Ecotecnologie per il risanamento delle acque reflue

Ecotecnologie per il risanamento delle acque reflue

Fitobiodepurazione

Le tecniche bioecologiche di risanamento delle acque reflue sono in grado di ridurre i carichi inquinanti immessi negli ecosistemi acquatici, diminuendo l’impatto sui corpi idrici e consentendo loro di raggiungere lo stato di buona qualità, che rappresenta una priorità in campo ambientale secondo le normative europee (WFD) e nazionali (D. Lgs. 152/2006). Per raggiungere l’obiettivo prioritario rappresentato dal risanamento delle acque reflue è necessaria l’implementazione di un’efficace rete di depurazione, che contempli sistemi sia centralizzati che decentralizzati. La fitobiodepurazione è la soluzione tecnologica per il risanamento delle acque reflue che più si avvicina alle dinamiche autodepurative che avvengono negli ambienti naturali.

Origine e classificazione delle acque reflue

Secondo quanto riconosciuto dal D. Lgs. 152/2006 e concetto di abitante equivalente (AE), sulla base del quale si valutano i carichi inquinanti addotti ad un sistema di depurazione.

Caratteristiche delle sostanze inquinanti negli scarichi

• Fisiche
• Chimiche
• Biologiche
• Sostanze disciolte o colloidali (fino a 0.45 μm) organiche/inorganiche velocemente/lentamente/non biodegradabili
• Sedimentabili (> 10 μm) organiche/inorganiche velocemente/lentamente/non biodegradabili
• Sostanze sospese non sedimentabili organiche/inorganiche velocemente/lentamente/non biodegradabili

Parametri dei liquami domestici

I parametri che caratterizzano un liquame domestico, e sulla base dei quali si dimensionano gli impianti indipendentemente dalla loro tipologia, sono i seguenti:

• Indice di biodegradabilità ~ 2
• Carico inquinante specifico giornaliero (g/abitante x giorno): BOD = 55-75, N = 10-18, P = 3-3.5
• Carico idraulico specifico o dotazione idrica (L/abitante x giorno) = 100-500
• Scarse concentrazioni di sostanze tossiche

Impianti di trattamento centralizzati

Nonostante negli ultimi decenni sia stata posta grande attenzione sulla depurazione delle acque reflue, i tradizionali impianti di trattamento centralizzati presenti sul territorio nazionale risultano tutt’ora insufficienti a soddisfare la necessità depurativa complessiva, sia per quanto riguarda la capacità di trattamento dei reflui sia per problemi legati a incompletezza o inadeguatezza delle reti di collettamento. I sistemi centralizzati sono indispensabili e insostituibili.

Due esempi eccellenti nella Regione Veneto sono il depuratore urbano di Treviso (70 mila abitanti equivalenti) e l’impianto consortile di Fusina (300 mila abitanti equivalenti), entrambi molto complessi, dotati di trattamento primario (pretrattamenti chimico-fisici rivolti a rimuovere le frazioni grossolane, solide e sedimentabili), trattamento secondario biologico (vasche a fanghi attivi rivolte alla trasformazione della componente organica biodegradabile) e trattamento terziario (rimozione N e P). Il polo integrato di Fusina prevede anche trattamenti chimico-fisici destinati ai reflui industriali e ai rifiuti. Il corpo recettore dell’effluente del depuratore di Treviso è il Sile, mentre l’effluente di Fusina è destinato alla Laguna e al Golfo di Venezia. Entrambi sono sistemi ecotecnologici che funzionano grazie all’azione concertata di intere comunità microbiche, opportunamente selezionate e concentrate in sistemi altamente ingegnerizzati.

Problemi dei piccoli agglomerati

In Italia, circa il 20-30% delle acque reflue non depurate proviene da piccoli agglomerati con meno di 2000 abitanti equivalenti, per cui spesso non risulta fattibile dal punto di vista tecnico-economico effettuare il collegamento alla rete fognaria per il collettamento dei reflui e il loro recapito ai depuratori centralizzati. Le realtà di questo tipo comprendono singole abitazioni isolate, quartieri periferici, piccoli centri abitati, piccole aziende agricole e zootecniche, singoli alberghi o intere località turistiche.

Per queste piccole comunità la scelta della configurazione impiantistica da adottare non può prescindere da una valutazione costi-benefici, che evidenzia spesso difficoltà nella realizzazione di impianti centralizzati, soprattutto se ad alto livello tecnologico. Le problematiche principali sono gli elevati costi di gestione per abitante equivalente a causa delle alte fluttuazioni di carico idraulico e organico, che non sempre sono superabili inserendo dei bacini di equalizzazione a monte del trattamento secondario, e la carenza di personale qualificato, che comporta conseguentemente una discontinuità nel controllo e nella manutenzione di questi sistemi, che sono quindi spesso soggetti a disfunzioni.

Sistemi decentralizzati

Per questo tipo di realtà è pertanto opportuno l’impiego di sistemi decentralizzati che contemplino bassi livelli di consumo energetico, processi flessibili, semplici da gestire, meno costosi e nel contempo efficienti nella rimozione dei carichi inquinanti, ed eventualmente il riutilizzo delle acque (per la ricarica della falda o in ambito agricolo/industriale) e dei nutrienti presenti negli effluenti (che rappresentano rifiuti se immessi negli ambienti acquatici ma risorse in ambito agricolo).

Le soluzioni più appropriate per le piccole utenze sono quindi i sistemi fognari separati, le vasche di equalizzazione e sistemi decentralizzati quali:

• Sistemi biologici a biomassa adesa (filtri percolatori o biodischi)
• Tecnologie innovative a membrana
• Trattamenti naturali di biofitodepurazione (ecotecnologie)

Importanza delle tecniche di depurazione naturale

Nel contesto delle piccole utenze, le tecniche di depurazione naturale assumono importanza fondamentale in quanto rappresentano spesso le soluzioni più concrete ed ecosostenibili per far fronte a problematiche depurative altrimenti difficilmente affrontabili e risolvibili.

Sistemi di trattamento naturale delle acque

I sistemi di trattamento naturale delle acque prevedono l’applicazione del refluo o dell’effluente (grezzo o pretrattato) a terreni o corpi idrici già esistenti (ambienti naturali o seminaturali) o appositamente progettati (ambienti costruiti). La fitobiodepurazione delle acque reflue si focalizza sulla componente vegetale o sull’insieme di componente vegetale e microbica del sistema naturale, e prevede sistemi complessi che operano secondo modalità, tempi e dinamiche vicine a quelle naturali per rimuovere il carico inquinante diffuso o puntiforme. Protagonista della depurazione è il sistema vegetazione + microrganismi, ma in realtà è indispensabile l’azione concertata di tutte le componenti del sistema, abiotiche (suolo e sedimento) e biotiche.

Il termine “sistema naturale di depurazione” implica che i processi avvengano senza l’utilizzo di macchinari, minimizzando quindi il fabbisogno di energia sussidiaria, e oltre alla fitodepurazione in tutte le sue varianti contempla anche altri tipi di trattamenti basati sul suolo (es. sub-irrigazione, fertilizzazione) o sui sistemi acquatici (es. lagunaggio). Rispetto ai sistemi tradizionali, a parità di carico inquinante i sistemi di trattamento naturale necessitano di maggiori superfici e minore fabbisogno energetico e tecnologico, trattandosi di sistemi che funzionano avvicinandosi alle dinamiche presenti in natura. Le tecniche di depurazione naturale sono sempre più frequenti e altamente efficaci soprattutto nei confronti delle forme puntiformi, per il trattamento diretto dei reflui prodotti da piccoli insediamenti i cui carichi sono soggetti ad ampie fluttuazioni nel tempo (località turistiche, campeggi…) e per l’affinamento degli effluenti da impianti di depurazione tradizionali (trattamento terziario).

Classificazione dei sistemi di trattamento naturale

I sistemi di trattamento naturale si classificano in sistemi basati sul suolo e sistemi acquatici (Water Pollution Control Federation, USA 1990), anche se in letteratura non c’è completa uniformità e talvolta si possono trovare delle differenze nella classificazione.

Sistemi basati sul suolo

A loro volta suddivisi in sistemi sub-superficiali e sistemi di trattamento sul terreno (lenti, rapidi o a scorrimento superficiale), sono i meno usati o usati impropriamente. Si adattano o a realtà molto circoscritte o a trattamenti estensivi per finalità agricole e prevedono l’azione combinata di vegetali e batteri del suolo e l’azione meccanica del suolo (processi chimico-fisici).

A seconda del sistema adottato, gli obiettivi primari possono essere:

• Semplice utilizzo agricolo del liquame e dei nutrienti in esso contenuti, che comporta il completo adsorbimento del liquame al suolo, senza percolazione, anche a scapito delle esigenze di depurazione
• Depurazione del liquame
• Duplice obiettivo di depurazione + utilizzo agricolo

A seconda del grado di depurazione raggiungibile, si può avere come obiettivo secondario:

• Chiusura del ciclo dell’acqua a livello locale, con la ricarica della falda acquifera mediante un sistema a infiltrazione e percolazione totale possibile in caso di terreni permeabili e in cui la falda sia sufficientemente distante dal punto di scarico, in modo tale da garantire il completamento del processo depurativo del refluo attraverso il suolo
• Ottenimento di un effluente drenato di qualità tale da poter essere smaltito in corpi idrici superficiali, mediante un sistema a infiltrazione e percolazione parziale dotato di sistemi di drenaggio o con un sistema a scorrimento superficiale fattibile in caso di terreni poco permeabili

Vantaggi e svantaggi:

• Chiusura del ciclo terrestre dei nutrienti e dell’acqua sistemi corretti da un punto di vista ecologico
• Semplicità e bassi costi costruttivi e gestionali
• Basso dispendio energetico (ad eccezione del sistema di irrigazione a spruzzo, che comunque ha un dispendio di energia contenuto rispetto ai sistemi tradizionali)
• Adatti per piccoli centri e località isolate (es. aziende zootecniche), tendenzialmente in territorio collinare per sfruttare la pendenza
• Particolarmente adatti come trattamento terziario per effluenti di piccoli impianti di depurazione ad es. come trattamento dopo il lagunaggio
• Essendo trattamenti completi, non esiste il problema dei fanghi secondari, che rappresentano un costo aggiuntivo in quanto devono essere smaltiti in modo ecologicamente corretto
• Elevate superfici di ingombro
• Necessità di stoccaggio del liquame in base alla stagionalità delle colture e alla capacità del sistema di utilizzare i nutrienti (nel caso di utilizzo agricolo)
• Poco adeguati per climi piovosi e freddi
• Adatto solo per liquami domestici o similari e non per reflui industriali con la presenza di sostanze tossiche
• Vicinanza della falda pericolo di inquinamento
• Vincoli igienici possibilità di diffusione di microrganismi fecali sulle colture, che richiede sistemi di disinfezione propedeutici all’utilizzo dei reflui stessi

Sistemi sub-superficiali

L’obiettivo primario dei sistemi sub-superficiali è la depurazione. Il liquame pretrattato (grigliatura, decantazione, aerazione) viene distribuito appena al di sotto della superficie del suolo (massimo 30 cm), in modo da evitare problemi di tipo igienico e di cattivo odore, in una rete di tubazioni non sigillate e inclinate la cui lunghezza (m/ab) è proporzionale al tempo di infiltrazione del liquame. La lunghezza viene calcolata in base alla permeabilità del terreno previ test di permeabilità (il tempo di assorbimento di 25 cm di liquame in pozzetto 30x30 cm deve essere < 60 min). L’alimentazione di un sistema di questo tipo avviene con liquami chiarificati, quindi dopo il trattamento primario. È particolarmente adatto all’effluente del lagunaggio, in virtù della minore presenza di carichi inquinanti.

Sistemi di trattamento sul terreno

• Fertirrigazione, con obiettivo primario produzione agricola e riciclo dell’acqua (riutilizzo di acqua e nutrienti) e obiettivo secondario la depurazione comporta la crescita di vegetali su un terreno ricco di nutrienti, irrigato sia superficialmente che a spruzzo. Non può essere applicato a colture da consumarsi crude e richiede il pretrattamento del liquame (grigliatura, decantazione e disinfezione) per considerazioni legate al carattere igienico (pericolo di trasmissione di batteri patogeni). Il carico idraulico comunemente applicato va da 750 a 3750 mm/ha per anno; dati i dosaggi relativamente esigui, il sistema richiede bacini di stoccaggio ed elevate superfici di ingombro. Per la salvaguardia della falda, essa deve distare più di 5 m dalla superficie. È efficace in zone a bassa piovosità dove già si ricorre all’irrigazione artificiale ed è di particolare utilità per il riciclo dei nutrienti a valle di un depuratore (in continuo per carichi ridotti).
• Sistemi a infiltrazione e percolazione lenti e rapidi, con obiettivo primario trattamento, depurazione e smaltimento del liquame si sfrutta il passaggio del liquame pretrattato attraverso gli strati del terreno, qualora sia disponibile un terreno sufficientemente permeabile e con profondità della falda di almeno 10 m (percolazione totale con ricarica falda), a meno di non disporre anche di tubazioni di drenaggio (percolazione parziale con drenaggio effluente). Il sistema opera generalmente per spandimento intermittente in bacini a fondo sabbioso, dotati o meno di drenaggio; l’alternanza dell’alimentazione consente l’innescarsi dei processi aerobici di degradazione della sostanza organica e garantisce la permeabilità del terreno e il passaggio di ossigeno. I carichi idraulici sono pari 8300-37600 mm/ha per anno.
• Sistema a scorrimento superficiale, con obiettivo la depurazione del liquame il liquame viene fatto scorrere su un terreno inclinato (2-8%) con una copertura erbosa funzionale sia all’attivazione del trattamento biologico sia alla protezione dall’erosione. Il carico idraulico è basso (3700-19000 mm/ha per anno). Indicato per suoli a bassa permeabilità e in vicinanza della falda; adatto a realtà particolari (es. ambienti collinari) dove le utenze non sono intercettabili per il convogliamento in sistemi di capienza maggiore. Inadatto a suoli sabbiosi e impervi e nei climi freddi con gelate frequenti. Rispetto ai sistemi precedenti, generalmente non ha una grande efficacia nella rimozione dei nutrienti. Il liquame trattato viene raccolto in apposite canalette di drenaggio e scaricato o riciclato.

Sistemi acquatici

I sistemi acquatici comprendono stagni di stabilizzazione (microfite e microalghe), sistemi acquatici con piante galleggianti (macrofite) e zone umide (wetlands) con diverso grado di naturalità, che possono ospitare diversi tipi di vegetazione e forme di vita acquatica. Sono tipicamente sistemi aperti, il cui funzionamento è sostenuto dall’energia solare e dall’energia chimica presente nelle molecole organiche del refluo/effluente in ingresso, che vengono trasformate dalla componente microbica. Quest’ultima rappresenta l’anello chiave della rete trofica del detrito e assieme alle piante è il principale attore nel garantire il processo depurativo.

Struttura dell'ecosistema, schema dei principali flussi, componenti e processi applicati.

Bilancio energetico dei sistemi aperti

Trattandosi di sistemi aperti, il loro bilancio energetico può essere definito in questo modo: I + P = R + E + Ds

dove:

• I = import di energia (solare e chimica)
• P = produzione primaria lorda (componente vegetale)
• R = respirazione dell’intero ecosistema
• E = export di energia
• Ds = variazione della riserva di detrito organico presente nel sistema, che dipende dalla tipologia del sistema stesso

I sistemi di questo tipo sono ecotecnologie basate su dinamiche naturali, necessitano quindi di ampi spazi ed elevati tempi di residenza idraulici (maggiori rispetto ai sistemi tradizionale). Negli impianti convenzionali, la depurazione dei reflui è accelerata e intensificata e i tempi di contatto e reazione tra le sostanze inquinanti e i batteri sono nell’ordine delle ore o al massimo giorni, in quanto si opera in ambienti di dimensioni ridotte, ad alto consumo di energia sussidiaria e ad alta densità di biomassa attiva. Nei sistemi di fitobiodepurazione, invece, i processi avvengono secondo scale spazio-temporali più lunghe: a parità di carico inquinante sono necessari spazi più ampi e tempi di contatto e di residenza idraulica maggiori (nell’ordine dei giorni o delle settimane), in quanto si opera con bassa densità di biomassa batterica attiva. Negli impianti convenzionali si producono grandi volumi di fanghi (riserva di detrito del sistema), mentre negli impianti di fitodepurazione non vengono prodotti fanghi di risulta.

Differenze fondamentali dei sistemi di fitobiodepurazione

Rispetto agli impianti ecologici convenzionali, i sistemi possono essere classificati in base a:

• Funzione: trattamenti di tipo unico o di finissaggio (terziario)
• Grado di naturalità: naturali, seminaturali o costruiti
• Struttura: sistemi singoli o in batteria, omogenei o con diversi elementi, in serie o in parallelo
• Regime idrico: sommersione, saturazione o insaturazione, condizioni continue o alterne
• Tipo di refluo e di carico organico in ingresso: BOD (sostanza organica), fitonutrienti, elementi tossici
• Scala: estensiva, diffusa o localizzata

Per fitobiodepurazione estensiva si intende l’impiego delle acque inquinate a fini irrigui (es. fertirrigazione), qualora i reflui rispondano a requisiti di qualità e limiti di accettabilità. Nella fitobiodepurazione diffusa l’azione depurativa è esercitata da ambienti di transizione classificati come wetlands o ecotoni tra ecosistemi terrestri e acquatici (es. zone boschive riparie, zone umide fluviali, fasce tampone, zone palustri, aree golenali sommerse periodicamente…). La fitobiodepurazione localizzata è destinata a fonti di inquinamento singole e ben localizzate, gestibili mediante la costruzione di sistemi artificiali che cercano di riprodurre in condizioni controllate i processi di depurazione tipici dell’ambiente wetland (constructed wetlands).