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Emissioni di gas serra dal sistema fognario

Claudio Lubello

La Gestione Idraulica sul Territorio ed in Ambito Urbano:

Modellazione, Prevenzione e Manutenzione

Con il patrocinio di Firenze, 14 e 15 Aprile 2016

Auditorium Cosimo Ridolfi di Banca CR Firenze

Introduzione

La Gestione Idraulica sul Territorio ed in Ambito Urbano: Modellazione, Prevenzione e Manutenzione – Firenze, 14 e 15 Aprile 2016

Il metano 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 CH4 è equivalente a quello di 25 t di CO2.

I composti organici presenti nelle acque reflue sono una

potenziale fonte emissiva di GHG qualora questi siano trasformati

in metano immesso in modo incontrollato in atmosfera.

La concentrazione globale di metano in atmosfera è aumentata

approssimativamente da 0.7 ppm nel 1750 a 1.8 ppm nel 2013. Il

50% delle emissioni sono dovute ad attività antropiche.

Introduzione


Negli studi recenti sulle emissioni fognarie la maggiore

attenzione è stata posta a CH4 e H2S (acido solfidrico) a causa

del potenziale effetto serra del primo e della tossicità del

secondo (1 kg di H2S ha un potenziale di tossicità umana

equivalente a 0,22 kg di 1,4 diclorobenzene). Inoltre H2S può

essere ossidato ad acido solforico (H2SO4) composto molto

aggressivo sulle tubazioni, in particolare quelle in cemento.

LCA Fognatura


Fognatura come bioreattore


Acqua reflua

Biofilm

immerso

Biofilm

emerso

Sedimenti

Fase gassosa

I principali processi

biologici hanno luogo

nel biofilm immerso e

nei sedimenti fognari.

Processi di conversione del COD


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.

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

Competizione fra SRB e MB nel biofilm


SRB: batteri solfato

riducenti

MB: metano batteri

SRB vs. MB nei sedimenti fognari


Fattori che influenzano la produzione di metano


Alcuni fattori chiave influenzano la produzione di

metano nelle reti fognarie:

• Tempo di detenzione idraulico (HRT);

• Rapporto A/V (superficie/volume) delle tubazioni;

• Co e t azio e del COD ell’a ua eflua trasportata;

• Temperatura.

Tempo di detenzione idraulico


Guisasola et al. (2009) hanno trovato che la concentrazione del

eta o dis iolta ell’a ua eflua all’i te o della fog atu a è direttamente proporzionale al tempo di detenzione idraulico (HRT).

Foley et al. (2009) hanno rilevato un incremento della

concentrazione di metano verso valle negli spechi fognari giungendo

quindi a medesime conclusioni. Anche le fluttuazioni

diurne/notturne, con un incremento della concentrazione durante

la notte, misurata da Liu et al. (2015) possono essere

ragionevolmente correlate al tempo di detenzione idraulico,

maggiore la notte per la via delle diminuzione delle portate.

Rapporto A/V


Un maggiore rapporto fra la superficie interna degli spechi fognari in

rapporto al volume dello stesso rende possibile una maggiore

superficie di biofilm per unità di volume di acqua reflua trasportata,

rendendo possibile un maggiore rateo di produzione del metano.

Tale assunzione è stata rilevata direttamente sul campo da

Guisasola et al. (2000) e Foley et al. (2009).

Temperatura


Una temperatura più elevata determina ratei cinetici superiori e

quindi maggiori produzione di metano. Risultati sperimentali, con il

confronto fra periodi estivi ed invernali, confermano questa

osservazione.

Concentrazione COD

Liu et al. (2015) hanno sperimentalmente evidenziato la

correlazione fra produzione di metano e concentrazione di COD

fermentabile.

Esempio di modello empirico


Esistono in letteratura modelli empirici per la stima della

produzione di metano sia per fognature in pressione che a pelo

libero. Di seguito è riportato il modello proposto da Chaosakul

et al. (2014) basato sul rapporto A/V, HRT e temperatura del

refluo.

CCH4= 6 x 10-5 x (A/V x HRT) x 1.05(T-20) + 0.0015

In cui CCH4 è la concentrazione di metano disciolto (kg/m3); 6 x

10-5 kg/m2 / h è il rateo di attività metanigena del biofilm nello

speco fognario; 1.05(T-20) tie e o to dell’effetto della temperatura.

Emissioni di protossido di azoto


Se o do l’EPA il p otossido 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’ozo o. No osta te iò gli studi sulle sue e issio i i fog atu a so o molto scarsi se raffrontati con quelli a disposizione per gli impianti di

depurazione.

L’EPA i di a il setto e della gestio e delle a ue eflue o e 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,

Clemens and Haas, 1997) indicavano per fognature miste a gravità valori

compresi fra 0,5 e 3,5 g N2O pe pe so a all’a o. Più e e ti lavo i Willis et al., 2012) negli USA indicano rilevano valori intorno a 0,6 g N2O per

persona all’a o .

Fattori che influenzano la produzione di N2O


La produzione di protossido di azoto dipende da parametri come il

rapporto fra carbonio ed azoto, carico organico, il regime di aerazione

(ossido-anossico-anaerobico), il pH, la concentrazione di NH4+, NO2-, NO3

-),

osì o e l’a o da za e l’attività di i o ga is i p odutto i di protossido di azoto.

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

Correlazione piogge vs. concentrazione COD

0

100

200

300

400

500

600

0 50 100 150 200 250 300 350

CO

D m

ed

io (

mg

/l)

Precipitazione medie mensili (mm)

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

anaerobica

Degradazione

anaerobica Degradazione

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

anaerobica

Degradazione

anaerobica Degradazione

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 a ue supe fi iali,…

Potabilizzazione; centrali acquedotto, trattamenti,

disi fezio e,…

Distribuzione; pompaggi, se atoi, ila i, ete tu azio i,…

Co su o d’acqua; domestico, p oduttivo…

Fine Vita, Trattamenti individuali, fognature, depurazione, scarico reflui,

s alti e to fa ghi,…

Analisi del ciclo di vita

Dati kgCO2e/anno , 2014*

26%

Ripartizione emissioni dirette ed indirette fasi servizio idrico

Fosse settiche

Fognatura

Acquedotto

Depurazione

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’a ie te e sugli i pia ti di depu azio e 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.

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