I sistemi di fitodepurazione I sistemi di fitodepurazione per il trattamento ed il riuso delle acque reflueper il trattamento ed il riuso delle acque reflue

gli AROMI – Piante Aromatiche e Officinal iUNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI CATANIA

Dipartimento Di Ingegner ia AgrariaCENTRO STUDI DI ECONOMIAAPPLICATA ALL’INGEGNERIA

CON IL CONTRIBUTO DI

Agenzia Regionale per laProtezione dell’Ambiente

Associazione Idrotecnica ItalianaSezione Sicilia Orientale

Ordine dei Dottori Agronomi e dei Dottori Fore stali della Provincia di Catania

Ordine degli Ingegneridella Provincia di Ca tania

Ordine dei Chimicidella Provincia di Ca tania

CON IL PATROCINIO DI

Agenzia Regionale per i Rifiuti e le acque - Sicilia

Associazione IngegneriAmbiente e Terri torio - Sicilia

Associazione Italiana per la Ingegneria Naturalistica – Sezione Sicilia

Ordine Nazionale dei Biologi

Associazione Nazionale di Architettu ra Bioecologica

Azienda Agrituristica Valle dei Margi – Grammichele (Catania) 21-22 maggio 2009

Seminario di studio sulla progettazione e gestione dei sistemi di fitodepurazione di acque reflue

Prof. Giuseppe Luigi CIRELLI (giuseppe.cirelli@unict.it)

Dipartimento di Ingegneria Agraria, Università degli Studi di Catania(www.dia.unict.it)

2

CoConventionalnventional sanitationsanitation(Ingegneria sanitaria convenzionale)(Ingegneria sanitaria convenzionale)

•Elevati consumi idrici

•Fognature di tipo misto e scarichi concentrati (riduzione della capacità depurativa dei corsi d’acqua)

•Commistione di piccole quantitativi di materiale fecale con grandi quantità di acqua

•Elevati costi di trattamento e disinfezione

•Elevati costi di riuso anche in relazione all’ubicazione degli impianti di depurazione

3

SustainableSustainable sanitationsanitation(Ingegneria sanitaria sostenibile)(Ingegneria sanitaria sostenibile)

•Riduzione dei consumi idrici

•Reti di fognatura separate (con trattamento delle acque di prima pioggia)

•Riuso acqua e recupero di sostanze fertilizzanti

•Separazione alla fonte della sostanza organica di origine fecale (acque nere e acque grigie)

•Soluzioni flessibili e adattabili a diverse situazioni economiche e sociali

•Tecnologie a basso costo e a basso impatto ambientale

4

SustainableSustainable sanitationsanitation(Ingegneria sanitaria sostenibile)(Ingegneria sanitaria sostenibile)

TRATTARE E “RIUSARE” LE ACQUE REFLUE IL PIU’ VICINO POSSIBILE

AL PUNTO DI ORIGINE

Impianti decentralizzati

“Privilegiare i piccoli impianti ai grandi impianti”

5

SITUAZIONE IN ITALIA DEI SISTEMI DI DEPURAZIONESITUAZIONE IN ITALIA DEI SISTEMI DI DEPURAZIONE

Circa il 5% degli impianti di depurazione censiti pari a 12.468 Circa il 5% degli impianti di depurazione censiti pari a 12.468 (su un (su un totale di 15.162 impianti esistenti) non totale di 15.162 impianti esistenti) non èè in esercizio (ISTAT, 1999). in esercizio (ISTAT, 1999). Mancano informazioni sul restante 17 % degli impianti non censitMancano informazioni sul restante 17 % degli impianti non censiti. i. Circa lCirca l’’70% degli impianti censiti 70% degli impianti censiti èè a servizio di comunita servizio di comunitàà con <2,000 con <2,000 AE (ISTAT, 1999)AE (ISTAT, 1999)

6

Ripartizione degli impianti di depurazioneesistenti in Italia in funzione del numero di AE

69%

7.3%

2%

1.7%

(<2 000 AE)

20%(2 000 ÷10 000 AE)

(10 000÷50 000 AE)

(50 000÷100 000 AE)

(>100 000 AE)

69%

7,3%

2%

1,7%

(<2 000 AE)

20%20%

(10 000÷50 000 AE)

(50 000÷100 000 AE)

(>100 000 AE)

Ripartizione in funzione della potenzialità degli impianti di depurazione esistenti in Italia (dati Federgasacqua, 2003).

7

L’importanza del trattamento delle acque reflue delle piccoleComunità – ripartizione dei Comuni in Italia e della popolazioneresidente (ISTAT, 2001)

5,2

0

10

20

30

40

50

60

70

80

%

fino a 5.000 da 5.001 a 20.000 da 20.001 a 100.000 oltre 100.000

Comuni Popolazione residente

classi di popolazione

72,1

18,8 22,2

29,8 28,5

0,5

22,9

8

Particolare interesse applicativo hanno alcune tecnologie di trattamento naturali delle acque reflue

serbatoi di accumulo lagunaggio

fitodepurazione

9

SISTEMI NATURALISISTEMI NATURALI

Notevole interesse allNotevole interesse all’’individuazione ed alla individuazione ed alla applicazione di tecniche di trattamento delle applicazione di tecniche di trattamento delle acque reflue acque reflue affidabiliaffidabili e di e di semplice ed semplice ed economica gestione e manutenzione,economica gestione e manutenzione, anche in anche in relazione alle normative vigenti e allrelazione alle normative vigenti e all’’entitentitàà dei dei reflui da trattare.reflui da trattare.

Le Le tecnichetecniche naturalinaturali vengonovengono denominate denominate ancheancheestensiveestensive in in quantoquanto i i processiprocessi didi depurazionedepurazione didi tipotipochimicochimico--fisicofisico--biologicobiologico richiedonorichiedono::-- lunghilunghi tempi (tempi (finofino ad ad alcunealcune decinedecine didi giornigiorni))-- esteseestese superficisuperfici ((finofino a 10 ma 10 m22/AE)/AE)

10

Superficie occupate e consumi di energia di alcuni sistemi di depurazioneSuperfici occorrenti e consumi di energia di alcuni sistemi di depurazione

Superficie (m

2/AE)

Consumi energetici [kWh/(AE anno)]

TRATTAMENTI PRELIMINARI 0,005÷0,01 0÷1,8 Fossa settica a monte di un trattamento secondario 0,1÷0,3 0 Fossa settica come trattamento a sé stante 0,8÷1,2 0 Fossa Imhoff a monte di un trattamento secondario 0,08÷0,1 0 Fossa Imhoff come trattamento a sé stante 0,2÷0,6 0 DEPURAZIONE CON SISTEMI NATURALI Subirrigazione in terreni drenanti 5÷12 0÷1,10

1

Subdispersione a goccia 4÷10 5,5÷11,0 Subdispersione drenata 7÷15 0÷1,10

1

Filtrazione lenta intermittente senza ricircolo 2÷4 0÷1,102

Filtrazione lenta intermittente con ricircolo 1÷2 3÷7 Fitodepurazione ver ticale (secondario) Fitodepurazione ver ticale (terz iario)

2÷3 0,7÷1

0÷1,102

0÷1,102

Fitodepurazione subsuperficiale orizzontale (secondario) Fitodepurazione subsuperficiale orizzontale (terziario)

4÷5 0,7÷1

0 0

Fitodepurazione superficiale (secondar io) Fitodepurazione superficiale (terziario)

2÷3 0,5÷1

0 0

Evapotraspirazione 15÷50 0 Stagno facoltativo (secondario) Stagno facoltativo (terziario)

5÷60 2÷6

0÷1,103

0

Stagno aerobico (affinamento) 2÷4 0 Stagno anaerobico 0,2÷0,4 0 Stagno aerato aerobico-anaerobico Stagno aerato aerobico

0,6÷0,8 0,5÷0,7

20-40 30÷60

DEPURAZIONE CON SISTEMI IMPIANTISTICI Filtro percolatore classico a basso carico 0,22÷0,40 0÷1,8

2

Dischi biologici 0,20÷0,35 0,35÷0,7 Filtro biologico aerato (BAF) 0,15÷0,20 55÷80 Percolatore sommerso aerato (SAF) 0,16÷0,22 55÷80 MBBR 0,16÷0,20 35÷70 Fanghi attivi ad aeraz. prol. (a flusso continuo e SBR) 0,22÷0,30 55÷80 Fanghi attivi MBR 0,18÷0,25 70÷120 Trattamento chimico 0,13÷0,16 1÷1,8 Filtrazione rapida 0,001÷0,002 1,3÷2

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I I sistemi naturalisistemi naturali sono diffusamente utilizzati in variesono diffusamente utilizzati in varieparti del Mondo per la depurazione di acque reflueparti del Mondo per la depurazione di acque refluedi tipo:di tipo:•• civilecivile•• industriale (agroindustriale (agro--industrie)industrie)•• agricolo (liquami zootecnici)agricolo (liquami zootecnici)

Numerose applicazioni sono state realizzate in Numerose applicazioni sono state realizzate in Europa nel settore civile per:Europa nel settore civile per:

•• trattamento secondario di piccole comunittrattamento secondario di piccole comunitàà

•• trattamento terziario di medie e grandi comunittrattamento terziario di medie e grandi comunitàà

•• affinamento batteriologico ai fini del riuso agricoloaffinamento batteriologico ai fini del riuso agricolo

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SITUAZIONE IN ITALIASITUAZIONE IN ITALIA

Il Il D.LgsD.Lgs. 152/99. 152/99 --allegato 5 (aggiornato con allegato 5 (aggiornato con D.LgsD.Lgs 152/2006) 152/2006) prescrive :prescrive :

““Per tutti gli insediamenti con popolazione equivalente tra 50 e Per tutti gli insediamenti con popolazione equivalente tra 50 e 2000 2000 AE si ritiene auspicabile il ricorso a tecnologie di depurazioneAE si ritiene auspicabile il ricorso a tecnologie di depurazionenaturale quali il naturale quali il lagunaggiolagunaggio o la o la fitodepurazionefitodepurazione……”……”

inoltreinoltre

“…“….Tali trattamenti si prestano, per gli insediamenti di maggiori .Tali trattamenti si prestano, per gli insediamenti di maggiori dimensione con popolazione equivalente compresa tra i 2000 e i dimensione con popolazione equivalente compresa tra i 2000 e i 25000 AE, anche a soluzioni integrate con impianti a fanghi atti25000 AE, anche a soluzioni integrate con impianti a fanghi attivi o a vi o a biomassa adesa, a valle del trattamento, con funzione di biomassa adesa, a valle del trattamento, con funzione di affinamento.affinamento.””

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Popolazione Aree non sensibili Aree sensibili < 2.000 AE Trattamento appropriato

Trattamento secondario o equivalente Valore Efficienza % Valore Efficienza %

BOD5 < 25 mg/L 70-90 BOD5 < 25 mg/L 70-90 COD < 125 mg/L 75 COD < 125 mg/L 75

2.000-10.000 AE

SST < 35 mg/L 90 SST < 35 mg/L 90 Trattamento secondario o equivalente Trattamento avanzato

Valore Efficienza % Valore Efficienza %

BOD5 < 25 mg/L 80 BOD5 < 25 mg/L 80

COD < 125 mg/L 75 SST < 35 mg/L 90

COD < 125 mg/L 75 Ntot < 15 mg/L 70-80

10.000-100.000 AE

SST < 35 mg/L 90 Ptot < 2 mg/L 80 Trattamento secondario o equivalente Trattamento avanzato

Valore Efficienza % Valore Efficienza % BOD5 < 25 mg/L 80 BOD5 < 25 mg/L 80 COD < 125 mg/L 75 SST < 35 mg/L 90 COD < 125 mg/L 75 Ntot < 10 mg/L 70-80

> 100000 AE

SST < 35 mg/L 90 Ptot < 1 mg/L 80

Limiti di emissione in funzione degli abitanti equivalenti (AE) per gli impianti di acque reflue urbane che recapitano in corpi idric i superficiali (All. 5 - D.Lgs. n. 152/99, modificato con il D.Lgs. 152/2006)

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Requisiti di qualità delle acque reflue recuperate destinate ai vari usi

ALCUNI PARAMETRI CHIMICO-FISICIParametro Unità di misura Valore limite tab.

ACommento

PH 6-9,5 valore guidaSAR 10Materiali grossolani AssentiSolidi sospesi totali mg/l 10BOD5 mg O2/l 20COD mg O2/l 100Fosforo totale mg P/l 2 riuso irriguo: 10Azoto totale mg N/l 15 riuso irriguo: 35Azoto ammoniacale mg NH4/l 2 valore guidaConducibilità elettrica dS/m 3 valore guida; valore limite: 4

D.M. 185/2003 “Normativa sul riutilizzo delle acque reflue”

Parametro Unità di misura Valore limite tab. A Valore limite lagunaggioe fitodepurazione

Escherichia coli UFC/100 ml 10 (80% dei campioni)100 (valore puntuale max)

50 (80% dei campioni)200 (valore puntuale max)

Salmonella Assente (100% dei campioni)

PARAMETRI MICROBIOLOGICI

15

Negli impianti di fitodepurazione o “aree umide artificiali”(“constructed wetlands”), vengono riprodotti, in un ambiente controllato, i processi depurazione naturale caratteristici delle zone umide e ottenuti prevalentemente dall’azione combinata di: suolo, vegetazione e microrganismi

FITODEPURAZIONE: definizione

16

Classificazione dei sistemi di fitodepurazione in funzione del regime idraulico

Sistema a flusso sommerso verticale (SFS-v)

Sistema a flusso sommerso orizzontale (SFS-h)

Sistema a flusso superficiale (FWS)

Flusso superficiale

Flusso subsuperficiale

17

Classificazione dei sistemi di fitodepurazione (modificata da Brix, 1993)

SISTEMI DI FITODEPURAZIONE

SISTEMI A MACROFITEGALLEGGIANTI

SISTEMI A MACROFITERADICATE

SISTEMI A MACROFITEEMERGENTI

SISTEMI A MACROFITESOMMERSE

SISTEMI A FLUSSOSUBS UPERFICIALE

(SSF)

SISTEMI A FLUSSOSUBS UPERFICIALE ORIZZONTALE

(H-S SF)

SISTEMI A FLUSSOSUBSUPERFICIALE VERTICALE

(V-SS F)

SISTE MI A FLUSSOS UPERFICIALE

(FW S)

18

Macrofite galleggianti

Giacinto d’acqua

(Eichornia crassipes)

Lenticchia d’acqua(Lemna sp.)

Lattuga d’acqua(Pistia stratiotes)

19

Macrofite radicate

Cannuccia di palude(Phragmites australis)

Mazza di tamburo(Typha latifolia)

Papiro(Cyperus papyrus)

20

• 34 tab

Gramigna di paludeGlyceria maxima

CanariaPhalaris arundinacea

SalcerellaLythrum salicaria

Canapa d’acquaEpatorium cannabium

Gladiolo delle paludiIris pseudacorus

Epilobio maggioreEpilobium hirsutum

Carice acutoCarex acutiformis

Carice erettaCarex hirta

Giunco di paludeScirpus lacustris

CiperoCyperus sp.

Giunco da cordeSchoenoplectus lacustris

GiuncoJuncus sp.

StianciaTypha angustifolia

Mazza di tamburoTypha latifolia

Cannuccia di paludePhragmites australi

NOME VOLGARENOME SCIENTIFICO

Principali macrofite radicate emergenti

21

Peste d’acqua maggioreEgeria densa

Peste d’acqua comuneElodea canadensis

Millefoglio Myriophyllum heterophillum

Millefoglio d’acqua comuneMyriophyllum spicatum

Lingua d’ocaPotamogeton lucens

NOME VOLGARENOME SCIENTIFICO

Castagna d’acquaTrapa sp.

Lattuga d’acquaPistia stratiotes

Soldanella reniformeHydrocotyle rannuncoloides

Soldanellad’acquaHydrocotyle umbellata

Morso di ranaHydrocharis morsus-ranae

Violetta d’acquaHottonia palustris

Ninfea comuneNymphaea alba

Lenticchia d’acquaLemna minor

Lenticchia d’acqua giganteLemna gibba

Lenticchia d’acqua spatolataLemna trisulca

Giacinto d’acquaEichornia crassipes

NOME VOLGARENOME SCIENTIFICO

Principali specie di macrofite radicate sommerse

Principali specie di macrofite galleggianti

22

Scarico degli insediamenti civili o produttivi

• Le acque provenienti da insediamenti civili o produttivi aventi una potenzialità inferiore a 50 A.E. possono essere smaltite sul terreno previo trattamento di sedimentazione primaria (mediante fossa Imhoff) e successiva dispersione a mezzo pozzo disperdente o condotta di subirrigazione.

• Gli insediamenti con potenzialità > 50 A.E. devono essere dotati di un idoneo sistema di trattamento e smaltimento delle acque reflue conforme ai limiti sullo scarico previsti dalla normativa. In tal caso il corpo ricettore deve essere un corpo idrico, lo scarico sul suolo è consentito qualora non esistano le condizioni per potere raggiungere un idoneo corpo ricettore idrico

23

A monte di un impianto di fitodepurazione occorre almeno una fase di trattamento preliminare (grigliatura+disoeleatura) e primario(sedimentazione primaria)

Fase di trattamento prima dell’ingresso nel sistema di fitodepurazione

24

Sistemi a flusso superficiale (FWS)Sistemi a flusso superficiale (FWS)

• a macrofite radicate emergenti (Phragmites, Typha, Juncus, Scirpus, Carex, etc.)

• a macrofite galleggianti (Lemna, Giacinto d’acqua, etc..)

• a macrofite radicate sommerse (Potamogeton, Myriophyllum heterophillum, Elodea)

• a microfite o microalghe (Cloroficee, Diatomee, Cianoficee)

• Bacini di forma allungata e bassa profondità

• Utilizzati prevalentemente come trattamento terziario

• Prestazioni significativamente variabili con le stagioni (poco applicabile in climi rigidi)

• Problemi di impatto ambientale

• Superficie occupata (oltre 3-4 m2/AE per un trattamento terziario)

• Pochi esempi di applicazione in Europa e in Italia

FITODEPURAZIONEFITODEPURAZIONE

h

25

Sistemi con macrofite galleggianti

26

Sistemi con macrofite radicate emergenti a flusso superficiale

h

27

SCHEMA DI UNO STAGNO FACOLTATIVO (modificata da Metcalf and Eddy, 1991)

I I SISTEMI A FLUSSO SUPERFICIALESISTEMI A FLUSSO SUPERFICIALE SONO SONO DIFFERENTIDIFFERENTIDAI DAI SISTEMI DI LAGUNAGGIOSISTEMI DI LAGUNAGGIO

CO2ZONA AEROBICA

IMMISSIONE LIQUAME

SEDIMENTI

BATTERIAEROBI

ALGHE

O2 disciolto

gi orno

notte

prof

ond

ità

VENTO

CO2

EFFLUENTE

H2SNH3CO2CH4

LUCESOLARE

Rifiuti organici acidi organicialcol i, a ldeidi

Superficie liquidasolidi disciolti e colloidali

solidi sedimentabil i

O2

O2

cellule morte

aerazionesuperficia le

nuove alghe

nuovibatteri

(durante le ore diurne)O2

(l' azione del vento favorisce la miscelazione e l'aerazione)

(se non è presente ossigeno negli strati superiori possono essere rilasciati gas odoriferi)

H2S

H2SO4H2S+2O2

ZONA FACOLTATIVA

ZONA ANAEROBICA

28

Sistemi a flusso superficiale (foto IRIDRA)

Sistemi a flusso superficiale

30(fonte G. Cooper)

Sistema H-SSF + FWS

31

Wakodahatcee Wetlands - Palm Beach County, Florida

Nel 1996 circa 20 ettari di vasche di infiltrazione sono state convertite in sistemi FWS

Dopo 3 anni si contavano già 174 specie di uccelli di cui 13 strettamente dipendenti dalla wetland. (fonte Hans Brix)

32

Wakodahatcee Wetlands - Palm Beach County, Florida

(fonte Hans Brix)

33

Sistema a flusso superficiale per il trattamento terziario (foto H. Brix)

34

Superficie complessiva bacini 8.400 m2

35(fonte Hans Brix)

36(fonte Hans Brix)

37(fonte Hans Brix)

38(fonte Hans Brix)

39(fonte Hans Brix)

40(fonte Hans Brix)

41(fonte Hans Brix)

Piracicaba - Brasile

42

Sistemi a flusso subSistemi a flusso sub--superficiale orizzontale (Hsuperficiale orizzontale (H--SSF)SSF)

• bacini impermeabilizzati di forma rettangolare allungata e altezza intorno a 60 cm

• riempimento in materiale ghiaioso o misto ghiaioso-sabbioso

• il liquame viene fatto fluire orizzontalmente in continuo attraverso il terreno in cui sono radicate le macrofite (prevalentemente Phragmites sp.)

• funzionamento in condizioni di terreno saturo, ma con il livello idrico non affiorante

• trattamento secondario a servizio di piccole o piccolissime comunità

• Semplicità ed economia gestionale

• Presenta modeste perdite di carico

• Assenza di acqua libera (sviluppo di insetti modesto)

• Superficie occupata ≈ 4-5 m2/AE (trattamenti secondari) e 1-2 m2/AE (trattamenti terziari)

• Molto efficace nella rimozione di sostanza organica e SST, meno per la rimozione dei nutrienti

• Interessanti prestazioni nella riduzione della carica batterica

• Molto utilizzato in Europa, numerose applicazioni anche in Italia

43(fonte Artec Ambiente srl)

44

Sistema a flusso subsuperficiale orizzontale (SSF- H)

45

Sistemi con macrofite radicate emergenti a flusso sub-superficiale orizzontale

46(fonte IRIDRA)

Sistema a flusso subsuperficiale orizzontale - HSSF

47(fonte IRIDRA)

Sistema a flusso subsuperficiale orizzontale - HSSF

48

Sistemi a flusso subSistemi a flusso sub--superficiale verticale (Vsuperficiale verticale (V--SSF)SSF)

• bacini impermeabilizzati di forma rettangolare e altezza variabile da 40 a oltre 80 cm

• riempimento in materiale ghiaioso e sabbioso, a volte con stratificazioni a granulometria variabile

• il liquame viene fatto fluire verticalmente attraverso il terreno in cui sono radicate le macrofite (prevalentemente Phragmites)

• funzionamento con cicli di riempimento-svuotamento in modo da migliorare al massimo l’aerazione del terreno

• usati efficacemente come trattamento secondario o terziario

• Sviluppati come alternativa al flusso orizzontale, allo scopo di migliorare l’aerazione del terreno, favorendo i processi aerobici

• Presentano rendimenti migliori rispetto al flusso orizzontale (riduzione fino al 50% delle superfici a parità di rendimento)

• Sono in grado di nitrificareefficacemente, e spesso utilizzato a questo scopo in accoppiamento ai sistemi orizzontali

• Perdite di carico maggiori dei sistemi orizzontali

• Distribuzione omogenea del liquame su tutta la superficie costituisce un problema idraulico non banale

• Necessaria una regolazione idraulica dell’uscita

• Le applicazioni sono ancora poche a causa delle difficoltà sopra evidenziate

FITODEPURAZIONEFITODEPURAZIONE

49(fonte Artec Ambiente srl)

50

Sistemi con macrofite radicate emergenti a flusso sub-superficiale verticale

51

Impianto a flusso subImpianto a flusso sub--superficiale verticale di superficiale verticale di MedmenhamMedmenham. Messa a dimora . Messa a dimora delle delle macrofitemacrofite ((CooperCooper etet al., 1996)al., 1996)

Sistema a flusso subsuperficiale verticale - VSSF

52

Impianto a flusso subImpianto a flusso sub--superficiale verticale superficiale verticale WRcWRc di di MedmenhamMedmenham a regime (luglio 1994) a regime (luglio 1994) ((CooperCooper etet al., 1996)al., 1996)

Sistema a flusso subsuperficiale verticale - VSSF

53(fonte IRIDRA)

54

SOLUZIONI IMPIANTISTICHE

Le combinazioni impiantistiche maggiormente utilizzate sono (Pucci et al., 2004):

• H-SSF + V-SSF: lo stadio a flusso sommerso orizzontale rimuove gran parte dei solidi sospesi e del carico organico mentre lo stadio a flusso verticale effettua una rilevante ossidazione e un’ efficace nitrificazione. In alcuni casi viene previsto un ricircolo dell’effluente in testa all’impianto per migliorare le percentuali di rimozione dei nitrati tramite i processi di denitrificazione che si verificano nel H-SSF;

• V-SSF + H-SSF: lo stadio a flusso sommerso orizzontale assolve alla funzione di denitrificazione dell’effluente in uscita dal sistema verticale;

• H-SSF + V-SSF + FWS: lo stadio a flusso libero finale oltre a completare la rimozione delle sostanze azotate, affina ulteriormente l’abbattimento della carica microbiologica.

55

RUOLO DELLA VEGETAZIONE

Mantenimento nel breve e lungo periodo della porositàdel substrato (sistemi a flusso subsuperficiale)

Riduzione del volume del refluo per effetto della evapotraspirazione (effetto indesiderato nel caso del riuso)

Assorbimento ed asportazione di N,P,K e di elementi tossici (metalli pesanti)

Filtrazione attraverso l’apparato radicale che offre inoltre un supporto ai microrganismi (prevalentemente aerobici)

Trasferimento dell’ ossigeno al substrato sommerso

56

Costituente Meccanismi di Rimozione (in ordine di rilevanza)

Solidi Sospesi • Sedimentazione / Filtrazione• Degradazione

BOD • Degradazione microbica (aerobica ed anaerobica)• Sedimentazione (accumulo di materiale organico/fango sulla superficie del sedimento)

Azoto • Trasformazione in ammoniaca, seguita da nitrificazione e denitrificazione microbica• Assunzione diretta da parte delle piante o delle alghe• Volatilizzazione dell’ammoniaca

Fosforo emicroinquinanti persistenti

• Adsorbimento da parte del suolo (reazioni di adsorbimento-precipitazione con Al, Fe, Ca e minerali argillosi presenti nel suolo)

• Assunzione diretta da parte delle piante o delle alghe

Patogeni• Sedimentazione / Filtrazione• Decadimento spontaneo, predazione• Radiazione UV• Escrezione di antibiotici dalle radici delle macrofite (???)

Fenomeni di rimozione nei sistemi di fitodepurazione

57

Processi di rimozione dei principali inquinanti in un impianto di fitodepurazione

Processo Inquinanti coinvolti Spiegazione Processi fisici

Sedimentazione

P – solidi sospesi S – solidi colloidali A – BOD, azoto,

fosforo, metalli pesanti, sostanza organica refrattaria, batteri e virus

Sedimentazione per gravità dei solidi e inquinanti associati

Filtrazione S – solidi sedimentabili,

solidi colloidali Le particelle vengono filtrate e trattenute durante il passaggio attraverso il substrato, le radici, ecc.

Adsorbimento S – solidi colloidali Per azioni di forze di Van der Waals

Volatilizzazione

P – sostanze organiche volatili, sostanze aromatiche, composti alogenati leggeri

Le sostanze organiche con alta pressione di vapore passano all’atmosfera dove possono venire eventualmente ossidate

Processi chimici

Precipitazione P – fosforo, metalli pesanti

Formazione di, o coprecipitazione di, composti insolubili

Adsorbimento

P – fosforo, metalli pesanti S – sostanza organica refrattaria

Adsorbimento sul substrato e superfici organiche

Decomposizione P – sostanza organica refrattaria

Decomposizione di composti meno stabili per radiazione UV, ossidazione e riduzione

Processi biologici

Metabolismo microbico

P – solidi colloidali, BOD, azoto, sostanza organica refrattaria, metalli pesanti

Rimozione dei solidi colloidali e della sostanza organica disciolta dai batteri associati alla vegetazione Nitrificazione/denitrificazione batterica Ossidazione microbica di metalli

Metabolismo vegetale

S – sostanza organica refrattaria, batteri e virus

Assorbimento e metabolizzazione della sostanza organica della vegetazione Essudati radicali potenzialmente tossici per organismi enterici

Adsorbimento vegetale

S – azoto, fosforo, metalli pesanti, sostanza organica refrattaria

Le piante ne assorbono discrete quantità in presenza di adeguate condizioni

Morte naturale P – batteri e virus Morte naturale degli organismi in un ambiente sfavorevole

P = effetto principale; S = effetto secondario; A = effetto accidentale (cioè si verifica accidentalmente durante la rimozione di altri inquinanti)

58

EFFETTI DELLE MACROFITE NEI SISTEMI DI FITODEPURAZIONE

Formazione di biomasse

Formazione di habitat f avorevoli all’insediamento della fauna

Conf erimento di un aspetto esteticamente apprezzabile al sistema

ALTRI EFFETTI

Rilascio di sostanze antibiotiche dalle radici

Formazione e rilascio di carbonio organico

Incremento dell’ev apotraspirazione

Rilascio di ossigeno dalle radici e rizomi

Assimilazione di nutrienti e metalli pesanti

EFFETTI BIOLOGICI

Isolamento termico

Disponibilità di superfici per la formazione del biofilm

Riduzione dei fenomeni di intasamento del medium poroso

Prev enzione della formazione di canali di erosione

Filtrazione

Attenuazione della luce

Riduzione della velocità del vento sulla superf icie dell’acqua (FWS)

Riduzione della velocità del flusso idrico

EFFETTI FISICI

59

Importanza relativa del ruolo svolto dalle piante nei sistemi difitodepurazione (Brix, 1994)

Funzioni della vegetazione

Flusso Superficiale

Flusso Sub-Superficiale

Flusso Sub-Superficiale

Verticale

Sistemi Combinati

Stabilizzazione della superficie del sedimento

+ + + + + + + + + + + + + + + +

Prevensione intasamento del medium

- - + + + + + + + + + +

Riduzione della velocità della corrente

+ + + - - -

Attenuazione della luce + + + + + + + + + + +

Isolamento termico + + + + + + + + + + + + Supporto per biofilm batterico + + + + + + + + + +

Assorbimento nutrienti + + + + + + - +

Trasferimento e rilascio di ossigeno + + + + +

Habitat per fauna + + + + + + + + + + Estetica + + + + + + + + + + + + + + + + + +

60

RENDIMENTO DEPURATIVO SISTEMI DI FITODEPURAZIONE SUPERFICIALI FWS(DIA- UNICT, 2007)

BOD5 COD NTOT N-NH4 PTOT SST Nazione

Numero impianti

(*) (%) (%) (%) (%) (%) (%) Fonte

Australia 7-8 34 n.r. 60 53 -17 -11 Greenway e Woolley, 2001

Cina 1-5 72 62 57 41 59 84 Xianfa e Chuncai, 1995 Song et al., 2006

Belgio 12 n.r. 61 31 n.r. 26 75 Rousseau et al., 2004

Egitto 1 78 68 n.r. n.r. 32 57 El Khateeb e El Gohary, 2002

Estonia 1 81 n.r. 66 n.r. 69 n.r. Mander e Mauring, 1997

Finlandia 2 n.r. n.r. 22 35 30 28 Koskiaho et al., 2003

Grecia 1 94 96 n.r. n.r. 53 95 Dialynas et al., 2002

Indonesia 1 n.r. 88 43 n.r. 86 n.r. Meutia, 2001

Italia 1 50 9 n.r. n.r. n.r. n.r. Romagnolli, 2000

Nord America 69 74 n.r. 53 54 57 70

Kadlec e Knight, 1996 USEPA, 2000

Thailandia 1 58 n.r. n.r. 40 26 57 Klomjek e Nitisoravut, 2005

Turchia 3 50 40 53 n.r. 34 n.r. Tunçsiper et al. 2004

USA 1-48 n.r. 48 14 32 39 49 Carleton et al., 2001 Reddy et al., 2001

MEDIA 69 59 44 51 44 60

61

RENDIMENTO DEPURATIVO

SISTEMI DI FITODEPURAZIONE SUBSUPERFICIALI

ORIZZONTALI H-SSF(DIA-UNICT, 2007)

BOD5 COD NTOT N-NH4 PTOT SST Nazione

Numero impianti

(*) (%) (%) (%) (%) (%) (%)

Australia 3 75 68 n.r. 18 22 88 Austria 1 93 80 51 91 70 88 Belgio 2 n.r. 72 33 n.r. 48 86 Brasile 1 69 71 78 n.r. 72 38 Cina 1-2 90 81 35 21 51 98 Danimarca 71 80 66 40 34 32 73 Danimarca e UK 52-80 86 75 43 33 27 86

Egitto 1-4 78 78 n.r. n.r. 39 78 Estonia 1 n.r. n.r. 46 57 77 Francia 1 94 94 57 n.r. 27 96 Germania 1-8 84 76 79 85 95 97 Giordania 1 54 n.r. n.r. n.r. n.r. 64 Italia 1-24 63 81 64 58 49 84 Marocco 3 n.r. 56 n.r. 30 9 63 Nepal 2-3 n.r. 68 38 44 n.r. 70 Nord America 8-34 68 n.r. 56 25 33 79

Polonia 5-6 83 64 24 n.r. 46 77 Repubblica Ceca 32-56 87 75 42 43 51 85

Slovenia 5 80 81 n.r. 77 n.r. n.r. Spagna 1-3 79 72 n.r. 25 36 92 Svezia 3 93 n.r. 40 n.r. 58 n.r. Tanzania 1 n.r. 50 n.r. 20 n.r. n.r. Turchia 1 31 n.r. n.r. 50 n.r. n.r. Uganda 1 57 n.r. 63 56 54 n.r. USA 1-4 78 61 n.r. 26 19 90

MEDIA 79 73 46 38 38 81

62

RENDIMENTO DEPURATIVO

SISTEMI DI FITODEPURAZIONE SUBSUPERFICIALI VERTICALI V-SSF(DIA-UNICT, 2007)

BOD5 COD NTOT N-NH4 PTOT SST Nazione

Numero impianti

(*) (%) (%) (%) (%) (%) (%) Fonte

Austria 1-3 96 70 36 91 63 92 Haberl et al., 1998 Haberl e Langergraber 2003

Austria e UK 4 96 87 38 66 58 90 Haberl et al., 1995

Belgio 6 n.r. 94 52 n.r. 70 98 Rousseau et al., 2004

Cina 1 82 n.r. 39 n.r. 46 n.r. Perfler et al., 1999

Colombia 1 72 63 n.r. n.r. n.r . 59 Gi raldo e Zàrate, 2001

Estonia 1 82 n.r. 36 n.r. 74 n.r. Mander e Mauring, 1997

Francia 3-27 98 92 88 88 44 96

Molle et al. 2004 Chazarenc e Merlin 2004 Paing e Voisin 2004 Liénard e Boutin, 2003

Germania 3 96 91 42 81 58 n.r. Luederit z et al., 2001 Gschlößl et al., 2004 Kern e Idler 1999

Grecia 1 97 94 n.r. 94 n.r . 99 Montgomery, 1997

Indonesia 1 n.r. 95 82 n.r. 95 n.r. Meutia, 2001

Israele 1 97 96 98 n.r. 99 n.r. Korkusuz, 2005

I talia 3-7 88 82 34 90 76 80 Piraccini, 1997 Iannelli, 2001 Pucci et al., 2005

Nepal 1 97 93 n.r. 96 n.r . 97 Shrestha et al., 2001

Svizzera 1-5 n.r. 85 68 52 74 n.r. Billeter et al., 1998

Thailandia 2 n.r. 96 n.r. 98 n.r . 100 Kantawanichkul et al., 1999

Turchia 1-11 74 53 45 53 38 59 Tunçsiper et al. 2004 Korkusuz et al., 2005

UK 1-2 97 81 59 90 n.r . 84 Sun et al., 1999 Weedon, 2001

MEDIA 91 83 67 79 53 91

63

RENDIMENTO DEPURATIVO: RIMOZIONE MICROORGANISMI

Per quanto riguarda i microrganismi indicatori, quali coliformi fecali ed Escherichia coli, diversi autori (Gersberg et al., 1989; Bavor et al., 1989; Kadlec e Knigth, 1996; Haberl et al., 1998; Kantawanichkul et al., 1999) riportano efficienze di rimozione dell’ordine di 1-2 unità logaritmiche (pari al 90-99%), con valori massimi fino a 3 unità logaritmiche (99,9%) ottenute in sistemi realizzati in regioni con clima mediterraneo (Barbagallo etal., 2002).

In Sicilia, inoltre, sono stati raggiunti ottimi risultati (fino al 100%) nella rimozione di Salmonella e uova di elminti(Barbagallo et al., 2003).

64

RENDIMENTO DEPURATIVO: RIMOZIONE METALLI

I sistemi FWS presentano percentuali di rimozione dei metalli piuttosto contenute e strettamente dipendenti dalle specie vegetali presenti. Ottime capacità di bioaccumulo di metalli da parte della lenticchia d’acqua, in particolare per il cadmio, il rame ed il nichel, e del giacinto d’acqua in grado di rimuovere percentuali variabili dal 18% di arsenico al 68% di rame (Zayed et al., 1998, Romagnolli, 2000).

I sistemi a flusso subsuperficiale hanno dimostrato una buona capacità di sequestro dei metalli: sono state riscontrate efficienze di rimozione di rame, zinco e cadmiorispettivamente pari al 99, 97 e 99%, con tempi di ritenzione idraulica di 5,5 giorni (Gersberg et al., 1985).

65

Impianto di fitodepurazione H-SSF a doppio stadio.

Valore medio ed efficienze di rimozione dei parametri chimico – fisici (da Vymazal 2004) (Concentrazione in mg/L, efficienza in %)

Punti di campionamento Parametro Anno 1 2 3 4

Efficienza

2002 3772 551 169 < 40 > 98,9 Al

2003 1456 638 < 40 < 40 > 97,3

2002 7 0,52 < 0,5 < 0,5 > 92,9 Cr

2003 9,3 16,9 0,66 0,88 90,5

2002 8 4,4 < 2,0 < 2,0 > 75,0 Cu

2003 74,7 13,3 2,05 < 2,0 > 97,3

2002 1754 301 151 348 80,2 Fe

2003 779 431 133 117 85

2002 111 109 129 404 -263 Mn

2003 145 83 60 147 -1,4

2002 10,4 1,67 2,78 4,61 55,7 Ni

2003 29,9 9,4 3 3,2 89,3

2002 7,4 5,8 < 2,0 < 2,0 > 73,1 Pb

2003 12,8 10,6 2,9 2,2 82,8

2002 109 73,2 10,5 6,4 94,1 Zn

2003 219 120 18,7 12,6 98,8

66

Separazione acque grigie e nere

67

Separazione urineSeparazione urine

68

Rete duale: alimentazione degli scarichi del WC con acque reflue depurate

69

Impianto di fitodepurazione per il trattamento delle acque grigie (Oslo, Norvegia)

(fonte Hans Brix)

70

Impianto di fitodepurazione per il trattamento delle acque grigie (Oslo, Norvegia)

(fonte Hans Brix)

71

Impianti di fitodepurazione “a scarico zero”

(fonte Hans Brix)

72

Impianti di fitodepurazione “a scarico zero”

(fonte Hans Brix)

73

Impianti di fitodepurazione per insediamenti rurali sparsi

Agriturismo Spannocchia (60 a.e.) – Chiusdino (SI)

(fonte IRIDRA)

74

Impianti di fitodepurazione – Applicazioni particolari

75

Impianti di fitodepurazione - Applicazioni particolari

Biopiscine

76

INTERESSE APPLICATIVO DELLA INTERESSE APPLICATIVO DELLA FITODEPURAZIONEFITODEPURAZIONERelativa facilitRelativa facilitàà di realizzazione anche da imprese localidi realizzazione anche da imprese locali

Assenza (quasi sempre) di apparecchiature elettroAssenza (quasi sempre) di apparecchiature elettro--meccaniche meccaniche

Produzione di fanghi modesta Produzione di fanghi modesta

SemplicitSemplicitàà ed ed economiciteconomicitàà di gestione e manutenzionedi gestione e manutenzione

AffidabilitAffidabilitàà nel rendimento ed elevata efficienza nella nel rendimento ed elevata efficienza nella rimozione di alcuni inquinanti rimozione di alcuni inquinanti

Ottima capacitOttima capacitàà ““bufferbuffer”” per assorbire punte di carico per assorbire punte di carico idraulico ed organicoidraulico ed organico

Ottimo inserimento ambientaleOttimo inserimento ambientale

PossibilitPossibilitàà di recupero di aree marginalidi recupero di aree marginali

77

SITUAZIONE IN ITALIA DEI SISTEMI DI FITODEPURAZIONESITUAZIONE IN ITALIA DEI SISTEMI DI FITODEPURAZIONE

Il numero di Il numero di impianti di trattamento naturaliimpianti di trattamento naturali èè modesto (circa modesto (circa 200) ed 200) ed èè costituito prevalentemente da sistemi di costituito prevalentemente da sistemi di fitodepurazione a servizio di piccole comunitfitodepurazione a servizio di piccole comunitàà (Masi, 2002)(Masi, 2002)

3

2

15

5

37

73

18

2

3811

5

VALLE D'AOSTA

TRENTINO-ALTO ADIGE

Sicilia

CALABRIA

CAMPANIA

MOLISE

ABRUZZI

Marche

Puglia

BasilicataSardegna

Lazio

Umbria

Toscana

Liguria

PiemonteEMILIA-ROMAGNA

FRIULI-VENEZIA GIULIA

VenetoLombardia

N. Impianti Fitodepurazione

18 a 73 (3)11 a 18 (1)7 a 11 (1)5 a 7 (3)3 a 5 (2)2 a 3 (2)1 a 2 (2)

78

SITUAZIONE IN ITALIA DEI SISTEMI DI FITODEPURAZIONESITUAZIONE IN ITALIA DEI SISTEMI DI FITODEPURAZIONE

Diffusione delle diverse tipologie di impianti di Diffusione delle diverse tipologie di impianti di fitodepurazione (modificato da Masi, 2002)fitodepurazione (modificato da Masi, 2002)

HF61%

RCW1%

BUFFER ZONES1%

Oth.6% HF + FWS

7% HF+VF4%

VF7%

FWS10%HF + VF + FWS

3%

79

SITUAZIONE IN ITALIA DEI SISTEMI DI FITODEPURAZIONESITUAZIONE IN ITALIA DEI SISTEMI DI FITODEPURAZIONE

Distribuzione del numero di impianti per fasce di utenza Distribuzione del numero di impianti per fasce di utenza (modificato da: Masi, 2002)(modificato da: Masi, 2002)

05

101520253035404550

num

ero

di im

pian

ti

01-10 10-50 50-100 100-500 500-1000 1000-2000 2000-10000

>10000

Intervalli abitanti equivalenti

Distribuzione del n° di impianti per numero di a.e.

80

Sistema di fitodepurazione per i l riuso delle acque reflue – S. Michele di Ganzaria (CT)

9 mesi dopo la messa a dimoradiPhragmites sp.– 09/2001

2 mesi dopo la messa a dimora diPhragmites sp.– 03/2001

Fase di costruzione letto F2 – 09/2006

81

Sistema di fitodepurazione di Corleone (PA) per l’irrigazione di una pista ciclabile

Q A W

m3/giorno m2 m

Letto F1 104 196 7.00

Letto F2 104 276 8.00

Impianto di sollevamento S1 Pozzetto P1

Letto di fitodepurazione "F1"

Pozzetto di ispezione "P2"

Line

a "0

"

Letto di fitodepurazione "F2"

Pozzetto di regolazione "P3"

Pozzetto di regolazione "P3"

Linea By-Pass

Line

a "P

"

Impianto di

depurazione

Impianto di sollevamento S2con vasca di accumuloPozzetto P4

Line

a "1

"Li

nea

"2"

Con

dotta

di s

fioro

Pozzetto di inizio condotta "P5"

82

Sistema di fitodepurazione di Corleone (PA) per l’irrigazione di una pista ciclabile

83

Applicazioni della fitodepurazione nell’ambito dei “Contratti di quartiere II” (D.A. 7 agosto 2003)

Nell’ambito del “programma di sperimentazione” il DIA-UNICT ha collaborato con i comuni di Paternò (CT) e Riposto (CT) per la progettazione preliminare di 2 sistemi di fitodepurazione per il trattamento e il recupero delle “acque grigie” provenienti da alcuni insediamenti abitativi (120-200 AE). Con i suddetti comuni sono stati stipulati dei protocolli per “attività di sperimentazione” sui sistemi di fitodepurazione previsti in progetto.

Le “acque grigie” verranno utilizzate per l’irrigazione delle aree a verde; inoltre si prevede di realizzare una rete duale per l’alimentazione dei scarichi dei wc con le acque piovane.

84

0,80

0,60

pietrame30-50 mm

pietrisco8-10 mm

dispersore con tubazione in PVC forato

fossa Imhoff

dispersore con tubo in PVC forato

sezione longitudinale sezione trasversale

La fitodepurazione per i piccoli insediamenti e le case sparse

Si rende necessaria preliminarmente una fase di sedimentazione tramite fossa tipo IMHOFF, potrebbe essere necessaria anche l’installazione di un degrassatore per la rimozione degli oli e grassi.

85

Figura 2 – Impianto di fitodepurazione a flusso subsuperficiale orizzontale (in corso di realizzazione) aservizio di un’abitazione isolata

Sistema H-SSF in corso di realizzazione a servizio di un’abitazione isolata: particolare della substrato lavico

(pietrisco di cava n.1)

86

Figura 4 – Particolare della tubazione di drenaggio del liquame in un impianto di fitodepurazione aflusso subsuperficiale orizzontaleSistema H-SSF in corso di realizzazione a servizio di

un’abitazione isolata: particolare della tubazione di drenaggio

87

Figura 5 – Particolare del pozzetto per la regolazione del livello idrico in un impianto di fitodepurazione aflusso subsuperficiale orizzontaleSistema H-SSF in corso di realizzazione a servizio di

un’abitazione isolata: particolare del sistema di regolazione del livello idrico posto all’uscita

88

Impianto di fitodepurazione per il trattamento e riuso delle acque grigie (4 AE)

89

Agriturismo Valle dei Margi - Schema sistema di trattamento e smaltimento (stato di fatto)

Dispersione nel terreno quale sistema di trattamento e nel contempo di smaltimento finale.

trattamento preliminaree primario(fossa settica, fossa Imhoffsistema individuale aerazioneprolungata)

dispersionenel terreno

assorbimento in falda

Sistema di subirrigazione nel terreno con trincee drenanti per insediamenti isolati.

fossa settica

trincea di subdispersione

90

Schema innovativo

Sistema di smaltimento particolarmente idoneo per insediamenti isolati > 50 AE

Agriturismo Valle dei Margi - Schema sistema di trattamento e smaltimento (stato di progetto)

Album foto

di cirelli

Impianto di fitodepurazione Azienda Agrituristica Valle dei Margi – Grammichele

Progetto realizzato dal Prof. Marco Navarra e dal prof. Giuseppe Luigi Cirelli

92Impianto di fitodepurazione Azienda Agrituristica Valle dei Margi – Grammichele

Progetto realizzato dal Prof. Marco Navarra e dal prof. Giuseppe Luigi Cirelli

93

Impianto di fitodepurazione Azienda Agrituristica Valle dei Margi – Grammichele (150 AE)Realizzazione rilevato sponde

Progetto realizzato dal Prof. Marco Navarra e dal prof. Giuseppe Luigi Cirelli

94

LL’’attivitattivitàà di ricerca sui sistemi di fitodepurazione di ricerca sui sistemi di fitodepurazione èè stata stata principalmente svolta nellprincipalmente svolta nell’’ambito dei progetti di ricerca AQUATEC ambito dei progetti di ricerca AQUATEC

((www.ponaquatec.comwww.ponaquatec.com) e INWATERMAN (www.inwaterman.eu)) e INWATERMAN (www.inwaterman.eu)

Prof. Salvatore BARBAGALLO – coordinatore

Prof. Giuseppe Luigi CIRELLI

Ing. Attilio TOSCANO

Ing. Simona CONSOLI

Dott. Antonio BARBERA

Dott.ssa Vanessa DI GRANDE

Dott. Mirco MILANI

Dott.ssa Alessia MARZO

GRAZIE PER L’ATTENZIONE !