ACQUE DI PRIMA PIOGGIA NEI SISTEMI DI FOGNATURA. Sergio Papiri

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1 CORSO DI FORMAZIONE CRITERI DI PROGETTAZIONE DELLE VASCHE DI PRIMA PIOGGIA ACQUE DI PRIMA PIOGGIA NEI SISTEMI DI FOGNATURA Sergio Papiri Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura Università degli Studi di Pavia Via Ferrata, Pavia papiri@unipv.it ECOMONDO - novembre Rimini - Italy

2 Caratteristiche qualitative delle acque meteoriche di dilavamento Da oltre un quarantennio sono in corso studi teorici e sperimentali sulla qualità delle acque defluenti in sistemi fognari unitari e separati durante eventi meteorici. Numerosi sono anche gli studi sulle acque meteoriche di dilavamento provenienti dalle pavimentazioni delle strade urbane ed extraurbane. Tutti gli studi concordano sul fatto che normalmente queste acque sono molto contaminate e possono determinare un rilevante impatto negativo sulla qualità del corpo idrico ricettore. L obiettivo della riduzione di questo impatto può essere perseguito con molteplici metodologie, indicate come Storm Water Best Management Practices.

3 Il bacino residenziale di Cascina Scala (Pavia) Estensione: 12,68 ha Impermeabile 62% Lunghezza della rete fognaria 2km Misuratore di livello e modellatore a risalto Campionatore automatico refrigerato

4 Qualità delle acque defluenti nei sistemi fognari in tempo di pioggia Campo di variabilità dei parametri qualitativi dei campioni prelevati in tempo di pioggia nei sistemi fognari di Cascina Scala (23 eventi) e Picchianti (14 eventi) Sistema unitario di Sistema pluviale di Cascina Scala Picchianti Valore Valore Valore Valore Parametro minimo massimo minimo massimo Cond. specifica [µs/cm] COD [mg/l] < SS T [mg/l] < EMC SS T [mg/l] N TOT [mg/l] 1,51 128,6 < 5 10,6 NH 4 [mg/l] 0,45 39,6 < 0,5 2,0 P TOT [mg/l] 0,22 26,9 < 0,5 6,6

5 L area di pertinenza autostradale presso il casello di Cremona

6 Casello autostradale di Cremona Limiti 152/ /09/ /10/ /11/ /01/2008 Tab3 c.i.s. Tab4 suolo EMC Min Max EMC Min Max EMC Min Max EMC Min Max TSS [mg/l] COD [mg/l] Pb [µg/l] Al [µg/l] Zn [µg/l] Fe [µg/l] Cu [µg/l] Cr [µg/l] Ni [µg/l] , , , , ,8 19, ,5 2,9 15, , ,4 4,8 9, , ,1

7 Caratteristiche qualitative delle acque che transitano nei sistemi fognari in tempo di pioggia Sintesi dei risultati ottenuti su diversi siti sperimentali a Genova (Gnecco et al., 2005) AUTODEMOLITORE STAZIONE DI SERVIZIO VILLA CAMBIASO mean max min mean max min mean max min SST[mg/L] COD[mg/L] Cu [µg/l] 63,8 113,2 7,2 78,1 134,8 46,9 19,4 53,3 0,1 Pb [µg/l] 29,6 70,7 1,9 2,8 4,1 1,9 13,2 23,3 6,1 Zn [µg/l] 283,8 503,6 76,1 378,4 582,3 169,9 81,1 123,4 27,7 Cr [µg/l] 5,9 16,9 0, Ni [µg/l] 24,8 58,0 7, Cd [µg/l] 0,5 0,8 0,

8 Il grado di contaminazione delle acque defluenti in fognatura in tempo di pioggia Portata [L/s] i [mm/min] DATI SPERIMENTALI Tempo [min] 2400 Portata [L/s] Evento del 23/06/2000 a Cascina Scala (Pavia) Portata [L/s] SST [mg/l] COD [mg/l] Concentrazione [mg/l] Tempo [min] 0

9 Portata [L/s] i [mm/min] DATI SPERIMENTALI Evento del 17/03/2001 a Cascina Scala (Pavia) Portata [L/s] Tempo [min] 1800 Portata [L/s] SST [mg/l] COD [mg/l] Tempo [min] Concentrazione [mg/l]

10 Problemi ambientali connessi con l immissione nei ricettori fluenti di scarichi durante eventi meteorici Durante gli eventi meteorici si attivano gli scaricatori di piena dei sistemi fognari nei ricettori superficiali. L immissione nei ricettori fluenti di tali scarichi presenta varie criticità: portate di scarico spesso elevate in rapporto alla portata di base del ricettore e della sua capacità idraulica; Carico inquinante, spesso rilevante, sversato nel ricettore in maniera impulsiva; occasionalità idraulica dell evento di scarico, ma che si ripete con frequenza notevole (decine di volte in un anno).

11 Problemi ambientali L immissione di forti portate in corsi d acqua di piccole dimensioni provoca un alterazione rilevante delle condizioni idrauliche precedenti con consistenti incrementi dei tiranti idrici e delle velocità di deflusso. L incremento dei tiranti idrici e delle velocità di deflusso modifica le caratteristiche dell habitat e provoca l asportazione, in tutto o in parte, degli organismi che costituiscono la comunità acquatica. L alternarsi frequente di condizioni idrauliche e quindi di habitat molto diverse compromette la funzionalità idraulica nel suo insieme.

12 Problemi ambientali L immissione degli effluenti degli scaricatori, e in particolare della prima onda di cacciata inquinata (first flush), genera un picco di inquinamento improvviso. Carichi inquinanti di forte entità concentrati in brevi intervalli di tempo fanno variare in maniera marcata le caratteristiche qualitative delle acque del ricettore. Le brusche variazioni peggiorative delle caratteristiche qualitative delle acque non consentono agli organismi presenti di acclimatarsi, cioè di adattarsi alla presenza di inquinanti.

13 Problemi ambientali L inquinamento veicolato dallo scarico del first flush concerne solidi sospesi, sostanza organica, nutrienti, tensioattivi, oli e grassi, metalli pesanti, batteri fecali, ecc. Lo sversamento di tensioattivi determina la formazione di schiume, con un conseguente pesante impatto visivo. Pesante impatto visivo generano anche gli oli e i grassi. La forte carica batterica compromette le condizioni igieniche del ricettore, anche se, in genere, per un breve intervallo temporale.

14 PAVIA E LA ROGGIA VERNAVOLA Risultanze di ricerche sperimentali e modellazioni idrauliche e ambientali

15 SCARICHI FOGNARI nella Roggia Vernavola (PV) Il sistema fognario di tipo unitario serve una popolazione di circa AE (di origine civile circa e produttiva ). La superficie drenata è di circa 620 ha, di cui 340 ha impermeabili. Gli scarichi fognari sono 28: 25 scaricatori di piena 3 scarichi diretti WWTP

16 Impatto inquinante

17 CAMPAGNE DI MONITORAGGIO Stazioni di campionamento

18 CONFRONTO TRA CAMPAGNE DI TEMPO ASCIUTTO E DI TEMPO DI PIOGGIA US: Taxon; 100-OD (% sat.); BOD 5 (O2 mg/l); COD (O2 mg/l); NH 4 (N mg/l); NO 3 (N mg/l); P tot (P mg/l); E.coli (UFC/100 ml) Parametro 100-OD [% sat.] BOD 5 [O 2 mg/l] COD [O 2 mg/l] NH 4 [N mg/l] 27/06/ Tempo asciutto St. S1 St. S2 St. S3 St. S4 St. S5 St. S6 St. S7 St. S8 39,7 44,2 29,5 24,5 17,5 18,6 14,5 23,4 5 2,5 2,5 2,5 4 2,5 4 2,5 9 < 5 < 5 < 5 7 < 5 8 < 5 1,09 0,11 0,09 0,19 0,09 0,19 0,36 0,13 CQ LIM I II III IV V D.Lgs, 152/2006 Condizione ottima Condizione buona Condizione sufficiente Condizione scadente Condizione pessima NO 3 [N mg/l] Fosforo tot. [P mg/l] E. coli [UFC/100 ml] 1/07/2008 Alla fine dell evento meteorico del 30/06/2008 Parametro 100-OD [% sat.] BOD 5 [O 2 mg/l] COD [O 2 mg/l] NH 4 [N mg/l] 1,13 2,14 2,98 1,93 1,93 1,99 1,94 1,75 0,39 0,28 0,28 0,37 0,29 0,28 0,32 0,32 > * 1.100* Livello III II II II III II III III Colore St. S1 St. S2 St. S3 St. S4 St. S5 St. S6 St. S7 St. S ,4 20,6 21,3 25,4 32, , ,47 0,17 0,15 0,16 0,12 0,21 0,19 0,63 NO 3 [N mg/l] Fosforo tot. [P mg/l] E. coli [UFC/100 Ml] 1,75 1,61 1,81 1,49 1,52 1,76 1,69 1,7 0,30 0,25 0,22 0,26 0,23 0,24 0,28 0,26 > > Livello V III III III IV IV IV IV Colore

19 Risultanze delle modellazioni La massa inquinante annua scaricata nella Vernavola equivale allo sversamento diretto di acque reflue da parte di un centro abitato di circa AE. Quando gli scaricatori di piena sono attivi (una durata di circa 553 ore, pari a 23 giorni, nell anno in esame), mediamente, viene riversato nella roggia un carico inquinante equivalente allo scarico di acque reflue di circa AE.

20 Risultanze delle modellazioni Se poi si considera l evento meteorico che ha provocato il valore massimo di massa scaricata nella roggia (evento del 25 agosto 2006), l impatto esercitato dagli scarichi (riferito alla durata per cui transita il deflusso di pioggia nel sistema fognario, pari a circa 6 ore) è equivalente a quello prodotto in 6 ore da circa AE. Questi numeri mostrano la GRAVOSITÀ degli effetti prodotti sulla Vernavola in tempo di pioggia dagli scaricatori di piena, soprattutto se confrontati con il numero complessivo di AE serviti dal sistema fognario in studio, pari a circa unità.

21 Controllo qualitativo tradizionale Sistemi separati Sistemi misti bacino bacino T Sc T (Paoletti, 2005) Sc rete nera rete pluviale scaricatore di piena T impianto di trattamento

22 Effetti di scaricatori di piena Applicazione alla fognatura di Cascina Scala (Pavia) del modello SWMM dell US-EPA per una serie continua di eventi (1997) (Barco e Papiri, 2003). Numero di scarichi annui Eventi che generano scarico Massa scaricata Volum e scaricato Vscar/Vmax Mscar/Mmax Portata di soglia specifica [l/(s*haim p)] Numero di scarichi annui, volumi idrici e masse di SS scaricati, normalizzati, in assenza di depositi in rete

23 Emissario di scaricatore di piena in testa ad un impianto di depurazione di media dimensione (Controllo ambientale poco efficace)

24 Efflusso da scaricatore di piena in sponda sinistra del Ticino a Pavia

25 Effetto dell attivazione di uno scaricatore di piena in sponda sinistra del Ticino a Pavia sulla qualità del ricettore

26 Cascina Scala (Pavia) - Evento 11/04/2003 Concentrazione SST [mg/l] COD [mg/l] BOD5 [mg/l] HC [mg/l] Set S [ml/l] TN [mg/l] AN [mg/l] P [mg/l] Pb [µg/l] Zn [µg/l] Portata [l/s] Tempo [minuti] Le concentrazioni degli inquinanti sono massime durante la prima parte dell idrogramma di piena

27 Dinamica degli inquinanti nei sistemi fognari in tempo di pioggia Fenomeno del first flush 1 Cascina Scala 23 eventi SS/SSTOT 0,75 0,5 0, ,25 0,5 0,75 1 V/VTOT SS/SSTO T 0,75 0,5 0, ,25 0,5 0,75 1 V/VTOT La maggior parte della massa degli inquinanti transita nel sistema fognario nella prima fase del deflusso di piena

28 Fenomeno del first flush Cascina Scala Normalized Cumulative Mass Normalized Cumulative Flow SS COD BOD5 TN P Pb Zn 45 line

29 Miglioramento del controllo nei sistemi unitari rete nera bacino rete pluviale Sc scaricatore di piena Sc T V T vasca di prima pioggia impianto di trattamento Caso a Unitari con scaricatori Caso b Unitari con scaricatori e vasche p. p. bacino (Paoletti, 2005) V Sc T

30 Portate di inizio sfioro degli scaricatori e volumi utili delle vasche di prima pioggia Applicazione alla fognatura di Cascina Scala (Pavia) del modello SWMM dell US- EPA per una serie continua di eventi (1997) (Paoletti e Papiri, 2003). Vasca di cattura R=2 6

31 La mitigazione dell impatto ambientale degli scaricatori di piena con l inserimento di vasche di prima pioggia- Roggia Vernavola (PV) Altezza [mm] Evento del 25/08/2006 Durata [h] TSA [giorni] I max 1 [mm/min] I max 15 [mm/min] Pollutogramma di scarico della S13 con e senza vasca p.p. 120 qm SST scaricata [Kg/min] Situazione attuale (R = 7.8) Vasca 25 m3/haimp (R = 3) Vasca 50 m3/haimp (R = 3) tempo [h]

32 GRAZIE PER L ATTENZIONE