Carbon footprint della gestione delle acque reflue Claudio Lubello, Giacomo Bellandi, Cecilia Caretti, Riccardo Gori

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1 Carbon footprint della gestione delle acque reflue Claudio Lubello, Giacomo Bellandi, Cecilia Caretti, Riccardo Gori Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale Università di Firenze

2 Introduzione I composti organici ed ammoniacali presenti nelle acque reflue sono una potenziale fonte emissiva di GHG qualora questi siano trasformati in metano ed ossidi di azoto immesso in modo incontrollato in atmosfera. Il metano (CH 4 ) è un potente gas serra (GHG) che contribuisce in modo significativo al cambiamento climatico (IPCC, 2006). Su un orizzonte di 100 anni l effetto di riscaldamento di una tonnellata di CH 4 è equivalente a quello di 25 t di CO 2. Una tonnellata protossido di azoto (N 2 O) produce un effetto serra pari quasi a 300 t di CO 2.

3 Formazione dei gas serra Processi biologici aerobici 8 CH 2 O substrato 3O 2 NH 3 C 5 H 7 NO 2 biomassa 3CO 2 6 H 2 O Denitrificazione anossica NO 2- NO 3- NO N 2 O N 2 Digestione anaerobica: metanogenesi CH 3 COOH CH 4 + CO 2

4 Principali fonti di emissione da impianti di depurazione CH4 N2O CO2 Attività anaerobica Ossidazione NH4 Denitrific. da AOB Denitr. da Eterotrofi Denitr. Chimica Methane oxydation Fuel combustion Respirazione Uso Combustibili fossili

5 Le fonti di emissione Emissioni dirette Sistema fognario Acque superficiali Pretrattamento Sedimentazione primaria Trattamento biologico Separazione Solido/liquido GHGs: N 2 O CH 4 CO 2 Centrale elettrica Digestione (aerobica/anaerobica) Essiccamento fanghi Smaltimento rifiuti solidi Emissioni indirette 5

6 Analizzatore Off-gas Misure online di: - Efficienza di aerazione - Emissioni dirette GHG Applicabile solo in presenza di aerazione sommersa 6

7 San Colombano La via di produzione più probabile sembra AOB denitrification (Low DO risk) Apparentemente si ha stripping con l incremento dell aerazione (produzione in zona anossica) L utilizzo di un modello di rischio di produzione N2O Eindhoven Entrambe le strade degli AOB possono avere luogo ed intercambiarsi al variare delle condizioni di processo. Ovviamente la disponibilità di NH4 è di primaria importanza.

8 Kg CO kg 2eq CO / 2 eq/ kg kg influent bcod Emissione CO 2eq nei vari contributi 1.2 Transportation Electricity CH4 fugitive emission N2O Offset from biogas utilization Emission from ASP + digestion Emission from CH4 combustion

9 Biofilm immers o Fognatura come bioreattore Acqua reflua Fase gassosa Biofilm emerso I principali processi biologici hanno luogo nel biofilm immerso e nei sedimenti fognari. Sedimenti

10 LCA Fognatura La Gestione Idraulica sul Territorio ed in Ambito Urbano: Modellazione, Prevenzione e Manutenzione Firenze, 14 e 15

11 Processi di conversione del COD Schema dei processi di conversione biologica in una fognatura. SRB (linea continua), MB (tratteggio), batteri fermentatori (tratto punto). MB: metano batteri SRB: batteri solfato riduttori Dai dati sperimentali di letteratura circa il 70% delle perdite di COD solubile in fognatura è dovuto ad attività metanogenica. Una perdita eccessiva di COD nella rete fognaria può portare ad abbassamenti nel rapporto COD/N con difficoltà di denitrificazione negli impianti di depurazione dotati di rimozione biologica dell azoto.

12 Fattori che influenzano la produzione di metano in fognatura Alcuni fattori chiave influenzano la produzione di metano nelle reti fognarie: Tempo di detenzione idraulico (HRT); Rapporto A/V (superficie/volume) delle tubazioni; Concentrazione del COD nell acqua reflua trasportata; Temperatura.

13 Emissioni di protossido di azoto in fognatura Secondo l EPA il protossido di azoto (N 2 O) ha un potenziale effetto serra su 100 anni pari a circa 310 volte quello della CO 2 e quindi oltre un ordine di grandezza superiore a quello dello stesso metano. Inoltre il N 2 O è una fonte di NO e NO 2 che partecipano al ciclo catalitico di distruzione dell ozono. Nonostante ciò gli studi sulle sue emissioni in fognatura sono molto scarsi se raffrontati con quelli a disposizione per gli impianti di depurazione. L EPA indica il settore della gestione delle acque reflue come la VI maggiore fonte antropogenica di protossido di azoto (95 Mt CO 2 eq. yr -1 ).

14 Quantificazione delle emissioni di N 2 O Vista la scarsità di dati a disposizione è difficile una quantificazione delle emissioni di N 2 O in fognatura. I primi studi europei (Debrunyn et al., 1994, Clemens and Haas, 1997) indicavano per fognature miste a gravità valori compresi fra 0,5 e 3,5 g N 2 O per persona all anno. Più recenti lavori (Willis et al., 2012) negli USA indicano rilevano valori intorno a 0,6 g N 2 O per persona all anno).

15 Esempio di simulazione: Chiesina Uzzanese

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17 Emissioni annue Emissioni metano in fognatura Emissioni indirette fognatura Emissioni indirette depurazione 239,9 t CO 2 eq. 22,6 t CO 2 eq. 65,8 t CO 2 eq.

18 Emissioni dirette GHG 53 kg CO 2 e /ab 20 kg CO 2 e Fossa settica Fognatura Depurazione Degradazione anaerobica Degradazione anaerobica Degradazione aerobica/ana Flusso COD 130 gr/ab 130 gr/ab 107 gr/ab Diluizione 18 gr/ab 1042 mg/l 1042 mg/l 854 mg/l 242 mg/l 42 mg/l

19 62 kg CO 2 e/ab Emissioni dirette GHG 53 kg CO 2 e /ab 20 kg CO 2 e Fossa settica Fognatura Depurazione Degradazione anaerobica Degradazione anaerobica Degradazione aerobica/ana Flusso COD 130 gr/ab 78 gr/ab 64 gr/ab Diluizione 15 gr/ab 1042 mg/l 625 mg/l 514 mg/l 145 mg/l 35 mg/l

20 Il caso Acque SpA

21 Analisi del ciclo di vita Potabilizzazione; centrali acquedotto, trattamenti, disinfezione, Distribuzione; pompaggi, serbatoi, rilanci, rete tubazioni, Consumo d acqua; domestico, produttivo Captazione risorsa; Pozzi, sorgenti, opere di presa da acque superficiali, Fine Vita, Trattamenti individuali, fognature, depurazione, scarico reflui, smaltimento fanghi,

22 26% Dati kgco2e/anno, 2014*

23 Conclusioni La rete fognaria è a tutti gli effetti un reattore biologico in grado di modificare il contenuto dei substrati presenti nelle acque reflue con importanti ripercussioni sull ambiente e sugli impianti di depurazione a valle. La produzione di gas con effetto serra (e non solo) nella fognatura è un aspetto non trascurabile in termini assoluti ed il fattore maggioritario nelle emissioni del servizio idrico integrato. I dati sperimentali a disposizione sono ancora insufficienti e sono necessarie campagne di raccolta dati estese. La presenza delle fosse settiche acuisce in modo sostanziale questo fenomeno, anche se deve essere valutato sperimentalmente con attenzione il rapporto fra fosse