e produttivi serviti; - le massime portate recapitate ai corpi idrici riceventi non devono eccedere la loro capacità idraulica di trasporto; - i carichi inquinanti effluenti dagli scarichi delle acque meteoriche e dagli impianti di trattamento devono globalmente essere compatibili con i ricettori; non devono produrre effetti di tossicità né acuti, né di lungo periodo per accumulo. Una buona risposta a queste esigenze può ottenersi, come viene più oltre mostrato, con entrambe le tipologie, unitarie o separate, di sistemi fognari, purché entrambe siano dotate delle moderne tecnologie di invaso e scarico; la scelta motivata dell uno e dell altro sistema deve allora derivare caso per caso dalle analisi delle condizioni ingegneristiche, ambientali ed economiche legate alla specifica situazione. 2. Riferimenti normativi L installazione e l esercizio degli impianti di fognatura e depurazione sono regolamentati dall allegato 4 della delibera 4 febbraio 1977 del Comitato Interministeriale: Criteri, metodologie e norme tecniche generali di cui all art. 2, lettere b), d) ed e), della legge 10 maggio 1976, n. 319, recante norme per la tutela delle acque dall inquinamento. L allegato recita: Per impianto di fognatura si intende il complesso di canalizzazioni, generalmente sotterranee, atte a raccogliere ed allontanare da insediamenti civili e/o produttivi le acque superficiali (meteoriche, di lavaggio, ecc.) e quelle reflue provenienti dalle attività umane in generale.. Una rete di fognatura può essere a sistema misto quando raccoglie nella stessa canalizzazione sia le acque di tempo asciutto, che quelle di pioggia, ed a sistema separato se le acque reflue vengono raccolte in una apposita rete distinta da quella che raccoglie le acque superficiali. Il Decreto Presidente del Consiglio dei Ministri 4 marzo 1996 Disposizioni in materia di risorse idriche, nell Allegato, al punto (Fognatura separata) recita: Nelle zone di nuova urbanizzazione e nei rifacimenti di quelle esistenti si deve di norma, salvo ragioni tecniche, economiche ed ambientali contrarie, prevedere il sistema separato. In tali zone si prevede l avvio delle acque di prima pioggia nella rete nera se compatibile con il sistema di depurazione adottato. Il Decreto Legislativo 11 maggio 1999, n. 152 Disposizioni sulla tutela delle acque dall inquinamento e recepimento della direttiva 91/271/CEE concernente il trattamento delle acque reflue urbane e della direttiva 91/676/CEE relativa alla protezione delle acque dall inquinamento provocato da nitrati provenienti da fonti agricole, modificato ed integrato ai sensi del D.Lgs.18 agosto 2000, n. 258, definisce la disciplina generale per la tutela delle acque superficiali, marine e sotterranee. Il Decreto, all art. 2, comma 1, definisce: 2

3 - acque reflue urbane : acque reflue domestiche o il miscuglio di acque reflue domestiche, di acque reflue industriali ovvero meteoriche di dilavamento convogliate in reti fognarie, anche separate, e provenienti da agglomerato; - rete fognaria : il sistema di condotte per la raccolta e il convogliamento delle acque reflue urbane; - fognature separate : la rete fognaria costituita da due condotte, una che canalizza le sole acque meteoriche di dilavamento e può essere dotata di dispositivi per la raccolta e la separazione delle acque di prima pioggia, l altra che canalizza le altre acque reflue unitamente alle eventuali acque di prima pioggia; - trattamento appropriato : il trattamento delle acque reflue urbane mediante un processo ovvero un sistema di smaltimento che dopo lo scarico garantisca la conformità dei corpi idrici ricettori ai relativi obiettivi di qualità ovvero sia conforme alle disposizioni del presente decreto. L art. 25 (Risparmio idrico) al comma 2 recita: Il comma 1 dell articolo 5 della legge 5 gennaio 1994, n. 36 è sostituito dal seguente: 1. Le Regioni prevedono norme e misure volte a favorire la riduzione dei consumi e l eliminazione degli sprechi ed in particolare a: - e) realizzare nei nuovi insediamenti sistemi di collettamento differenziati per le acque piovane e per le acque reflue. L art. 27 (Reti fognarie) del Capo III (Tutela qualitativa della risorsa: disciplina degli scarichi), al comma 3 recita: La progettazione, la costruzione e la manutenzione delle reti fognarie si effettuano adottando le tecniche migliori che non comportino costi eccessivi L art. 39 (Acque meteoriche di dilavamento e acque di prima pioggia) recita: Ai fini della prevenzione di rischi idraulici ed ambientali, le regioni disciplinano: a) le forme di controllo degli scarichi di acque meteoriche di dilavamento provenienti da reti fognarie; Le regioni disciplinano altresì i casi in cui può essere richiesto che le acque di prima pioggia e di lavaggio delle aree esterne siano convogliate ed opportunamente trattate in impianti di depurazione per particolari ipotesi nelle quali, in relazione alle attività svolte, vi sia il rischio di dilavamento dalle superfici impermeabili scoperte di sostanze pericolose o di sostanze che creano pregiudizio per il raggiungimento degli obiettivi di qualità dei corpi idrici. Le recenti disposizioni legislative citate sembrano trarre origine dalla convinzione che il sistema fognario separato sia sempre preferibile a quello misto, in quanto evidentemente si ritiene che lo scarico diretto senza trattamento delle acque meteoriche di dilavamento non comporti, in genere, gravi problemi per il ricettore. Tale convinzione sembra pertanto nascere dall idea che la miglior protezione ambientale si consegua evitando la miscelazione delle acque meteoriche di dilavamento con quelle reflue di origine civile e produttiva, in quanto: - si evita lo sfioro di acque miste inquinate dagli scaricatori di piena nei corpi idrici ricettori durante gli eventi meteorici; - si riserva alle sole acque reflue il trattamento negli impianti di depurazione, con conseguente maggiore affidabilità della depurazione per la maggiore costanza dei carichi idraulici e di massa in ingresso. Si tratta peraltro di disposizioni che possono considerarsi non aggiornate e non realistiche almeno per tre ordini di fatti: - le acque meteoriche di dilavamento presentano normalmente tassi anche molto elevati di inquinamento organico e inorganico, tanto che il loro scarico tal quale è sovente inaccettabile per i ricettori; - una effettiva e completa separazione delle reti fognarie è in pratica molto difficile da realizzare e mantenere nel tempo, soprattutto quando si voglia trasformare in separato un sistema esistente misto; inoltre essa comporta maggiori costi di investimento e di esercizio; - un sistema separato reale mantiene sempre un aliquota non trascurabile di allacciamenti scorretti, o di acque nere nella rete meteorica o di acque meteoriche nella rete nera; in tali 3

4 situazioni i presunti vantaggi ambientali del sistema separato sono completamente vanificati a causa dell invio diretto nei corpi ricettori di carichi inquinanti anche assai rilevanti. 3. Qualità delle acque meteoriche di dilavamento La letteratura scientifica presenta un abbondante casistica di determinazioni della qualità delle acque meteoriche di dilavamento nelle più svariate situazioni. Infatti da oltre un trentennio sono in corso studi teorici e sperimentali su tale problematica [Weibel e altri, 1964; De Filippi e Shih, 1971; Sartor e altri, 1974; Wanielista e altri, 1977; Lindholm e Balmèr, 1978; Novotny e Chesters, 1981; Reinertsen, 1982; Veltri, 1988; Oliveri, Viviani e La Loggia, 2002; Artina e altri, 1997; Calenda, 1997; Ciaponi, Mutti e Papiri, 2002; Milano, Pagliara e Dellacasa, 2002]. Nel seguito sono riportati alcuni dei risultati più recenti registrati in diversi Paesi in aree residenziali, commerciali ed industriali ed alcuni confronti fra la qualità delle acque meteoriche scaricate da fognature unitarie e da fognature separate. Dall analisi dei risultati di una vasta campagna di ricerche sperimentali finanziata dallo Stato francese, emerge che gli scarichi di fognature pluviali presentano le seguenti concentrazioni medie: - BOD 5 : mg/l; - COD : mg/l; - SS tot : mg/l. Nei singoli eventi tuttavia, soprattutto se di modesta altezza totale di precipitazione e aventi luogo dopo lunghi periodi di tempo asciutto, le concentrazioni di inquinanti rilevate hanno raggiunto valori molto più elevati: - BOD 5 : mg/l; - COD : mg/l; - SS tot. : mg/l. Significativi sono i risultati delle ricerche svolte in Italia in numerosi bacini sperimentali 1. Tra queste si citano quelle ottenute in due bacini rispettivamente dotati di fognatura separata e unitaria. La prima riguarda la qualità delle acque meteoriche defluenti in una fognatura separata del bacino sperimentale Picchianti (Livorno) che ha un area di 43 ha ed è a carattere prevalentemente industriale [Milano, Pagliara e Dellacasa, 2002]. I dati di qualità, prelevati nel corso di 14 eventi e riportati in Tab. 1, confermano l elevato grado di inquinamento, in termini di solidi sospesi e di COD, presente nelle acque che, raccolte e fatte defluire in una fognatura solo pluviale, non subiscono alcuna contaminazione da parte degli scarichi di acque reflue di origine non meteorica. Le concentrazioni medie di SS e COD nei singoli eventi presentano i seguenti campi di variabilità: - SS : mg/l - COD : mg/l. 1 Il Centro Studi Idraulica Urbana, con sede presso il Politecnico di Milano, coordina le ricerche di un vasto gruppo di ricercatori universitari. Sono oggi attivi otto bacini urbani sperimentali italiani distribuiti nel territorio nazionale. 4

5 Evento No. Data Durata tempo secco antecedente giorni media mg/l Solidi sospesi max mg/l Carico kg media mg/l COD max mg/l Carico kg 1 19/03/ /03/ /04/ /09/ /10/ /10/ /10/ /11/ /11/ /11/ /02/ /02/ /01/ /01/ Tab. 1 Qualità dell acqua di dilavamento raccolta dalla fognatura solo pluviale del bacino sperimentale Picchianti (Livorno) a carattere industriale [Milano e altri, 2002]. Le concentrazioni massime di SS e COD nei singoli eventi presentano i seguenti campi di variabilità: - SS : mg/l - COD : mg/l. I valori medi di SS e COD per tutti i 14 eventi sono pari a: - SS : 216 mg/l; - COD : 128 mg/l. La seconda ricerca, svolta a Pavia, riguarda la qualità delle acque meteoriche in una fognatura unitaria nel bacino sperimentale di Cascina Scala. Il bacino, del tipo residenziale, ha un area di 11 ha ed è stato oggetto di due campagne di acquisizione di dati di qualità delle acque defluenti nella rete di drenaggio di tipo unitario durante 14 eventi pluviometrici, nel corso dei quali sono stati prelevati 162 campioni [Ciaponi e altri, 2002]. La Tab.2 riporta il campo di variabilità e i valori medi dei parametri di qualità analizzati con riferimento a tutti i campioni. 5

6 Parametro Unità di Valore Valore Valore misura medio minimo massimo Conducibilità specifica µs/cm COD mg/l BOD 5 mg/l Idrocarburi mg/l Solidi sospesi mg/l Solidi sedimentabili ml/l Azoto totale mg/l Azoto ammoniacale mg/l Fosforo mg/l Piombo mg/l Zinco mg/l Tab. 2 Campo di variabilità e valori medi aritmetici dei parametri di qualità per i 162 campioni prelevati in tempo di pioggia dalla fognatura unitaria del bacino sperimentale di Cascina Scala (Pavia) [Ciaponi e altri, 2002]. La fig. 1 riporta le caratteristiche dell evento pluviometrico n. 14 del 20/04/2001 con evidenziati gli istanti di campionamento, mentre la tab. 3 riporta le concentrazioni dei vari parametri nei differenti campioni, le concentrazioni medie sull intero evento e le concentrazioni medie sui primi 5 mm di deflusso. Dal punto di vista idrologico in tale evento si sono misurati i seguenti valori caratteristici: altezza totale di precipitazione pari a 15,8 mm; volume totale di afflusso meteorico al bacino pari a 1817 m 3 ; volume totale di deflusso pari a 840 m 3 ; coefficiente globale di afflusso pari a 0,46; coefficiente di afflusso riferito alle sole aree impermeabili pari a 0,72. Anche per questo bacino si riscontra nelle acque meteoriche di dilavamento un elevato grado di inquinamento per ciò che riguarda BOD, COD, idrocarburi, solidi sospesi totali, azoto totale, piombo e zinco. Vale anche la pena di osservare che nella prima parte dell evento di piena le concentrazioni aumentano drasticamente anziché ridursi per effetto della diluizione delle acque reflue che potrebbe attendersi dalle acque di origine meteorica. Peraltro va osservato che essendo la fognatura di tipo unitario, i dati di tab. 2 sono affetti da un qualche grado di incertezza per quanto riguarda il contributo inquinante connesso con le sole acque di dilavamento a causa soprattutto della possibile ripresa in sospensione del materiale eventualmente sedimentato in tempo asciutto operata dal deflusso connesso con l evento meteorico. Vale inoltre la pena di segnalare che i valori di tab. 2 sono valori medi aritmetici dei parametri di qualità per i 162 campioni prelevati in tempo di pioggia e non rappresentano i valori medi dei parametri negli eventi analizzati. In particolare, essi rappresentano una stima in eccesso dei valori medi, in quanto il campionamento normalmente copre solo la prima parte (la più inquinata) dell idrogramma di piena. In sintesi, dall esame della letteratura scientifica del settore emerge chiaramente che è assolutamente giustificata l opinione, ormai sempre più diffusa nella comunità scientifica, che per perseguire un effettivo miglioramento qualitativo dei corpi idrici non è sufficiente depurare le sole acque reflue, ma è anche necessario mettere in atto opportune strategie per il controllo degli scarichi di origine meteorica. 6

7 mm/min Q (l/s) t ( m i n ) Fig. 1 Ietogramma, idrogramma e istanti di campionamento relativi all evento 14 del 20/4/2001 misurato nel bacino di Cascina Scala (Pavia) [Ciaponi e altri, 2002]. N Cond. µs/cm COD mg/l BOD 5 mg/l Solidi sospesi mg/l Solidi sed. ml/l N totale mg/l N amm. mg/l P mg/l Pb mg/l Zn mg/l Valori medi sull intero evento Valori medi sui primi 5 mm di deflusso Tab. 3 - Qualità delle acque defluenti nel sistema fognario unitario durante l evento n 14 del 20/04/2001 misurato nel bacino di Cascina Scala (Pavia) [Ciaponi e altri, 2002]

8 In base ai dati sperimentali suddetti è interessante porsi dal punto di vista dei corpi idrici ricettori e quindi stimare entrambe le componenti di inquinamento che impattano sugli stessi: quella che si origina durante le precipitazioni, dovuta all inquinamento veicolato dalle acque meteoriche di dilavamento, e quella permanente nel tempo, dovuta agli scarichi degli impianti di depurazione. Sull importanza reciproca di tali due componenti potrebbe infatti sussistere qualche dubbio. Infatti, da una parte, l inquinamento veicolato dalle acque meteoriche potrebbe, in prima analisi, ritenersi trascurabile rispetto a quello veicolato allo scarico degli impianti di depurazione, dal momento che non tutte le superfici urbane sono oggetto di scarichi inquinati e che il dilavamento meteorico avviene solo in tempo di pioggia, mentre lo scarico di acque reflue trattate avviene in modo continuativo; ma, d altra parte, la rimozione dell inquinamento operata dagli impianti di depurazione riduce molto (l efficienza depurativa media è dell ordine dell 80 90%) il carico immesso nei ricettori. Per effettuare tale confronto può essere utile riferirsi inizialmente ad un sistema separato teorico, ad un sistema, cioè, formato da una rete esclusivamente nera che raccoglie perfettamente e convoglia alla depurazione tutti gli scarichi neri e da una rete esclusivamente pluviale che raccoglie perfettamente ed avvia allo scarico diretto nel ricettore, senza alcuna depurazione, tutte le acque meteoriche. In tale sistema separato teorico non esistono quindi collegamenti scorretti, né di acque nere nei condotti pluviali, né di acque meteoriche nei condotti neri. Il confronto può essere organizzato considerando le masse annue di inquinanti scaricate nel ricettore rispettivamente dalle due componenti nera-trattata e meteorica del sistema separato che si originano in una generica unità (un ettaro) della superficie urbanizzata per effetto sia delle acque reflue nere provenienti dagli scarichi della popolazione equivalente ivi insediata, sia delle acque meteoriche di dilavamento provenienti durante le piogge dalla porzione di superficie (la cosiddetta superficie equivalente impermeabile) effettivamente drenata dalla fognatura pluviale. Il calcolo di tali due masse annue è agevole se si ammette: che i fenomeni di trasporto in rete siano di tipo conservativo, data la breve durata della corrivazione in rete, e cioè che nelle reti non avvengano trasformazioni biochimiche comportanti processi di trasformazione e decadimento delle sostanze inquinanti; che i fenomeni di sedimentazione/risospensione nelle reti, anche se significativi nel corso di ogni singolo evento, siano poco influenti sul bilancio annuo delle masse di inquinante veicolate. In sostanza con l assunzione di tali ipotesi si viene ad ammettere che le masse annue di inquinanti che si generano nella superficie unitaria considerata si trasferiscano senza trasformazioni alle uscite delle due reti, costituite rispettivamente dallo scarico diretto nel ricettore, per la rete pluviale, ed all ingresso nel depuratore, per la rete nera. Inoltre si ammette di poter calcolare le dette masse annue in funzione di valori costanti dei parametri rappresentativi dell inquinamento veicolato dalle acque nere e meteoriche. In particolare, i parametri qui utilizzati per tale confronto sono i seguenti: acque meteoriche di dilavamento: precipitazione annua = 1000 mm coefficiente d afflusso = 1 2 superficie impermeabile soggetta ad emissioni inquinate = 50% concentrazione media solidi sospesi (SST) = 300 mg/l concentrazione media COD = 150 mg/l concentrazione media BOD 5 = 30 mg/l dotazione idrica immessa in fognatura nera = 250 l/ab giorno 2 Il confronto è effettuato con riferimento ad un ettaro di superficie impermeabile corrispondente al prodotto della superficie effettiva del bacino per il suo coefficiente d afflusso medio ponderale. 8

9 carichi specifici nelle acque nere: SST = 90 g/ab giorno COD = 120 g/ab giorno BOD 5 = 60 g/ab giorno efficienza della depurazione: rimozione SST = 90% rimozione COD = 80% rimozione BOD 5 = 90% Come si può rilevare, si tratta di valori standard per quel che riguarda le acque nere e le efficienze della depurazione, mentre le concentrazioni medie delle acque meteoriche di dilavamento si collocano in posizione intermedia all interno degli intervalli prima citati per i valori sperimentali. Effettuati i detti calcoli di bilancio, i risultati sono mostrati nelle tab. 4 e nella fig. 2 che riportano le masse annue scaricate (in kg/ha imp /anno) in funzione della densità abitativa (in ab/ha imp ). Ovviamente, tenendo conto delle ipotesi prima citate, tali risultati possono ritenersi validi solo per una valutazione media degli ordini di grandezza e per una stima approssimata dell importanza reciproca dei due impatti che i ricettori subiscono per effetto degli scarichi rispettivamente di acque meteoriche non trattate e di acque reflue trattate. Dens ab/ha imp M scar kg/ha imp /anno M dep M tot kg/ha imp /anno rapporto M scar /M dep kg/ha imp /anno SST COD BOD Tab. 4 Masse (kg/ha imp /anno) di SST, COD, BOD 5 scaricate nei ricettori da una rete separata teorica in funzione della densità abitativa (ab/ha imp ), ove: M scar = massa scaricata dalla rete pluviale, M dep = massa scaricata dalla rete nera a valle della depurazione, M tot = Massa scaricata totale. Come si deduce dalla tab. 4 e dalla fig. 2, se si considerano gli SST, la componente di impatto sul ricettore dovuta alle acque meteoriche di dilavamento è assai rilevante, tanto da risultare maggiore in molti casi di quella derivante dalle acque reflue trattate. Considerando invece il COD e il BOD 5, tale componente è percentualmente meno rilevante, ma pur sempre molto significativa. Pertanto, in un sistema separato teorico, nel senso prima precisato, la presenza di un impianto di trattamento dei reflui anche molto efficiente realizza solo una parte, e non la principale, degli obiettivi di disinquinamento del territorio e dei ricettori. Se poi si considerasse che sovente i sistemi separati reali presentano collegamenti scorretti di acque nere nella rete pluviale, il confronto 9

10 risulterebbe ancora più sfavorevole, anche con una modesta percentuale di abitanti collegati alla rete pluviale anziché a quella nera. Masse scaricate da sistemi separati "teorici" (kg/ha imp x anno) SST meteo non dep SST nere dopo dep SST totali COD meteo non dep COD nere dopo dep COD totali BOD meteo non dep BOD nere dopo dep BOD totali Dens (ab/ha imp ) Fig. 2 Masse annue (kg/ha imp ) di SST, COD, BOD 5 scaricate nei ricettori da una rete separata teorica in funzione della densità abitativa (ab/ha imp ). I dati derivano dai parametri indicati nel testo. 4. Il controllo dell inquinamento delle acque meteoriche di dilavamento Il controllo degli scarichi di origine meteorica, finalizzato alla riduzione dell impatto inquinante sui corpi idrici ricettori, può essere attuato mediante interventi strutturali o non strutturali. Gli interventi non strutturali consistono nell attuazione di protocolli di manutenzione delle pavimentazioni stradali urbane atti ad asportare frequentemente con appositi automezzi le polveri e i depositi organici e inorganici. La frequenza e la tipologia dei mezzi di lavoro influenzano decisamente il risultato conseguito, che può consentire un rilevante abbattimento delle sostanze inquinanti. Tra i provvedimenti non strutturali possono anche includersi quelli riguardanti le caditoie stradali, ove queste siano atte a intrappolare i solidi in ingresso in attesa dell arrivo degli automezzi deputati al loro svuotamento periodico. Gli interventi strutturali sono principalmente attuati nelle reti fognarie urbane mediante scaricatori di piena e vasche di prima pioggia, secondo diversi schemi impiantistici che prevedono: l impiego di soli scaricatori di piena; l impiego congiunto di scaricatori di piena e vasche di prima pioggia in linea; l impiego congiunto di scaricatori di piena e di vasche di prima pioggia fuori linea. Nelle reti pluviali destinate al drenaggio di pavimentazioni esterne ai centri urbani (aree di servizio e di parcheggio, autostrade e grande viabilità, piste e aree di parcheggio aeroportuali, ecc.) gli interventi strutturali prevedono spesso l adozione, in corrispondenza dei punti di scarico opportunamente centralizzati, di impianti di trattamento appropriato realizzato normalmente con grigliatura, sedimentazione e separazione di oli e grassi. Sono in atto esperienze interessanti anche 10

11 con trattamenti diffusi di tipo chimico-fisico in corrispondenza dei terminali di brevi e frequenti reti di drenaggio stradale [Sansalone e altri, 2002]. Tornando alle reti fognarie urbane, le vasche di prima pioggia, eventualmente accoppiate a scaricatori di piena, mirano all accumulo temporaneo della parte del volume di piena da avviare alla depurazione. Solo quando tale volume è stato completamente riempito entra in funzione lo scarico verso il ricettore delle portate in arrivo eccedenti. Lo svuotamento della vasca può avvenire o mediante pompaggio o tramite una bocca di controllo dello scarico di fondo tarata per la portata desiderata. Nelle vasche in linea le portate in ingresso coincidono con le portate provenienti dal sistema di drenaggio a monte; nelle vasche fuori linea il riempimento avviene invece con le portate sfiorate dallo scaricatore di piena. In queste ultime il sistema di alimentazione della vasca va realizzato in modo tale da escludere la vasca a riempimento avvenuto e ciò al fine di evitare che le acque invasate vengano diluite da quelle in arrivo aventi concentrazioni di inquinanti sempre più basse. Gli schemi indicati in fig. 3 si riferiscono ai casi in cui il controllo dello scarico nel ricettore avviene semplicemente mediante un manufatto (scaricatore di piena) che consente lo scarico nel ricettore solo quando la portata supera un valore di soglia prefissato. Fig. 3 Schemi di reti rispettivamente unitarie e separate con manufatto ripartitore (scaricatore) [da Sistemi di fognatura Manuale di progettazione, CSDU, Hoepli]. Gli schemi indicati in fig. 4 si riferiscono ai casi in cui il controllo delle portate scaricate nel ricettore è effettuato mediante una vasca di prima pioggia in linea attraverso la quale sono accumulate, per essere poi inviate alla depurazione, le prime acque di pioggia; a completo riempimento della vasca, la portata eccedente quella inviata alla depurazione viene scaricata nel ricettore. Gli schemi indicati in fig. 5 si riferiscono ai casi in cui il controllo delle portate scaricate nel ricettore è effettuato mediante una vasca di prima pioggia fuori linea alimentata attraverso uno scaricatore di piena quando, in tempo di pioggia, la portata ha superato un prefissato valore di soglia, al di sotto del quale l acqua defluente viene invece inviata tutta alla depurazione. Il sistema di alimentazione della vasca è munito di un dispositivo che consente di escludere la vasca a riempimento avvenuto, onde evitare la miscelazione dell acqua invasata con le successive acque di dilavamento, generalmente meno inquinate. Raggiunto il completo riempimento della vasca, la portata eccedente rispetto a quella inviata alla depurazione viene scaricata nel ricettore attraverso lo scaricatore di piena. Al termine dell evento le acque accumulate in vasca vengono inviate al trattamento. 11

12 Fig. 4 Schemi di reti rispettivamente unitarie e separate con vasca di prima pioggia in linea [da Sistemi di fognatura Manuale di progettazione, CSDU, Hoepli]. Fig. 5 Schemi di reti rispettivamente unitarie e separate con vasca di prima pioggia fuori linea [da Sistemi di fognatura Manuale di progettazione, CSDU, Hoepli]. Con quest ultimo schema funzionale, l efficacia delle vasche di prima pioggia risulta ottimale poiché si raggiunge la massima riduzione della frequenza, del volume degli scarichi nel ricettore e del carico inquinante in esso sversato. La grande efficacia delle vasche di prima pioggia, anche con dimensioni relativamente contenute, è anche legata al fenomeno del cosiddetto primo lavaggio (nella letteratura anglosassone: first flush ), bene evidenziato dall evento sperimentale riportato in fig. 6 in cui si osserva come nella prima parte dell evento si concentri il trasporto degli inquinanti. Infatti le curve cumulate delle masse inquinanti crescano assai più rapidamente di quella del volume di deflusso; ad esempio, nell istante in cui è ormai transitato il 50% del volume di deflusso sono già transitati circa l 80% delle masse di SST e di COD. Statisticamente tale fenomeno è nettamente più frequente, anche se talvolta possono verificarsi isolati fenomeni di last flush legati a particolari combinazioni della distribuzione areale della precipitazione e della cinematica del bacino. 12

13 Cumulate, Evento t (min) Volume, Vtot = 523 mc Solidi, Mtot = 309 kg COD, Mtot = 421 kg Fig. 6 Cumulate dei volumi di deflusso e delle masse di SS e COD rapportate ai valori globali durante l evento n 13 del 20/04/2001 misurato nel bacino di Cascina Scala (Pavia) [Ciaponi e altri, 2002]. I processi di formazione, accumulo e rimozione degli inquinanti nel bacino e nella rete di drenaggio sono governati da fattori caratterizzati da elevata aleatorietà e ciò determina una forte variabilità, da evento a evento, delle caratteristiche qualitative delle acque di drenaggio urbane. Il controllo quali-quantitativo dello scarico nei corpi idrici basato esclusivamente sull utilizzazione nelle reti urbane di scaricatori di piena è assolutamente inadeguato; infatti con il regime pluviometrico del nostro e di molti altri paesi (ad esempio quelli della fascia temperata), caratterizzato da precipitazioni saltuarie, irregolari e con intensità medie significative, la sola utilizzazione degli scaricatori di piena, secondo i semplici schemi di fig. 3, non consente di ridurre sensibilmente l impatto sui ricettori in tempo di pioggia. In pratica, infatti, lo sfioro e il conseguente scarico di inquinanti avviene molte decine di volte l anno [Mignosa e altri, 1991; Papiri, 2000]. Con tali dispositivi quindi non è possibile limitare efficacemente né il numero di scarichi annui, né le masse di inquinanti scaricate, né le concentrazioni degli inquinanti allo scarico, neppure adottando valori elevati del rapporto di diluizione R, che comunque comporterebbero elevati oneri di investimento sia per le reti di drenaggio che per gli impianti di trattamento e maggiori oneri gestionali di questi ultimi. In proposito, si riportano nel seguito alcune delle risultanze di una ricerca svolta presso il Dipartimento di Ingegneria Idraulica e Ambientale dell Università di Pavia. Tramite modelli fisicamente basati è possibile quantificare l inquinamento indotto nei corpi idrici dallo scarico delle acque meteoriche defluenti in fognature miste o pluviali. Utilizzando il ben noto modello SWMM (Storm Water Management Model) dell EPA statunitense è stata effettuata la simulazione continua quali-quantitativa della trasformazione degli afflussi meteorici osservati per un anno in deflussi nella rete mista di drenaggio del bacino urbano sperimentale di Cascina Scala (Pavia) per valutare l efficacia di uno scaricatore di piena combinato con un invaso come sistema di controllo dei volumi idrici, delle masse e delle concentrazioni di inquinante scaricate. 13

14 Per la simulazione continua è stato preso in considerazione l anno 1997, nel quale si sono avuti 61 giorni piovosi (caratterizzati da un altezza di pioggia 1 mm) e un altezza totale di precipitazione di 836 mm. La registrazione pluviometrica continua è stata suddivisa in eventi meteorici distinti fissando un intervallo minimo di non pioggia o di assenza di basculate del pluviografo (Inter Event Time). Dal momento che una basculata equivale a 0.2 mm di precipitazione, stabilire un valore di IET equivale a fissare un valore minimo di soglia dell intensità di pioggia al di sotto del quale si considera assente la precipitazione. Eventi Altezza annua Durata mm ore IET ore Intensità media mm/ora Tab. 7 Numero di eventi, altezza di precipitazione annua, durata e intensità media al variare di IET. Una variazione del valore assunto per il parametro IET modifica il numero di eventi in cui viene suddivisa la registrazione continua, la durata di pioggia annua e l altezza totale di pioggia considerata; per questa ragione la scelta di un particolare valore di IET deriva dal compromesso tra le due esigenze di distinguere il numero maggiore possibile di eventi piovosi significativi e di trascurare il minor numero possibile di basculate. Per questo studio si è deciso di scegliere IET = 3 ore. Sono stati quindi individuati 56 eventi con le seguenti caratteristiche: altezza di precipitazione variabile da 1.0 a 89.2 mm; durata di precipitazione variabile da 0.2 a 49.3 h; intensità media di precipitazione variabile da 0.09 a mm/h. Dei suddetti 56 eventi, 15 hanno altezza di pioggia 1.6 mm (valore corrispondente alle depressioni superficiali delle superfici impermeabili del bacino), 16 hanno altezza di pioggia compresa tra 1.6 e 10 mm e 25 hanno altezza maggiore di 10 mm; inoltre, in 21 eventi l intensità media è minore di 1 mm/h, in 23 è compresa tra 1 e 5 mm/h e in 12 è maggiore di 5 mm/h. Nella fig. 7 è riportato il numero di eventi che generano scarico al variare della portata di soglia specifica dello scaricatore. 45 Numero di scarichi annui Portata di soglia specifica [l/(s*haimp)] Eventi che generano scarico Fig. 7 Eventi che generano scarico al variare della portata di soglia specifica. 14

15 Nella fig. 8 è mostrata la riduzione del volume scaricato in funzione della portata di soglia specifica. Riduzione de l volum e spe cifico sca rica to in funzione de lla porta ta m e te orica spe cifica de riva ta, in a sse nza di va sca Riduzione del volume scaricato in funzione della portata di soglia specifica, in assenza di vasca Volume scaricato/ volume scaricato per R= porta ta m e te orica spe cifica de riva ta (l/sha im p) portata di soglia specifica (l/s ha imp ) Fig. 8 Riduzione del volume scaricato in funzione della portata meteorica di soglia specifica. Emerge chiaramente che, almeno con il clima italiano, è impossibile controllare efficacemente sia il numero di scarichi annui sia i volumi scaricati agendo solo sulla portata di soglia dello scaricatore. Per analizzare più in dettaglio questa problematica sono state effettuate tre serie di simulazioni. Nella prima serie di simulazioni si è considerato il sistema fognario esistente come una fognatura di tipo esclusivamente pluviale e ciò al fine di determinare i pollutogrammi dovuti alle sole acque di origine meteorica. Nella seconda serie si è considerato il sistema fognario esistente misto con la reale variabilità media, durante il giorno, della portata delle acque reflue di tempo asciutto; non si sono considerati i fenomeni di sedimentazione e di risospensione in rete durante il tempo secco e ciò al fine di valutare il mero effetto sui pollutogrammi in tempo di pioggia della miscelazione delle acque di origine meteorica con le acque reflue. Nella terza serie, infine, si è considerato anche il fenomeno di sedimentazione e risospensione in rete per valutare gli effetti sulle concentrazioni e sulle masse di inquinanti scaricate nei corpi idrici ricettori della risospensione dei sedimenti presenti in fognatura operata dalle portate meteoriche; tale evenienza è abbastanza frequente nei centri urbani pianeggianti, avendo le reti fognarie pendenze molto deboli. In tutte e tre le serie di simulazioni si è considerata la presenza sul collettore finale della rete di drenaggio di uno scaricatore di piena e se ne è valutata l efficacia al variare della portata di attivazione dello scaricatore ovvero al variare del rapporto di diluizione R, rapporto fra la portata complessiva, proveniente dal sistema unitario o separato, addotta al trattamento durante la pioggia e la portata nera media di tempo asciutto. Così, ad esempio, ammesso che la portata nera media di tempo asciutto sia pari a 1 l/s/ha imp, R = 2 significa che la portata meteorica intercettata dallo scaricatore è pari a 1 l/s/ha imp, R = 3 significa che la portata meteorica intercettata dallo scaricatore è pari a 2 l/s/ha imp. I valori di concentrazione media e massima di SS nelle acque di origine meteorica risultanti dalla simulazione, pari rispettivamente a 442 mg/l e a 3691 mg/l, sono in ottimo accordo con quelli riportati in letteratura [Weibel e altri, 1964; De Filippi e Shih, 1971; Lindholm e Balmèr, 1978] e quindi sono da ritenere plausibili pur in assenza di verifica sperimentale. 15

16 Il carico totale annuo di SS dilavato dalle acque meteoriche risultante dalla simulazione, pari a kg, è in buon accordo con il valore (19524 kg) che si otterrebbe utilizzando una relazione sperimentale usata negli Stati Uniti per predire in fase di pianificazione il carico annuo di SS in funzione dell uso del suolo, dell altezza totale di precipitazione e della densità abitativa del bacino [Field e altri, 1977]. Si riportano alcuni risultati delle simulazioni con particolare riferimento al confronto fra sistema fognario misto e sistema fognario separato, per due differenti valori del parametro di dimensionamento dello scaricatore di piena (R = 3 e R = 5) e con riferimento all impiego di una vasca fuori linea. La tab. 8 e la fig. 9 mostrano il volume specifico scaricato in funzione del rapporto di diluizione R e del volume specifico W della vasca di prima pioggia. Si osserva come l abbinamento di una vasca di prima pioggia a uno scaricatore di piena consenta un efficace controllo dei volumi scaricati. R =2.0 R =2.5 R =3.0 R =3.5 R =4.0 R =4.5 R =5.0 R =5.5 R =6.0 W = W = W = W = W = W = W = W = W = W = W = Tab. 8 Volume specifico annuo scaricato (m 3 /ha imp ) in funzione del rapporto di diluizione R e del volume specifico W della vasca di prima pioggia (m 3 /ha imp ). Fig. 9 Volume specifico annuo scaricato (m 3 /ha imp ) in funzione del rapporto di diluizione R e del volume specifico W della vasca di prima pioggia (m 3 /ha imp ). 16

17 La figura 10 illustra l andamento della massa specifica scaricata in funzione del volume specifico della vasca per due differenti valori del rapporto di diluizione R. Fig. 10 Massa specifica annua di SS scaricata (kg/ha imp ) in funzione della tipologia del sistema fognario e del volume specifico della vasca di prima pioggia (m 3 /ha imp ) per valori del rapporto di diluizione R = 3 e R = 5. 17

18 Le figure 11 e 12 mostrano, rispettivamente per un sistema fognario misto e separato, in cui i fenomeni di deposizione e di risollevamento dei sedimenti non siano trascurabili, le concentrazioni medie annue allo scarico (mg/l) in funzione del rapporto di diluizione e del volume specifico della vasca di prima pioggia (m 3 /ha imp ) per un sistema di fognatura. Fig. 11 Sistema fognario misto con scaricatore ideale e vasca off-line con bypass a completo riempimento. Fig. 12 Sistema fognario separato con scaricatore ideale e vasca off-line con bypass a completo riempimento sulla rete di drenaggio delle acque meteoriche. 18

19 La figura 13 mostra, in funzione del sistema fognario, le concentrazioni massime annue allo scarico (mg/l) in funzione del rapporto di diluizione e del volume specifico della vasca di prima pioggia (m 3 /ha imp ). Fig. 13 Concentrazione massima allo scarico (mg/l) in funzione della tipologia del sistema fognario e del volume specifico (m 3 /ha imp ) della vasca di prima pioggia off-line con bypass a completo riempimento, per valori del rapporto di diluizione R = 3 e R = 5. 19

20 Dall esame delle figure sembra emergere chiaramente come il comportamento dei due sistemi fognari (misto e separato), con gli usuali criteri di dimensionamento degli scaricatori di piena (rapporto di diluizione compreso fra 3 e 5) e vasca di prima pioggia di volume pari a m 3 /ha imp, sia del tutto analogo, in termini di grado di protezione dei corpi idrici ricettori. Ne consegue ovviamente che un sistema fognario totalmente separato con scarico tal quale nel ricettore delle acque meteoriche di dilavamento è molto più inquinante di un sistema fognario misto correttamente progettato, cioè con scaricatori di piena dimensionati secondo i criteri usuali e vasche di prima pioggia. Una semplice valutazione orientativa della diversa efficienza dei sistemi unitari e separati, attrezzati con scaricatori di piena e con o senza le vasche di prima pioggia, può ottenersi con stime di bilancio annuo delle masse di inquinante scaricate sul ricettore analoghe a quelle riportate nel par. 3 riferite ai sistemi separati teorici. In particolare si considerano le seguenti tipologie di sistemi fognari: A. Sistema unitario attrezzato con scaricatori di piena e senza vasche di prima pioggia (Uni cs sv); B. Sistema unitario attrezzato con scaricatori di piena e con vasche di prima pioggia (Uni cs cv); C. Sistema separato attrezzato sulla rete pluviale con scaricatori di piena e senza vasche di prima pioggia (Sep cs sv); D. Sistema separato attrezzato sulla rete pluviale con scaricatori di piena e con vasche di prima pioggia (Sep cs cv). Nei casi A e B di fognature unitarie, tenendo conto delle molteplici risultanze degli studi prima citati, le valutazioni più oltre riportate assumono che gli scaricatori di piena dimensionati con un normale rapporto di diluizione siano atti a derivare verso la depurazione il 50 % del volume meteorico annuo. Inoltre nel caso B agli scaricatori di piena sono abbinate vasche di prima pioggia commisurate a 50 m 3 /ha imp, con le quali si assume, sempre alla luce della vasta documentazione di letteratura, che sia possibile eliminare dallo scarico nel ricettore ed avviare alla depurazione un ulteriore 50% del volume meteorico annuo sfiorato dagli scaricatori. Tale riduzione del volume scaricato è poi accompagnata, per effetto del fenomeno del first flush che comporta appunto una maggiore presenza dei carichi inquinanti nelle acque di prima pioggia, da una riduzione media del 60 % dei carichi annui scaricati in termini di SST, COD e BOD 5. Nel caso di reti esclusivamente pluviali (casi C e D), gli scaricatori di piena e le vasche di prima pioggia (caso D) si considerano avere caratteristiche tali da consentire prestazioni analoghe a quelle prima esposte per il caso delle reti unitarie. Le seguenti tabelle 9, 10 e 11 e la fig. 14 riportano le masse annue scaricate (in kg/ha imp ) in funzione della densità abitativa (in ab/ha imp ) in situazioni caratterizzate dagli stessi parametri considerati nel par. 3 per i sistemi separati teorici. Ovviamente anche in questo caso tali risultati possono ritenersi validi solo per una valutazione degli ordini di grandezza e per una stima approssimata dell importanza reciproca dei due impatti che i ricettori subiscono per effetto rispettivamente degli scarichi rispettivamente di acque meteoriche non trattate e di acque reflue e meteoriche trattate. 20

21 Dens Msc Mdep Mtot rapporto ab/ha imp kg/ha imp/anno kg/ha imp/anno kg/ha imp/anno Msc/Mdep Sep teorico Sep cssv Sep cscv Uni cssv Uni cscv Tab. 9 Masse annue (kg/ha imp ) di SST scaricate nei ricettori da reti unitarie con scaricatori di piena e con o senza vasche di prima pioggia e da reti separate attrezzate nella rete pluviale con scaricatori di piena e con o senza vasche di prima pioggia, in funzione della densità abitativa (ab/ha imp ). M scar = massa scaricata nel ricettore senza trattamento; M dep = massa scaricata a valle della depurazione; M tot = massa scaricata totale. I dati della tabella derivano dai parametri indicati nel testo. Dens Msc Mdep Mtot rapporto ab/ha imp kg/ha imp/anno kg/ha imp/anno kg/ha imp/anno Msc/Mdep Sep teorico Sep cssv Sep cscv Uni cssv Uni cscv