Claudio Lubello,

Giacomo Bellandi, Cecilia Caretti, Riccardo Gori

Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale Università di Firenze

Carbon footprint della gestione delleacque reflue

Introduzione

Il metano (CH4) è un potente gas serra (GHG) checontribuisce in modo significativo al cambiamento climatico(IPCC, 2006). Su un orizzonte di 100 anni l’effetto di riscaldamento di una tonnellata di CH4 è equivalente a quello di 25 t di CO2.

I composti organici ed ammoniacali presenti nelleacque reflue sono una potenziale fonte emissiva di GHG qualora questi siano trasformati in metano edossidi di azoto immesso in modo incontrollato in atmosfera.

Una tonnellata protossido di azoto (N2O) produce un effetto serra pari quasi a 300 t di CO2.

Formazione dei gas serra

8 CH2O

substrato

3O2 NH3 C5H7 NO2

biomassa

3CO2 6 H2O

Processi biologici aerobici

Denitrificazione anossica

Digestione anaerobica: metanogenesi

CH3COOH → CH4 + CO2

NO2- → NO3

- → NO → N2O → N2

Principali fonti di emissione da impianti di depurazione

CH4

N2OCO2

Attività anaerobica

Ossidazione NH4

Denitrific. da AOB

Denitr. da Eterotrofi

Denitr. Chimica

Methane oxydation

Fuel combustion

Respirazione

Uso Combustibili fossili

5

PretrattamentoSedimentazione

primariaTrattamento

biologico

Separazione

Solido/liquido

Digestione(aerobica/anaerobica)

Essiccamento

fanghi

Sistema

fognario

Acque superficiali

Smaltimento rifiuti

solidi

N2O CH4 CO2

GHGs:

Centrale

elettrica

Emissioni dirette

Emissioni indirette

Le fonti di emissione

6

Misure online di:- Efficienza di aerazione- Emissioni dirette GHG

Applicabile solo in presenza di aerazione sommersa

Analizzatore Off-gas

EindhovenEntrambe le strade degli AOB possono avere luogo ed intercambiarsi al variare delle condizioni di processo.

Ovviamente la disponibilità di NH4 è di primaria importanza.

San ColombanoLa 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

Emissione CO2eq nei vari contributi

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

kg

CO

2e

q/

kg

in

flu

en

t b

CO

D

Transportation Electricity CH4 fugitive emission

N2O Offset from biogas utilization Emission from ASP + digestion

Emission from CH4 combustion

Kg

CO

2eq

/ kg

infl

uen

t b

CO

D

Fognatura come bioreattore

Acqua reflua

Biofilmimmerso

Biofilmemerso

Sedimenti

Fase gassosa

I principali processi biologici hanno luogo nel biofilm immerso e nei sedimenti fognari.

LCA Fognatura

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

Aprile 2016

Processi di conversione del COD

Dai dati sperimentali di letteratura circa il 70% delle perdite di COD solubile in fognatura è dovuto ad attivitàmetanogenica.Una perdita eccessiva di COD nella rete fognariapuò portare ad abbassamenti nelrapporto COD/N con difficoltà di denitrificazione negliimpianti di depurazionedotati di rimozionebiologica dell’azoto.

Schema dei processi di conversione biologica in una fognatura. SRB (linea continua), MB (tratteggio), batteri fermentatori (tratto punto).

SRB: batteri solfato riduttori

MB: metano batteri

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.

Emissioni di protossido di azoto in fognatura

Secondo l’EPA il protossido di azoto (N2O) ha un potenziale effetto serra su 100 anni pari a circa 310 volte quello della CO2 e quindi oltre un ordine di grandezza superiore a quello dello stesso metano. Inoltre il N2O è una fonte di NO e NO2 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 CO2 eq. yr-1 ).

Quantificazione delle emissioni di N2O

Vista la scarsità di dati a disposizione è difficile una quantificazione delle emissioni di N2O in fognatura. I primi studi europei (Debrunyn et al., 1994, Clemensand Haas, 1997) indicavano per fognature miste a gravità valori compresi fra 0,5 e 3,5 g N2O per persona all’anno. Più recenti lavori (Willis et al., 2012) negli USA indicano rilevano valori intorno a 0,6 g N2O per persona all’anno).

Esempio di simulazione:Chiesina Uzzanese

Emissioni annue

• 239,9 t CO2 eq.Emissioni metano

in fognatura

• 22,6 t CO2 eq.Emissioni indirette

fognatura

• 65,8 t CO2 eq.Emissioni indirette

depurazione

Emissioni dirette GHG

Fossa settica Fognatura Depurazione

53 kg CO2e /ab

130 gr/ab

130 gr/ab

107 gr/ab

18 gr/ab

1042 mg/l

1042 mg/l

854 mg/l

42 mg/l

242 mg/l

Diluizione

Degradazione

anaerobicaDegradazione

anaerobicaDegradazione

aerobica/ana

Flusso COD

20 kg CO2e

Emissioni dirette GHG

Fossa settica Fognatura Depurazione

130 gr/ab

78 gr/ab

64 gr/ab

15 gr/ab

1042 mg/l

625 mg/l

514 mg/l

35 mg/l

145 mg/l

Diluizione

Degradazione

anaerobicaDegradazione

anaerobicaDegradazione

aerobica/ana

Flusso COD

62 kg CO2e/ab

20 kg CO2e

53 kg CO2e /ab

Il caso Acque SpA

Captazione risorsa;

Pozzi, sorgenti, opere di presa da acque superficiali,…

Potabilizzazione; centrali acquedotto,

trattamenti, disinfezione,…

Distribuzione; pompaggi, serbatoi,

rilanci, rete tubazioni,…

Consumo d’acqua; domestico, produttivo…

Fine Vita, Trattamenti individuali, fognature,

depurazione, scarico reflui, smaltimento fanghi,…

Analisi del ciclo di vita

Dati kgCO2e/anno , 2014*

26%

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 settiche e reti fognarie a valle.