Fitodepurazione a flusso sub-superficiale orizzontale

Seminario
DEPURAZIONE
DEI REFLUI
URBANI:
OTTIMIZZAZIONE
DELLA GESTIONE,
TRATTAMENTI
TERZIARI E
NATURALI
SISTEMI INNOVATIVI NEI TRATTAMENTI
DI FITODEPURAZIONE DELLE ACQUE DI
SCARICO DI PICCOLE COMUNITÀ
venerdì 13
settembre 2013
Ing. Paola Foladori
Dipartimento di Ingegneria Civile,
Ambientale e Meccanica
Università degli Studi di Trento
La fitodepurazione nella normativa nazionale
TRATTAMENTI APPROPRIATI:
1) In grado di rendere semplice la manutenzione e la gestione
2) Sopportare forti variazioni di carico organico e idraulico
3) Minimizzare i costi gestionali
E’ auspicabile ricorrere a tali trattamenti nei seguenti casi:
1) Agglomerati compresi tra 50 e 2000 AE
2) Agglomerati con PE fluttuante superiore al 30% della popolazione residente
3) Per agglomerati nel range 2000-25000 AE come stadio di affinamento a valle
di processi convenzionali
Fitodepurazione (Constructed Wetland)
Aree umide artificiali e vegetate, si dividono in:
1) Sistemi a macrofite galleggianti
2) Sistemi a macrofite radicate sommerse
3) Sistemi a macrofite radicate emergenti
Con acqua
superficiale (di
diverso livello)
a) Sistemi a flusso superficiale
b) Sistemi a flusso sub-superficiale
-
Sistemi a flusso sub-superficiale orizzontale
-
Sistemi a flusso sub-superficiale verticale
Senza acqua
superficiale
FITODEPURAZIONE A FLUSSO SUPERFICIALE 1/2
- vasca impermeabilizzata sul fondo
- flusso superficiale e quindi pelo libero acque reflue visibile e accessibile
- la presenza di macrofite emergenti può mascherare nella zona centrale
la presenza dell’acqua
- di semplice realizzazione
- controllo del livello in vasca mediante tubazione nella sezione/pozzetto finale
Kadlec & Wallace, 2008
FITODEPURAZIONE A FLUSSO SUPERFICIALE 2/2
- problemi di gelo invernali
- non molto consigliate in ambiente alpino
- in alcuni casi, quando realizzate a valle di fosse Imhoff, hanno causato
problemi di insetti, maleodorazioni
- problematiche in località turistiche
- utili come affinamento finale (trattamento terziario)
FITODEPURAZIONE A FLUSSO SUB-SUPERFICIALE 1/2
- il letto di fitodepurazione è completamente riempito con materiale granulare
di adeguata dimensione e conducibilità idraulica
- il flusso rimane alcuni cm sotto il livello del materiale di riempimento
- controllo del livello in vasca mediante tubazione nella sezione/pozzetto finale
- idonee per il trattamento di acque reflue dopo fosse Imhoff
- no problema di odori o insetti
Wallace & Knight, 2006
FITODEPURAZIONE A FLUSSO SUB-SUPERFICIALE 2/2
- impianti esistenti ben funzionanti anche in inverno
- molto usata in ambiente alpino e nord Europa (Austria, Danimarca, UK, …)
RUOLO DELLE PIANTE
Il ruolo attribuito alle piante è stato ridimensionato negli anni, riconoscendo il ruolo
fondamentale ai processi fisici e microbiologici
la quantità di N e P assimilati dalle piante rappresenta solo il 10% circa della massa
rimossa dal sistema
Le piante creano microambienti aerobici a livello delle radici, ma questo è
apprezzabile nei sistemi HF in cui le condizioni sature non favoriscono l’ingresso
spontaneo di ossigeno
nei sistemi VF si ha già l’entrata
spontanea di ossigeno
e quindi il ruolo delle radici
risulta secondario
PRETRATTAMENTI AL SISTEMA DI
FITODEPURAZIONE
FITODEPURAZIONE
PER PICCOLE
COMUNITA’
PRETRATTAMENTI
- pre-trattamenti necessari per non intasare il letto
- grigliatura sempre necessaria (indispensabile che sia
meccanizzata)
- meglio se la grigliatura è realizzata in piccolo edificio
chiuso (confinamento di odori)
- necessario anche trattamento primario realizzabile in
vasca Imhoff, fosse settiche
- maggiore attenzione alla corretta pulizia/estrazione
fanghi dal trattamento primario
- preferibile la copertura della vasca (si forma uno strato
di schiuma consolidata che galleggia)
Vasca tricamerale come pretrattamento della
fitodepurazione
Grigliatura iniziale a coclea
Edificio che ospita la grigliatura
Vasca Imhoff
come
pre-trattamento
della
fitodepurazione
Problema degli odori nel pre-trattamento
Opportuna gestione del materiale grigliato (no accumuli all’aperto)
Emissioni maleodoranti in atmosfera: si può ovviare con la copertura
della vasca e con filtri a carbone attivo sopra lo sfiato uscente dalla
copertura
Pre-trattamenti (grigliatura) in locale chiuso o microgriglie con sacco
Luigi Masotti, Paola
Verlicchi, Depurazione
delle acque di piccole
comunità, HOEPLI
CONFIGURAZIONI DEI SISTEMI DI
FITODEPURAZIONE
FITODEPURAZIONE
PER PICCOLE
COMUNITA’
CONFIGURAZIONI
CONVENZIONALI
- Fitodepurazione a flusso sub-superficiale
orizzontale (HF o HSSF)
- Fitodepurazione a flusso sub-superficiale
verticale (VF o VSSF)
- Sistemi ibrido:
HF (rimozione carbonio) + VF (nitrificazione) +
eventuale ricircolo dell’effluente nitrificato nell’HF o
anche nella vasca Imhoff per la denitrificazione
- Sistema ibrido:
VF (nitrificazione) + HF (denitrificazione)
- altre varianti (meno usate)
PRINCIPALI PROCESSI CHE AVVENGONO
NEI SISTEMI DI FITODEPURAZIONE
filtrazione, intercettamento, sedimentazione di solidi o sostanza
organica particolata
adsorbimento di sostanza organica solubile
biodegradazione dei composti organici ad opera dei microrganismi
ossidazione e riduzione dei composti azotoati (nitrificazione,
denitrifcazione, ma probabilmente anche anammox)
precipitazione dei metalli
ciclo dello zolfo
possibili processi anaerobici con relative emissioni
FITODEPURAZIONE A FLUSSO SUB-SUPERFICIALE
ORIZZONTALE
Sistemi saturi di acqua
Alimentazione continua
Sistemi prevalentemente anaerobici
Rendimenti modesti per la nitrificazione (talvolta assente)
Ideali per la denitrificazione
Buona capacità di filtrazione dei solidi
Superficie minima richiesta = 3-5 m2/AE
STRATI NEL LETTO A FLUSSO
ORIZZONTALE
1) Il materiale di riempimento deve rispettare
le granulometria consigliate (sabbie
grosse e ghiaie) escludendo presenza di
limi e di argille
2) Piccola presenza di limi e argille (anche
solo 5-10%) causa una drastica riduzione
della conducibilità idraulica con rischi di
intasamento
3) Non deve essere usato materiale reperito
in loco o terreno in genere.
INGRESSO
Ghiaia di drenaggio
8/16 mm
Ghiaia con granulometria
4/8 o 2/4 mm
Strato di spessore h = 60 cm
Ghiaia di
drenaggio
8/16 mm
USCITA
Confronto di massima tra le granulometrie indicate dalle varie linee guida per i
sistemi sub-superficiali orizzontali (HF)
Per i sistemi HSSF le linee guida indicano conducibilità idraulica superiore a 10-3 m/s
FITODEPURAZIONE a flusso
orizzontale
Realizzata con canneto di Phragmites
Australis
FITODEPURAZIONE a flusso
orizzontale realizzata a 1200 m slm
Popolazione residente 250 AE (600 AE
nei periodi turistici)
Per evitare problemi di gelo, copertura
del letto filtrante con 0.7 m di terreno
vegetale
Appare come un prato (non canneto)
FITODEPURAZIONE A FLUSSO SUB-SUPERFICIALE ORIZZONTALE (HSSF)
Il criterio più utilizzato è la superficie specifica, espressa in m2/AE, indicato da
linee guida o specifiche normative emanate da organismi nazionali
FITODEPURAZIONE A FLUSSO SUB-SUPERFICIALE
VERTICALE
Sistemi insaturi
Alimentazione discontinua (tipico ogni 6 h)
Sistemi prevalentemente aerobici (il letto insaturo permette l’entrata
di aria nella porosità)
Ideali per la nitrificazione (alto rendimento)
Rendimenti modesti per la denitrificazione (talvolta assente)
Superficie minima richiesta = 2-4 m2/AE
IWA, 2000
STRATI NEL LETTO A FLUSSO VERTICALE
Esistono varie proposte a seconda
delle linee guida di riferimento
INGRESSO
…il materiale di riempimento
è il principale componente
dell’impianto di fitodepurazione…
…non è più possibile cambiarlo….
...non deve intasarsi…
VSSF C-line
USCITA
Quote in m, granulometrie in mm
Confronto di massima tra le granulometrie indicate dalle varie linee guida per i
sistemi sub-superficiali verticali (VF)
Per i sistemi VSSF le linee guida indicano conducibilità idraulica di 10-3-10-4 m/s
Materiali non lavati con frazioni granulometriche fini in modesta quantità possono
causare riduzione della conducibilità idraulica anche se compatibili con d10 e d60.
FITODEPURAZIONE A FLUSSO SUB-SUPERFICIALE VERTICALE (VSSF)
Il criterio più utilizzato è la superficie specifica, espressa in m2/AE, indicato da
linee guida o specifiche normative emanate da organismi nazionali
Rimozione degli inquinanti in un sistema di fitodepurazione con
configurazione ottimale
INGRESSO
USCITA
Imhoff
Permette buona rimozione BOD, COD, SST, nitrificazione e
denitrificazione
parametro
Ingresso (mg/L)
Uscita (mg/L)
BOD5
250
20-40
COD
500
60-80
SST
300
20-40
NH4-N
40
10-20
N totale
50
20-30
P
6
4-5
INFLUENZA DELLE BASSE TEMPERATURE
SULLA RIMOZIONE DI COD E NH4 NEI SISTEMI VF
Cinetica di nitrificazione
Dipendenza dalla temperatura
2°C vN 2.8 - 2.9 gNH4-N m-2 d-1
18°C vN 14.5 - 16.2 gNH4-N m-2 d-1
SUPERFICI RICHIESTE PER UN IMPIANTO
DI FITODEPURAZIONE IN AMBIENTE ALPINO
Schema VSSF + HSSF
Rimozione COD, BOD5, TKN e N totale
Comune in ambiente montano
300 AE residenti + 500 AE fluttuanti (turistici)
VF = richiesta 4 m2/AE
HF = richiesta 6 m2/AE
Totale VF + HF = 10 m2/AE
NECESSITA’ DI
CIRCA 8000 m2
vasca Imhoff
MANCANZA DELLE
AREE NECESSARIE
SOLUZIONI DI FITODEPURAZIONE A BASSO FOOTPRINT
ORIENTAMENTI NEL SETTORE DELLA FITODEPURAZIONE
FITODEPURAZIONE
PER PICCOLE
COMUNITA’
SOLUZIONI A
BASSO FOOTPRINT
Non è prioritario aumentare i rendimenti di rimozione.
I sistemi VSSF e HSSF permettono già di ottenere
rendimenti adeguati per un trattamento appropriato
(D. Lgs. 152/2006 per P < 2000 AE)
E’ prioritario invece:
- reperire le aree (molto estese)
- ridurre le aree occupate (come ?)
- ridurre il rischio di clogging
“….and – with ground being expensive in Holland – a system that
claimed to need less surface would probably win the race…”
Numero crescente di
pubblicazioni
scientifiche in riviste
internazionali
Classificazione dei sistemi Constructed Wetlands e sistemi
che si prestano ad una «intensificazione»
SISTEMI DI INTENSIFICAZIONE:
- Aerazione di letti HF
- Aerazione di letti VF (purché di tipo “Fill and Drain” o “Up-Flow”
- Ricircolo in sistemi ibridi (HF+VF) oppure in VF di tipo “Fill and Drain”
o “Up-Flow”
- Impiego di materiali di riempimento reattivi (vedi rimozione fosforo)
Configurazioni per il ricircolo in sistemi VF
1) aumentare il tempo di permanenza del refluo nel letto filtrante
2) incrementare la rimozione dell’azoto tramite un potenziamento della
nitrificazione-denitrificazione.
(A) Ricircolo da VSSF a HSSF
(B) VSSF, ricircolo in fossa settica
(C) VSSF, zona satura sul fondo e ricircolo in
fossa settica
(D) Ricircolo VSSF in serie
(E) VSSF, ricircolo da vasca di accumulo
(F) Configurazione UNITN: VSSF, ricircolo da
zona satura sul fondo e successivo scarico
IMPIANTO PILOTA DI FITODEPURAZIONE
A VALLE DELLA VASCA IMHOFF
IN
GRIGLIA
FINE
VF LISA
HF
LISA
OUT
VF
PAT
HF
PAT
OUT
VASCA
IMHOFF
VF (Vertical subsurface flow)
TIRANTE IDRICO VARIABILE
Condizioni insature – Ambiente prevalentemente aerobico
HF (Horizontal subsurface flow)
TIRANTE IDRICO COSTANTE
Condizioni sature – Ambiente prevalentemente anossico/anaerobico
CONFIGURAZIONI DI FITODEPURAZIONE A BASSO FOOTPRINT
IN
GRIGLIA
FINE
VF LISA
HF
LISA
OUT
VF
PAT
HF
PAT
OUT
VASCA
IMHOFF
Linea VF + HF – linee guida locali
Linea VF + HF – sistema a basso footprint:
• linee guida prov. (D.G.P. n. 992, 2002)
• configurazioni innovative
• alimentazione discontinua (3-4 cicli/d)
• alimentazione discontinua (3-4 cicli/d)
• 4 m2/AE (linee guida), 3.3 m2/AE (reale)
• 1.5 – 2.0 m2/AE
• linea di controllo: configurazione invariata
per 4 anni (2009-2013)
RICIRCOLO
AERAZIONE
monitoraggio prestazioni
CONFIGURAZIONE VF RICIRCOLATO + HF
PER IL CONTROLLO DEI PICCHI DI PORTATA E DI CONCENTRAZIONE
FASI DEL RICIRCOLO NEL SISTEMA VF:
1)Fase di carico: 15/20 minuti
2)Fase di depurazione: durata 6 h (1 ricircolo di 5 min ogni ora)
3)Fase di svuotamento
POMPA DI
RICIRCOLO
Altezza letto = 60 cm
Livello idrico in vasca sempre
presente = 16-26 cm
VF
VALVOLA
da Imhoff
HF
Superficie richiesta = 1.5-2 m2/AE
32
CONFIGURAZIONE VF RICIRCOLATO + HF
- Rimozione COD -
400
300
200
500
400
300
200
100
100
SHF = 3.4 m2/AE
500
600
SHF = 1.7 m2/AE
INGRESSO = 626 mg/L
Profilo longitudinale HF
700
COD totale [mg/L]
COD totale [mg/L]
600
Profilo temporale VF
SVF = 1.7 m2/AE
700
0
0
0
1
2
3
Sezioni longitudinali
del letto HSSF
COD totale [mg/L]
Rendimento
IN
626
OUT VF
84
87%
OUT VF + HF
22
96%
4
CONFIGURAZIONE VF RICIRCOLATO + HF
- Rimozione COD Profilo temporale VF
Profilo longitudinale HF
500
500
COD totale [mg/L]
INGRESSO = 460 mg/L
400
400
300
300
200
200
100
100
0
0
R1
R2
R3
R4
COD totale [mg/L]
R5
R6
V
OUT
Rendimento
IN
460
OUT VF
76
83%
OUT VF + HF
28
94%
0
1
2
Sezioni longitudinali
del letto HSSF
3
4
CONFIGURAZIONE VF RICIRCOLATO + HF
- Rimozione NH4-N Profilo temporale VF
60
Profilo longitudinale HF
60
N [mg/L]
INGRESSO NH4-N = 55.9 mg/L
50
50
40
40
30
30
20
20
10
10
0
0
R1
R2
R3
NH4-N
[mg/L]
R4
Rend
[%]
R5
TKN
[mg/L]
R6
Rend
[%]
V
OUT
N totale
[mg/L]
DENITRIFICAZIONE
NEL LETTO
ORIZZONTALE
(LETTO SATURO,
ANOSSIA)
Curve di
NO3-N
0
2
3
Sezioni longitudinali
Rend del letto HSSF
[%]
IN
55.9
OUT VF
7.7
86%
8.9
89%
47
44%
OUT VF + HF
3.5
94%
3.9
95%
17
80%
82.7
1
83.9
4
Curve di
NH4-N
CONFIGURAZIONE VF RICIRCOLATO + HF
- Rimozione NH4-N Profilo temporale VF
N [mg/L]
60
Profilo longitudinale HF
INGRESSO NH4-N = 59.6 mg/L
60
50
50
40
40
30
30
20
20
10
10
0
0
R1
R2
NH4-N
[mg/L]
R3
Rend
[%]
R4
R5
TKN
[mg/L]
R6
Rend
[%]
Curve di
NO3-N
V
OUT
0
N totale
[mg/L]
Rend
[%]
IN
59.6
OUT VF
14.3
76%
20.8
77%
45.7
51%
OUT VF + HF
2.7
95%
3.8
96%
14.3
85%
91.1
93.1
1
2
3
Sezioni longitudinali
del letto HSSF
4
Curve di
NH4-N
Configurazioni per l’aerazione forzata in sistemi
VF e HF
1) aerazione forzata applicata in genere in modo discontinuo
2) applicata attraverso tubi forati sul fondo della vasca per aumentare la
disponibilità di ossigeno nel letto filtrante
3) incrementare la rimozione dell’azoto tramite un potenziamento della
nitrificazione-denitrificazione
4) inutile in sistemi convenzionali a basso carico (in sistemi VF l’aerazione
naturale è sufficiente)
5) importante in sistemi ad alto carico in cui l’aerazione naturale è insufficiente.
Tubi sul fondo (pianta)
Tubi sul fondo nella zona di ingresso (pianta)
Tubi a diverse altezze (pianta e sezione)
CONFIGURAZIONE VF AERATO + HF
FASI di AERAZIONE:
1)Fase di carico: 15/20 minuti
2)Fase di depurazione: durata 6 h (aerazione 5 min ON
25 min OFF)
3)Fase di svuotamento
Altezza letto = 60 cm
Livello idrico in vasca sempre
presente = 20 cm
VSSF
SOFFIANTE + TUBI
DIFFUSORI
VALVOLA
da Imhoff
HSSF
Superficie richiesta = 1.5 - 2 m2/AE
38
CONFIGURAZIONE VF AERATO + HF
- Rimozione COD Profilo temporale VF
Profilo longitudinale HF
300
250
200
450
400
350
300
250
200
150
150
100
100
50
50
0
0
COD totale
[mg/L]
Rendimento
IN
413
OUT VSSF
62
85%
OUT HSSF
15
96%
0
1
SHF = 3.4 m2/AE
SVF = 1.7 m2/AE
350
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A9
A 10
A 11
A 12
V OUT
COD totale [mg/L]
400
INGRESSO = 413 mg/L
SHF = 1.7 m2/AE
450
2
3
Sezioni longitudinali
del letto HSSF
4
CONFIGURAZIONE VF AERATO + HF
- Rimozione NH4-N Profilo temporale VF
Profilo longitudinale HF
60
60
50
50
40
40
30
30
20
20
10
10
0
0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A9
A 10
A 11
A 12
V OUT
N [mg/L]
INGRESSO NH4-N = 55.5 mg/L
NH4-N
Rend
TKN
Rend
[mg/L]
[%]
[mg/L]
[%]
N totale
[mg/L]
0
Rend
[%]
IN
55.5
OUT VSSF
20.2
64%
19.0
70%
40.0
39%
OUT HSSF
4.5
92%
4.4
93%
24.7
63%
63.5
66.0
1
2
3
Sezioni longitudinali
del letto HSSF
4
Curve di
NO3-N
Curve di
NH4-N
SUPERFICI RICHIESTE PER UN IMPIANTO
DI FITODEPURAZIONE A BASSO FOOTPRINT
IN AMBIENTE ALPINO
Schema VF RICIRCOLATO + HF
Rimozione COD, BOD5, TKN e N totale
300 AE residenti + 500 AE fluttuanti (turistici)
OCCUPAZIONE DI
3000 m2
vasca Imhoff
RISCHIO DI CLOGGING NEI SISTEMI DI FITODEPURAZIONE – FINE VITA
Il rischio di clogging (accumulo
progressivo di solidi nel filtro fino
all’intasamento)
clogging ha indotto a ridurre gradualmente
la vita utile dei sistemi, che da ottimistiche
stime del passato in 50-100 anni,
può scendere a 10 anni, o meno
La vita utile si accorcia nel caso di
inadeguate modalità progettuali
o costruttive (inerenti granulometria,
disposizione materiale filtrante,
distribuzione e drenaggio del refluo).
RICORDARE: i sistemi CW sono senza
produzione di fanghi di supero (la biomassa di supero è la vegetazione epigea
tagliata periodicamente) → accumulo continuo di solidi nel sistema.
Per ridurre rischio di clogging:
- ottimali pretrattamenti
- ottimale scelta del materiale di riempimento
- intensificazione del sistema
COSTI DI INVESTIMENTO E DI GESTIONE
COSTI DI INVESTIMENTO
VOCE
Costo dei pre-trattamenti
Costo del terreno
Analisi geotecniche del sito
COSTI
Da definire
3000 €/ha
Pulizia e disboscamento del sito 5000-12000 €/ha
Scavi e movimentazione terra
3-8 €/m3
Impermeabilizzazione di fondo
5-10 €/m2
(+0.5-1.0 €/m2 per
geotessile)
10-20 €/m3
60.000-120.000 €/ha
Materiale di riempimento
Piante
Dispositivi di alimentazione
Dispositivi di scarico
Tubazioni, collegamenti,
pompaggi
Progettazione, consulenza,
contratti, prestiti, ecc…
0.30-1.0 €/pianta
12.000-26.000 €/ha
3.000-7.000 €
COSTI DI GESTIONE
Impegno di personale =
100-140 ore/ettaro e per
anno.
Costi annuali di gestione e
manutenzione di circa
3.000-5.000 € ha-1 anno-1.
Nei sistemi con
intensificazione:
Costi per l’energia elettrica
per alimentazione pompe di
ricircolo e alimentazione
elettrica compressori.
Da definire
Da definire
A livello internazionale la
mediana dei costi è attorno
a 300.000 €/ettaro.
GRAZIE PER L’ATTENZIONE