Convegno di Medio Termine dell’Associazione Italiana di Ingegneria Agraria Belgirate, 22-24 settembre 2011 memoria n.

UTILIZZO DI ACQUE REFLUE PER L’IRRIGAZIONE DI BIOMASSE ERBACEE A SCOPI ENERGETICI

S. Barbagallo 1, G.L. Cirelli 1,2, S. Consoli 1, M. Milani 1,2, A. Toscano 1,2

(1) Dipartimento di Gestione dei Sistemi Agroalimentari ed Ambientali, Università degli Studi di Catania

(2) Centro Studi di Economia Applicata all’Ingegneria di Catania

SOMMARIO

Nella nota vengono riportati i risultati di un’indagine sperimentale finalizzata alla valutazione della potenzialità produttive di colture erbacee “no food” irrigate con acque reflue urbane sottoposte a trattamento di fitodepurazione. L’indagine è stata condotta in pieno campo in parcelle di Vetiveria zizanoides (L.) Nash e Arundo donax L., organizzate secondo uno schema sperimentale a blocchi randomizzati con tre ripetizioni. L’irrigazione ha previsto la restituzione del 33%, 66% e 100% dell’evapotraspirazione colturale (ETc), per le parcelle di Vetiveria zizanoides, ed il 66% e 100% di ETc per le parcelle di Arundo donax. Sono state condotte analisi chimico-fisiche su campioni di acque irrigue e rilievi bio-agronomici per la valutazione della produttività delle piante erbacee. La restituzione totale di ETc ha determinato, per la Vetiveria zizanoides, produzioni in sostanza secca (circa 61 t ha-1) significativamente più elevate rispetto alle parcelle con 33% (circa 25 t ha-1) e 66% (48 t ha-1) di ETc. Mentre per l’Arundo donax sono state rilevate differenze produttive poco significative tra i due volumi irrigui con valori medi in sostanza secca di circa 40 t ha-1 (66% ETc) e 47 t ha-1 (100% ETc). La caratterizzazione energetica delle biomasse ha evidenziato ouput energetici superiori nell’Arundo donax rispetto a quelli rilevati nella Vetiveria zizanoides. Parole chiave: biomasse erbacee, acque reflue, restituzione idrica.

1 INTRODUZIONE

Negli ultimi anni risulta crescente l’interesse verso le colture perenni “no food” per la produzione di biomassa a scopi energetici (Lewandowski et al., 2003). Tali colture possono rappresentare una grossa opportunità per l’agricoltura del Meridione d’Italia le cui condizioni di elevata insolazione e temperatura sono in grado di influenzare positivamente la produzioni in biomassa secca delle piante “no food”. Tuttavia, soprattutto nell’area Mediterranea caratterizzata da una cronica carenza di acqua, la somministrazione di fertilizzanti e consistenti volumi irrigui risulta necessaria per raggiungere un’elevata produttività delle colture (Mantineo et al., 2005). In tale contesto è auspicabile l’impiego irriguo di acque reflue depurate al fine di incrementare

S. Barbagallo, G.L. Cirelli, S. Consoli, M. Milani, A. Toscano

la sostenibilità ambientale, energetica ed economica dell’intero processo produttivo. A tal fine è stata avviata, nella Sicilia orientale, un’attività di ricerca su colture

erbacee perenni “no food” irrigate con acque reflue sottoposte ad un processo di fitodepurazione. L’indagine sperimentale ha previsto lo studio di diverse tesi di restituzione irrigua di ETc (33%, 66% e 100%) al fine di valutare i relativi effetti sul suolo agrario e sulla produttività ed i poteri calorifici delle diverse specie coltivate.

2 MATERIALI E METODI

2.1 Impianto sperimentale

L’impianto sperimentale è stato realizzato a San Michele di Ganzaria, paese in provincia di Catania con circa 5.000 abitanti (350 m s.l.m.), in prossimità di un impianto di fitodepurazione che tratta le acque reflue urbane impiegate per l’irrigazione delle colture indagate. In particolare, l’impianto di fitodepurazione è costituito da due letti filtranti a flusso sub-superficiale orizzontale che effettuano l’affinamento di parte (circa 4 L/s) delle acque reflue in uscita dall’impianto di depurazione convenzionale (vasca Imhoff, filtro percolatore e sedimentazione secondaria) del centro abitato. I letti filtranti, funzionanti in parallelo, hanno le medesime dimensioni (circa 2.000 m2) e sono vegetati con Phragmites australis (Barbagallo et al., in stampa).

L’indagine, condotta in pieno campo, ha previsto la coltivazione di specie erbacee perenni in parcelle elementari di circa 9 m2 (3 m x 3 m), organizzate secondo uno schema a blocchi randomizzati replicati tre volte. In tali parcelle sono state poste a dimora, nel luglio 2008, piante di Vetiveria zizanoides (L.) Nash e, su due attigue parcelle di circa 500 m2 ciascuna, piante di Arundo donax (L.). Per entrambe le specie è stata adottata una densità d’impianto pari a 4 piante/m2.

Le colture da biomassa sono state irrigate per mezzo di un impianto di microirrigazione suddiviso in settori composti da una condotta di testata (Φ=40 mm) ed ali gocciolanti (Φ =16 mm) distanziate 0,50 m. In ciascuna ala gocciolante di tipo integrale (produzione SIPLAST) erano presenti (ad una interdistanza di 0,30 m) microerogatori a labirinto (con regime turbolento), prestampati in linea, eroganti una portata q=2,1 L/h, ad una pressione p=100 kPa. Ciascun settore è stato inoltre dotato di contatori volumetrici per la lettura dei volumi idrici somministrati, nonché di manometri per la regolazione e il controllo della pressione di esercizio.

Presso l’area sperimentale è stato installato un evaporimetro di classe A per la misura dell’evaporato. Lo strumento è collegato ad una stazione meteo di tipo completo (modello CR510X Campbell Scientific) che ha consentito la registrazione in continuo delle fluttuazioni del livello idrico dell’evaporimetro, oltre che la misura oraria delle principali grandezze climatiche caratterizzanti il sito in esame (precipitazione, temperatura dell’aria, umidità relativa dell’aria, radiazione solare, velocità e direzione del vento). L’irrigazione ha previsto la restituzione del 33%, 66% e 100% di ETc, per le parcelle di Vetiveria zizanoides o vetiver ed il 66% e 100% di ETc per le parcelle di Arundo donax o canna gigante.

2.2 Metodologia

Il volume di ETc delle colture è stato calcolato moltiplicando l’ET0, determinato mediante la formula di Penman-Monteith (ASCE-EWRI, 2004) implementata con i dati

Produzione di biomasse energetiche irrigate con acque reflue

raccolti dalla stazione meteorologica, per il coefficiente colturale (Kc) variabile in funzione dello stadio fenologico delle specie. Gli interventi irrigui sono stati effettuati nel periodo luglio-ottobre 2008 e maggio-ottobre 2009 e 2010, con una frequenza di 2-3 giorni in relazione alla variabilità delle condizioni climatiche.

Durante le diverse stagioni irrigue sono state campionate, con cadenza bisettimanale, le acque reflue impiegate per l’irrigazione determinandone, mediante le metodiche IRSA-CNR, i seguenti parametri chimico-fisici: pH, conducibilità elettrica (CE), solidi sospesi totali (SST) a 105 °C, BOD5, COD, azoto totale (Ntot) e fosforo totale (Ptot).

Inoltre, è stata effettuata una caratterizzazione granulometrica (USDA, 1975) e chimico-fisica dei suoli coltivati, secondo i “metodi ufficiali di analisi chimica del suolo” del MiPAF (1999), prima dell’inizio dell’indagine sperimentale ed al termine di ogni ciclo di raccolta delle biomasse erbacee.

In ciascuna parcella sono state identificate delle aree di saggio quadrate (1 m2) nelle quali sono stati effettuati i rilievi bio-agronomici (numero piante, altezza pianta e numero foglie) ed il campionamento della biomassa aerea. Nel corso delle tre stagioni di crescita (giugno 2008 – febbraio 2009, marzo 2009 – febbraio 2010 e marzo 2010 – febbraio 2011), nelle suddette aree di saggio, sono stati prelevati campioni di vegetazione in tre diversi periodi (inizio, metà e fine inverno) per la determinazione della produttività e del potere calorifico. La produzione in biomassa secca è stata valutata essiccando, ad una temperatura di 65°C, i campioni vegetali in una stufa termoventilata fino al raggiungimento del peso costante. Su un’aliquota dei campioni di vetiver e canna gigante è stato determinato, mediante bomba di Mahler (SN 3.472, SDM, Torino, Italia), il potere calorifico superiore (PCS). Il potere calorifico inferiore (PCI) è stato valutato detraendo al valore del PCS il calore di condensazione del vapore d’acqua durante la combustione (Molari et al., 2010). Per ciascuna specie, ad ogni ciclo di raccolta, è stato valutato l’output energetico moltiplicando la produzione in biomassa secca con il relativo PCI (Angelini et al., 2005).

3 RISULTATI

Le temperature mensili dell’aria, nel periodo compreso tra giugno 2008 e dicembre 2010, sono variate da - 2 a 22 °C (temperature minime) e da 8 a 45 °C (temperature massime). Il regime pluviometrico, nel medesimo periodo, è stato caratterizzato da afflussi meteorici superiori alla media (altezza complessiva pari a circa 1.700 mm).

Dal punto di vista granulometrico, il terreno sul quale è stato realizzato l’impianto sperimentale presenta natura argillosa (sabbia 20,3%, limo 22,6%, argilla 57,1%). Le caratteristiche chimico fisiche del suolo rilevate a luglio 2008, prima della messa a dimora delle piante, ed a marzo 2009 e 2010, al termine dei due cicli di raccolta, sono risultate pressoché simili. Tuttavia è stato rilevato, tra il primo e ultimo campionamento, un aumento del rapporto C/N (da 13,5 a 20,1) che indica una minore disponibilità, per la vegetazione, dell’azoto e del fosforo.

Nella prima stagione irrigua, per favorire l’attecchimento delle colture impiantate, sono stati somministrati volumi irrigui superiori rispetto alle diverse percentuali di restituzione di ETc allo studio. In particolare, i volumi irrigui sono risultati pari a circa 700, 600 e 450 mm rispettivamente nelle tesi che prevedevano il 100, 66 e 33% di restituzione di ETc. Nelle due successive stagioni irrigue (2008 e 2009) nelle parcelle con restituzione del 33%, 66% e 100% di ETc sono stati somministrati, rispettivamente,

S. Barbagallo, G.L. Cirelli, S. Consoli, M. Milani, A. Toscano

circa 450, 300 e 150 mm e circa 600, 400 e 200 mm di acque reflue fitodepurate. Le analisi chimico-fisiche condotte sui campioni di acque irrigue hanno evidenziato,

nel corso delle diverse stagioni irrigue, un sostanziale incremento della concentrazione dei diversi parametri chimico-fisici delle acque, ad eccezione di pH, CE e Ptot che sono risultati fondamentalmente invariati (Tabella 1). Tali risultati sono stati determinati da un generale aumento della concentrazione degli inquinanti nelle acque reflue trattate dall’impianto di fitodepurazione.

Parametri Unità di misura

Stagione irrigua 2008

Stagione irrigua 2009

Stagione irrigua 2010

pH 7,7 (± 0,3) 7,7 (± 0,1) 7,5 (± 0,4) C.E. µS /cm-1 1478 (± 95) 1397 (± 124) 1567 (± 168)

BOD5 mg /L-1 10,8 (± 4,4) 14,4 (± 4,0) 37,5 (± 5,9) COD mg /L-1 20,1 (± 6,8) 27,3 (± 7,6) 72,6 (± 15,7) SST mg /L-1 11,0 (± 4,6) 49,8 (± 29,4) 84,8 (± 35,6) Ntot mg /L-1 4,6 (± 2,2) 13,8 (± 4,2) 28,2 (± 19,0) Ptot mg /L-1 6,8 (± 2,3) 6,7 (± 2,6) 6,9 (± 1,0)

Tabella 1. Valori medi e DS (in parentesi) delle concentrazioni dei parametri chimico-fisici nelle acque reflue impiegate per l’irrigazione delle colture erbacee indagate.

L’aumento delle concentrazioni di azoto nelle acque irrigue ha determinato un maggiore apporto di questo elemento alle colture (Tabella 2) anche in conseguenza dei diversi volumi irrigui distribuiti. I nutrienti sono stati distribuiti alle coltivazioni anche mediante concimazione minerale (nitrato ammonico e perfosfato minerale) con la quale sono stati apportati circa 110 e 140 kg ha-1 di Ntot e 75 e 40 kg ha-1 di Ptot rispettivamente nella seconda (2009 – 2010) e terza stagione di crescita (2010 – 2011).

Stagione irrigua 2008 Stagione irrigua 2009 Stagione irrigua 2010

Ntot Ptot Ntot Ptot Ntot Ptot Tesi

irrigue (Kg ha-1) (Kg ha-1) (Kg ha-1) (Kg ha-1) (Kg ha-1) (Kg ha-1)

33% ET 19 29 18 9 33 14 66% ET 26 39 37 18 66 27

100% ET 30 45 55 27 98 41

Tabella 2. Quantitativi di nutrienti distribuiti con le acque irrigue alle colture erbacee indagate.

I rilievi bio-agronomici effettuati sulle colture in pieno campo hanno evidenziato una positiva risposta delle specie indagate all’incremento dei volumi irrigui. In particolare, le parcelle nelle quali è stata effettuata una restituzione completa di ETc hanno mostrato piante di maggiori dimensioni e densità. Tuttavia, mentre la vetiver ha rilevato sostanziali differenze tra i diversi settori irrigui, per la canna gigante i valori dei diversi caratteri biometrici indagati non sono risultati significativamente diversi tra i due settori irrigui allo studio (66% e 100% ETc).

Le medesime differenze evidenziate nei caratteri biometrici sono state rilevate anche nella produttività, negli anni successivi a quelli d’impianto. Nella stagione di crescita 2010 - 2011 la vetiver, con rese medie in biomassa secca variabili da 25 (33% ETc) a 61 t ha-1 (100% ETc), è risultata la specie più produttiva, seguita dall’Arundo donax che ha

Produzione di biomasse energetiche irrigate con acque reflue

mediamente prodotto 40 e 47 t ha-1 di biomassa secca, rispettivamente, nei settori con restituzione del 66% e del 100% dell’ETc (Figure 2a e 3a). Relativamente all’epoca di sfalcio della biomassa aerea, nella media dei trattamenti irrigui del terzo ciclo colturale, la migliore data di raccolta è risultata la prima (novembre 2011) per entrambe le specie. Un ritardo nello sfalcio di circa un mese (dicembre 2011) ha comportato delle riduzioni dell’ordine del 19 e 13 % rispettivamente per Arundo donax e Vetiveria zizanoides. Nel terzo anno d’indagine, la raccolta effettuata a fine inverno (febbraio 2011) ha prodotto un quantitativo di biomassa di circa il 34% inferiore rispetto a quello rilevato nella prima epoca di sfalcio, per entrambe le colture.

I valori dei PCI e PCS, rilevati nei campioni di vegetazione, sono risultati maggiori negli anni successivi a quello d’impianto e crescenti con l’avanzare dell’inverno in virtù della riduzione del contenuto di umidità nei tessuti vegetali. Per l’Arundo donax sono stati rilevati valori del PCI (nel 2010 – 2011, media pari a 8,0 MJ Kg-1) decisamente più elevati rispetto a quelli della Vetiveria zizanoides (nel 2010 – 2011, media pari a 5,5 MJ Kg-1). Tali differenze hanno determinato valori dell’output energetico o energia potenziale della biomassa più elevati per la canna gigante rispetto alla vetiver, nonostante le maggiori produzioni in sostanza secca di quest’ultima (Figure 2b e 3b). In particolare, per le medesime percentuali di restituzione idrica di ETc, è stato rilevato, nell’ultimo ciclo di raccolta, un output energetico della canna gigante superiore di circa il 15% rispetto a quello rilevato per la vetiver.

Figura 2. Produzioni in biomassa secca (a) ed output energetici (b) rilevati nelle parcelle di Vetiveria zizanoides nei tre anni di ricerca per le tre tesi irrigue (33%, 66% e 100% ET).

Figura 3. Produzioni in biomassa secca (a) ed output energetici (b) rilevati nelle parcelle di Arundo donax nei tre anni di ricerca per le due tesi irrigue (66% e 100% ET).

a) b)

a) b)

S. Barbagallo, G.L. Cirelli, S. Consoli, M. Milani, A. Toscano

4 CONCLUSIONI

Dall’indagine condotta presso il sito sperimentale di San Michele di Ganzaria si evidenzia che la completa restituzione dell’evapotraspirazione colturale è in grado di determinare produzioni in biomassa secca più elevate, soprattutto per la Vetiveria zizanoides che è risultata la specie più produttiva. Tuttavia per tale specie sono stati rilevati valori di energia potenziale decisamente più bassi rispetti a quelli dell’Arundo donax.

In definitiva, dall’analisi dei risultati ottenuti è emerso che l’Arundo donax e la Vetiveria zizanoides, irrigate con acque reflue, potrebbero rappresentare una valida soluzione alternativa alla coltivazione, a scopi energetici, dei terreni marginali particolarmente estesi nell’Italia meridionale.

Ringraziamenti. Si ringraziano le aziende SIPLAST S.p.A. e IRRITEC S.p.A. per aver fornito il materiale utilizzato per l’impianto sperimentale di microirrigazione di San Michele di Ganzaria (CT). L’attività di ricerca è stata finanziata dal MIUR nell’ambito del progetto PRIN 2007 “Produzione e trasformazione a fini energetici di biomasse erbacee irrigate con acque reflue” e dal MiPAF nell’ambito del progetto FITOPROBIO “Fitodepurazione produttiva di biomasse cellulosiche per l’ottenimento di etanolo di seconda generazione”.

BIBLIOGRAFIA

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