Seminario DEPURAZIONE DEI REFLUI URBANI: OTTIMIZZAZIONE DELLA GESTIONE, TRATTAMENTI TERZIARI E NATURALI SISTEMI INNOVATIVI NEI TRATTAMENTI DI FITODEPURAZIONE DELLE ACQUE DI SCARICO DI PICCOLE COMUNITÀ venerdì 13 settembre 2013 Ing. Paola Foladori Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Meccanica Università degli Studi di Trento
La fitodepurazione nella normativa nazionale TRATTAMENTI APPROPRIATI: 1) In grado di rendere semplice la manutenzione e la gestione 2) Sopportare forti variazioni di carico organico e idraulico 3) Minimizzare i costi gestionali E auspicabile ricorrere a tali trattamenti nei seguenti casi: 1) Agglomerati compresi tra 50 e 2000 AE 2) Agglomerati con PE fluttuante superiore al 30% della popolazione residente 3) Per agglomerati nel range 2000-25000 AE come stadio di affinamento a valle di processi convenzionali
Fitodepurazione (Constructed Wetland) Aree umide artificiali e vegetate, si dividono in: 1) Sistemi a macrofite galleggianti 2) Sistemi a macrofite radicate sommerse 3) Sistemi a macrofite radicate emergenti a) Sistemi a flusso superficiale Con acqua superficiale (di diverso livello) b) Sistemi a flusso sub-superficiale - Sistemi a flusso sub-superficiale orizzontale - Sistemi a flusso sub-superficiale verticale Senza acqua superficiale
FITODEPURAZIONE A FLUSSO SUPERFICIALE 1/2 - vasca impermeabilizzata sul fondo - flusso superficiale e quindi pelo libero acque reflue visibile e accessibile - la presenza di macrofite emergenti può mascherare nella zona centrale la presenza dell acqua - di semplice realizzazione - controllo del livello in vasca mediante tubazione nella sezione/pozzetto finale Kadlec & Wallace, 2008
FITODEPURAZIONE A FLUSSO SUPERFICIALE 2/2 - problemi di gelo invernali - non molto consigliate in ambiente alpino - in alcuni casi, quando realizzate a valle di fosse Imhoff, hanno causato problemi di insetti, maleodorazioni - problematiche in località turistiche - utili come affinamento finale (trattamento terziario)
FITODEPURAZIONE A FLUSSO SUB-SUPERFICIALE 1/2 - il letto di fitodepurazione è completamente riempito con materiale granulare di adeguata dimensione e conducibilità idraulica - il flusso rimane alcuni cm sotto il livello del materiale di riempimento - controllo del livello in vasca mediante tubazione nella sezione/pozzetto finale - idonee per il trattamento di acque reflue dopo fosse Imhoff - no problema di odori o insetti Wallace & Knight, 2006
FITODEPURAZIONE A FLUSSO SUB-SUPERFICIALE 2/2 - impianti esistenti ben funzionanti anche in inverno - molto usata in ambiente alpino e nord Europa (Austria, Danimarca, UK, )
RUOLO DELLE PIANTE Il ruolo attribuito alle piante è stato ridimensionato negli anni, riconoscendo il ruolo fondamentale ai processi fisici e microbiologici la quantità di N e P assimilati dalle piante rappresenta solo il 10% circa della massa rimossa dal sistema Le piante creano microambienti aerobici a livello delle radici, ma questo è apprezzabile nei sistemi HF in cui le condizioni sature non favoriscono l ingresso spontaneo di ossigeno nei sistemi VF si ha già l entrata spontanea di ossigeno e quindi il ruolo delle radici risulta secondario
PRETRATTAMENTI AL SISTEMA DI FITODEPURAZIONE FITODEPURAZIONE PER PICCOLE COMUNITA PRETRATTAMENTI - pre-trattamenti necessari per non intasare il letto - grigliatura sempre necessaria (indispensabile che sia meccanizzata) - meglio se la grigliatura è realizzata in piccolo edificio chiuso (confinamento di odori) - necessario anche trattamento primario realizzabile in vasca Imhoff, fosse settiche - maggiore attenzione alla corretta pulizia/estrazione fanghi dal trattamento primario - preferibile la copertura della vasca (si forma uno strato di schiuma consolidata che galleggia)
Grigliatura iniziale a coclea Vasca tricamerale come pretrattamento della fitodepurazione
Vasca Imhoff come pre-trattamento della fitodepurazione Edificio che ospita la grigliatura
Problema degli odori nel pre-trattamento Opportuna gestione del materiale grigliato (no accumuli all aperto) Emissioni maleodoranti in atmosfera: si può ovviare con la copertura della vasca e con filtri a carbone attivo sopra lo sfiato uscente dalla copertura Pre-trattamenti (grigliatura) in locale chiuso o microgriglie con sacco Luigi Masotti, Paola Verlicchi, Depurazione delle acque di piccole comunità, HOEPLI
CONFIGURAZIONI DEI SISTEMI DI FITODEPURAZIONE FITODEPURAZIONE PER PICCOLE COMUNITA CONFIGURAZIONI CONVENZIONALI - Fitodepurazione a flusso sub-superficiale orizzontale (HF o HSSF) - Fitodepurazione a flusso sub-superficiale verticale (VF o VSSF) - Sistemi ibrido: HF (rimozione carbonio) + VF (nitrificazione) + eventuale ricircolo dell effluente nitrificato nell HF o anche nella vasca Imhoff per la denitrificazione - Sistema ibrido: VF (nitrificazione) + HF (denitrificazione) - altre varianti (meno usate)
PRINCIPALI PROCESSI CHE AVVENGONO NEI SISTEMI DI FITODEPURAZIONE filtrazione, intercettamento, sedimentazione di solidi o sostanza organica particolata adsorbimento di sostanza organica solubile biodegradazione dei composti organici ad opera dei microrganismi ossidazione e riduzione dei composti azotoati (nitrificazione, denitrifcazione, ma probabilmente anche anammox) precipitazione dei metalli ciclo dello zolfo possibili processi anaerobici con relative emissioni
FITODEPURAZIONE A FLUSSO SUB-SUPERFICIALE ORIZZONTALE Sistemi saturi di acqua Alimentazione continua Sistemi prevalentemente anaerobici Rendimenti modesti per la nitrificazione (talvolta assente) Ideali per la denitrificazione Buona capacità di filtrazione dei solidi Superficie minima richiesta = 3-5 m 2 /AE
STRATI NEL LETTO A FLUSSO ORIZZONTALE 1) Il materiale di riempimento deve rispettare le granulometria consigliate (sabbie grosse e ghiaie) escludendo presenza di limi e di argille 2) Piccola presenza di limi e argille (anche solo 5-10%) causa una drastica riduzione della conducibilità idraulica con rischi di intasamento 3) Non deve essere usato materiale reperito in loco o terreno in genere. INGRESSO Ghiaia di drenaggio 8/16 mm Ghiaia con granulometria 4/8 o 2/4 mm Strato di spessore h = 60 cm Ghiaia di drenaggio 8/16 mm USCITA
Confronto di massima tra le granulometrie indicate dalle varie linee guida per i sistemi sub-superficiali orizzontali (HF) Per i sistemi HSSF le linee guida indicano conducibilità idraulica superiore a 10-3 m/s
FITODEPURAZIONE a flusso orizzontale Realizzata con canneto di Phragmites Australis FITODEPURAZIONE a flusso orizzontale realizzata a 1200 m slm Popolazione residente 250 AE (600 AE nei periodi turistici) Per evitare problemi di gelo, copertura del letto filtrante con 0.7 m di terreno vegetale Appare come un prato (non canneto)
FITODEPURAZIONE A FLUSSO SUB-SUPERFICIALE ORIZZONTALE (HSSF) Il criterio più utilizzato è la superficie specifica, espressa in m 2 /AE, indicato da linee guida o specifiche normative emanate da organismi nazionali
FITODEPURAZIONE A FLUSSO SUB-SUPERFICIALE VERTICALE Sistemi insaturi Alimentazione discontinua (tipico ogni 6 h) Sistemi prevalentemente aerobici (il letto insaturo permette l entrata di aria nella porosità) Ideali per la nitrificazione (alto rendimento) Rendimenti modesti per la denitrificazione (talvolta assente) Superficie minima richiesta = 2-4 m 2 /AE IWA, 2000
STRATI NEL LETTO A FLUSSO VERTICALE Esistono varie proposte a seconda delle linee guida di riferimento INGRESSO il materiale di riempimento è il principale componente dell impianto di fitodepurazione non è più possibile cambiarlo....non deve intasarsi VSSF C-line USCITA Quote in m, granulometrie in mm
Confronto di massima tra le granulometrie indicate dalle varie linee guida per i sistemi sub-superficiali verticali (VF) Per i sistemi VSSF le linee guida indicano conducibilità idraulica di 10-3 -10-4 m/s Materiali non lavati con frazioni granulometriche fini in modesta quantità possono causare riduzione della conducibilità idraulica anche se compatibili con d 10 e d 60.
FITODEPURAZIONE A FLUSSO SUB-SUPERFICIALE VERTICALE (VSSF) Il criterio più utilizzato è la superficie specifica, espressa in m 2 /AE, indicato da linee guida o specifiche normative emanate da organismi nazionali
Rimozione degli inquinanti in un sistema di fitodepurazione con configurazione ottimale INGRESSO USCITA Imhoff Permette buona rimozione BOD, COD, SST, nitrificazione e denitrificazione parametro Ingresso (mg/l) Uscita (mg/l) BOD5 250 20-40 COD 500 60-80 SST 300 20-40 NH4-N 40 10-20 N totale 50 20-30 P 6 4-5
INFLUENZA DELLE BASSE TEMPERATURE SULLA RIMOZIONE DI COD E NH 4 NEI SISTEMI VF Cinetica di nitrificazione Dipendenza dalla temperatura 2 C v N 2.8-2.9 gnh 4 -N m -2 d -1 18 Cv N 14.5-16.2 gnh 4 -N m -2 d -1
SUPERFICI RICHIESTE PER UN IMPIANTO DI FITODEPURAZIONE IN AMBIENTE ALPINO Schema VSSF + HSSF Rimozione COD, BOD 5, TKN e N totale Comune in ambiente montano 300 AE residenti + 500 AE fluttuanti (turistici) VF = richiesta 4 m 2 /AE HF = richiesta 6 m 2 /AE Totale VF + HF = 10 m 2 /AE NECESSITA DI CIRCA 8000 m 2 vasca Imhoff MANCANZA DELLE AREE NECESSARIE
SOLUZIONI DI FITODEPURAZIONE A BASSO FOOTPRINT ORIENTAMENTI NEL SETTORE DELLA FITODEPURAZIONE FITODEPURAZIONE PER PICCOLE COMUNITA SOLUZIONI A BASSO FOOTPRINT Non è prioritario aumentare i rendimenti di rimozione. I sistemi VSSF e HSSF permettono già di ottenere rendimenti adeguati per un trattamento appropriato (D. Lgs. 152/2006 per P < 2000 AE) E prioritario invece: - reperire le aree (molto estese) - ridurre le aree occupate (come?) - ridurre il rischio di clogging.and with ground being expensive in Holland a system that claimed to need less surface would probably win the race Numero crescente di pubblicazioni scientifiche in riviste internazionali
Classificazione dei sistemi Constructed Wetlands e sistemi che si prestano ad una «intensificazione» SISTEMI DI INTENSIFICAZIONE: - Aerazione di letti HF - Aerazione di letti VF (purché di tipo Fill and Drain o Up-Flow - Ricircolo in sistemi ibridi (HF+VF) oppure in VF di tipo Fill and Drain o Up-Flow - Impiego di materiali di riempimento reattivi (vedi rimozione fosforo)
Configurazioni per il ricircolo in sistemi VF 1) aumentare il tempo di permanenza del refluo nel letto filtrante 2) incrementare la rimozione dell azoto tramite un potenziamento della nitrificazione-denitrificazione. (A) Ricircolo da VSSF a HSSF (B) VSSF, ricircolo in fossa settica (C) VSSF, zona satura sul fondo e ricircolo in fossa settica (D) Ricircolo VSSF in serie (E) VSSF, ricircolo da vasca di accumulo (F) Configurazione UNITN: VSSF, ricircolo da zona satura sul fondo e successivo scarico
IMPIANTO PILOTA DI FITODEPURAZIONE A VALLE DELLA VASCA IMHOFF VF LISA HF LISA OUT IN GRIGLIA FINE VASCA IMHOFF VF PAT HF PAT OUT VF (Vertical subsurface flow) TIRANTE IDRICO VARIABILE Condizioni insature Ambiente prevalentemente aerobico HF (Horizontal subsurface flow) TIRANTE IDRICO COSTANTE Condizioni sature Ambiente prevalentemente anossico/anaerobico
CONFIGURAZIONI DI FITODEPURAZIONE A BASSO FOOTPRINT VF LISA HF LISA OUT IN GRIGLIA FINE VASCA IMHOFF VF PAT HF PAT OUT Linea VF + HF linee guida locali linee guida prov. (D.G.P. n. 992, 2002) alimentazione discontinua (3-4 cicli/d) 4 m 2 /AE (linee guida), 3.3 m 2 /AE (reale) linea di controllo: configurazione invariata per 4 anni (2009-2013) Linea VF + HF sistema a basso footprint: configurazioni innovative alimentazione discontinua (3-4 cicli/d) 1.5 2.0 m 2 /AE RICIRCOLO AERAZIONE monitoraggio prestazioni
CONFIGURAZIONE VF RICIRCOLATO + HF PER IL CONTROLLO DEI PICCHI DI PORTATA E DI CONCENTRAZIONE FASI DEL RICIRCOLO NEL SISTEMA VF: 1)Fase di carico: 15/20 minuti 2)Fase di depurazione: durata 6 h (1 ricircolo di 5 min ogni ora) 3)Fase di svuotamento Altezza letto = 60 cm Livello idrico in vasca sempre presente = 16-26 cm VF POMPA DI RICIRCOLO VALVOLA HF da Imhoff Superficie richiesta = 1.5-2 m 2 /AE 32
CONFIGURAZIONE VF RICIRCOLATO + HF - Rimozione COD - COD totale [mg/l] 700 600 500 400 300 200 100 Profilo temporale VF INGRESSO = 626 mg/l S VF = 1.7 m 2 /AE COD totale [mg/l] 700 600 500 400 300 200 100 Profilo longitudinale HF S HF = 1.7 m 2 /AE S HF = 3.4 m 2 /AE 0 0 0 1 2 3 4 COD totale [mg/l] IN 626 Sezioni longitudinali del letto HSSF Rendimento OUT VF 84 87% OUT VF + HF 22 96%
CONFIGURAZIONE VF RICIRCOLATO + HF - Rimozione COD - Profilo temporale VF Profilo longitudinale HF 500 400 INGRESSO = 460 mg/l 500 400 COD totale [mg/l] 300 200 100 300 200 100 0 R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 R 6 V OUT COD totale [mg/l] IN 460 Rendimento OUT VF 76 83% OUT VF + HF 28 94% 0 0 1 2 3 4 Sezioni longitudinali del letto HSSF
CONFIGURAZIONE VF RICIRCOLATO + HF - Rimozione NH 4 -N - 60 50 Profilo temporale VF INGRESSO NH 4 -N = 55.9 mg/l 60 50 Profilo longitudinale HF N [mg/l] 40 30 20 40 30 20 DENITRIFICAZIONE NEL LETTO ORIZZONTALE (LETTO SATURO, ANOSSIA) 10 0 R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 R 6 V OUT NH 4 -N [mg/l] Rend [%] TKN [mg/l] Rend [%] 10 N totale [mg/l] IN 55.9 82.7 83.9 0 0 1 2 3 4 Sezioni longitudinali del letto HSSF Rend [%] OUT VF 7.7 86% 8.9 89% 47 44% OUT VF + HF 3.5 94% 3.9 95% 17 80% Curve di NO 3 -N Curve di NH 4 -N
CONFIGURAZIONE VF RICIRCOLATO + HF - Rimozione NH 4 -N - Profilo temporale VF Profilo longitudinale HF 60 50 INGRESSO NH 4 -N = 59.6 mg/l 60 50 N [mg/l] 40 30 40 30 20 10 20 10 Curve di NO 3 -N 0 R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 R 6 V OUT NH 4 -N [mg/l] Rend [%] TKN [mg/l] Rend [%] N totale [mg/l] IN 59.6 91.1 93.1 0 0 1 2 3 4 Sezioni longitudinali del letto HSSF Rend [%] OUT VF 14.3 76% 20.8 77% 45.7 51% OUT VF + HF 2.7 95% 3.8 96% 14.3 85% Curve di NH 4 -N
Configurazioni per l aerazione forzata in sistemi VF e HF 1) aerazione forzata applicata in genere in modo discontinuo 2) applicata attraverso tubi forati sul fondo della vasca per aumentare la disponibilità di ossigeno nel letto filtrante 3) incrementare la rimozione dell azoto tramite un potenziamento della nitrificazione-denitrificazione 4) inutile in sistemi convenzionali a basso carico (in sistemi VF l aerazione naturale è sufficiente) 5) importante in sistemi ad alto carico in cui l aerazione naturale è insufficiente. Tubi sul fondo (pianta) Tubi sul fondo nella zona di ingresso (pianta) Tubi a diverse altezze (pianta e sezione)
CONFIGURAZIONE VF AERATO + HF FASI di AERAZIONE: 1)Fase di carico: 15/20 minuti 2)Fase di depurazione: durata 6 h (aerazione 5 min ON 25 min OFF) 3)Fase di svuotamento Altezza letto = 60 cm Livello idrico in vasca sempre presente = 20 cm SOFFIANTE + TUBI DIFFUSORI VSSF VALVOLA HSSF da Imhoff Superficie richiesta = 1.5-2 m 2 /AE 38
CONFIGURAZIONE VF AERATO + HF - Rimozione COD - COD totale [mg/l] 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 A 1 Profilo temporale VF INGRESSO = 413 mg/l A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 A 7 COD totale [mg/l] IN 413 A 8 A 9 A 10 A 11 Rendimento OUT VSSF 62 85% OUT HSSF 15 96% S VF = 1.7 m 2 /AE A 12 V OUT 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Profilo longitudinale HF S HF = 1.7 m 2 /AE S HF = 3.4 m 2 /AE 0 1 2 3 4 Sezioni longitudinali del letto HSSF
CONFIGURAZIONE VF AERATO + HF - Rimozione NH 4 -N - 60 50 Profilo temporale VF INGRESSO NH 4 -N = 55.5 mg/l 60 50 Profilo longitudinale HF 40 40 N [mg/l] 30 20 30 20 10 0 A 1 A 2 A 3 A 4 NH 4 -N [mg/l] A 5 A 6 Rend [%] A 7 TKN [mg/l] A 8 A 9 A 10 A 11 Rend [%] A 12 V OUT N totale [mg/l] IN 55.5 63.5 66.0 10 0 Rend [%] OUT VSSF 20.2 64% 19.0 70% 40.0 39% OUT HSSF 4.5 92% 4.4 93% 24.7 63% 0 1 2 3 4 Sezioni longitudinali del letto HSSF Curve di NO 3 -N Curve di NH 4 -N
SUPERFICI RICHIESTE PER UN IMPIANTO DI FITODEPURAZIONE A BASSO FOOTPRINT IN AMBIENTE ALPINO Schema VF RICIRCOLATO + HF Rimozione COD, BOD 5, TKN e N totale 300 AE residenti + 500 AE fluttuanti (turistici) OCCUPAZIONE DI 3000 m 2 vasca Imhoff
RISCHIO DI CLOGGING NEI SISTEMI DI FITODEPURAZIONE FINE VITA Il rischio di clogging (accumulo progressivo di solidi nel filtro fino all intasamento) clogging ha indotto a ridurre gradualmente la vita utile dei sistemi, che da ottimistiche stime del passato in 50-100 anni, può scendere a 10 anni, o meno La vita utile si accorcia nel caso di inadeguate modalità progettuali o costruttive (inerenti granulometria, disposizione materiale filtrante, distribuzione e drenaggio del refluo). RICORDARE: i sistemi CW sono senza produzione di fanghi di supero (la biomassa di supero è la vegetazione epigea tagliata periodicamente) accumulo continuo di solidi nel sistema. Per ridurre rischio di clogging: - ottimali pretrattamenti - ottimale scelta del materiale di riempimento - intensificazione del sistema
COSTI DI INVESTIMENTO E DI GESTIONE VOCE COSTI Costo dei pre-trattamenti - Costo del terreno Da definire Analisi geotecniche del sito 3000 /ha Pulizia e disboscamento del sito 5000-12000 /ha Scavi e movimentazione terra 3-8 /m 3 Impermeabilizzazione di fondo 5-10 /m 2 (+0.5-1.0 /m 2 per geotessile) Materiale di riempimento 10-20 /m 3 60.000-120.000 /ha Piante COSTI DI INVESTIMENTO Dispositivi di alimentazione Dispositivi di scarico Tubazioni, collegamenti, pompaggi Progettazione, consulenza, contratti, prestiti, ecc 0.30-1.0 /pianta 12.000-26.000 /ha 3.000-7.000 Da definire Da definire COSTI DI GESTIONE Impegno di personale = 100-140 ore/ettaro e per anno. Costi annuali di gestione e manutenzione di circa 3.000-5.000 ha -1 anno -1. Nei sistemi con intensificazione: Costi per l energia elettrica per alimentazione pompe di ricircolo e alimentazione elettrica compressori. A livello internazionale la mediana dei costi è attorno a 300.000 /ettaro.
GRAZIE PER L ATTENZIONE