Fitodepurazione

Da TecnoLogica.

Definizione

Trattamento di depurazione naturale delle acque reflue e/o meteoriche attraverso la biodegradazione delle sostanze organiche ad opera di batteri aerobi o anaerobi con successivo fitoassorbimento dei prodotti mineralizzati (azoto, fosforo, carbonio, etc.) da parte di vegetali.

Funzionamento

La fitodepurazione (biofitodepurazione) prevede la ricostruzione artificiale di habitat naturali in cui si possono sviluppare macrofite acquatiche (idrofite) che consentono un’azione depurativa delle acque reflue civili per azione diretta e/o per azione dei batteri che si sviluppano sui loro apparati radicali e rizomatosi o nell’ecosistema in cui vivono. Nelle piante acquatiche va distinto un sistema radicale, uno fotosintentizzante ed uno deputato al trasporto.
L'elevata produttività degli ecosistemi acquatici popolati da idrofite determina anche una consistente attività delle popolazioni batteriche che si sviluppano sulle idrofite stesse o nell'habitat circostante e una conseguente capacità di degradazione della sostanza organica e di trasformazione dei nutrienti.
La rimozione degli inquinanti avviene attraverso una successione di processi biologici, chimici, fisici tra i quali riveste un ruolo predominante la cooperazione tra le idrofite e le colonie batteriche ad esse collegate. Le piante hanno un'elevata capacità di assorbire ed utilizzare alcuni elementi impedendo loro di arrivare ai corpi idrici superficiali o sotterranei; favoriscono inoltre la vita dei microrganismi del suolo che attaccano e demoliscono una buona parte degli inquinanti organici.
Il bacino di fitodepurazione ha dimensioni variabili a seconda della portata e della tipologia di scarico; viene prima impermeabilizzato (strato di argilla o guaina in PVC) e successivamente riempito con materiale inerte (ghiaia, pietrisco, etc.) sul quale sono piantumate le diverse essenze vegetali.
Gli impianti, ben dimensionati e realizzati, consentono un abbattimento del carico organico del refluo in entrata superiore al 90% e conforme ai limiti di legge (D.lgs. 152/06). Per il dimensionamento viene considerata una portata di scarico media giornaliera pro-capite di 200 litri, una quantità di BOD5 pro-capite pari a 60 g/giorno con pH all'ingresso compreso tra 6 e 8,5.
Il livello del refluo è costantemente mantenuto 10/15 cm sotto la superficie della ghiaia mediante il sistema di regolazione del livello posto in uscita.
Affinché il trattamento sia efficace è necessario che le acque di scarico siano pre-trattate.

Componenti

Un impianto di fitodepurazione è costituito dai seguenti componenti:

condotto per le acque di scarico;
degrassatore (in caso di separazione delle fogne);
fossa imhoff: vasca cilindrica in cui, attraverso un processo anaerobico, avviene la chiarificazione dei reflui civili, con una sostanziale riduzione del volume dei fanghi. Si distinguono due differenti comparti, uno superiore per la sedimentazione e uno inferiore di accumulo e di digestione anaerobica dei fanghi sedimentati. E’ necessario prevedere un sistema di grigliatura o triturazione dei reflui civili al fine di evitare l’intasamento della vasca;
fossa tricamerale (in alternativa alla fossa imhoff): vasca di sedimentazione orizzontale a 3 comparti, di cui il primo (di sedimentazione) occupa i 2/3 del volume totale. É utilizzata per la rimozione sia di sostanze sedimentabili che galleggianti. La sostanza organica viene abbattuta in parte in regime anaerobico;
pozzetto di ingresso;
sistema di fitodepurazione: vedi “Tipologie di impianti di fitodepurazione”;
pozzetto di uscita: condotto attraverso il quale fuoriesce l’acqua depurata.

Tipologie

Sistemi a flusso sommerso

In questi sistemi l’acqua scorre al di sotto della superficie e quindi non c’è un diretto contatto tra la colonna d’acqua e l’atmosfera. L’acqua scorre attraverso la ghiaia o la sabbia in cui si trovano le radici delle piante radicate emergenti.

Flusso orizzontale

L’acqua si depura in una o più vasche della profondità di 70-80 cm contenenti materiale inerte su cui si sviluppano le radici delle piante. Il fondo della vasca deve essere opportunamente impermeabilizzato con argilla locale (da preferire) o con membrane sintetiche (polietilene ad alta o bassa densità). Il flusso dell’acqua rimane costantemente al di sotto della superficie e scorre in senso orizzontale grazie ad una leggera pendenza del fondo del letto (1%), ottenuta grazie ad uno strato di sabbia posto al di sotto del manto impermeabilizzante. Il flusso è continuo. Sono sistemi misti che funzionano soprattutto in regime anaerobico.

Flusso verticale

Il refluo da trattare è immesso con carico alternato discontinuo e percola verticalmente in un filtro di materiali inerti profondo in genere 1 mt in cui si sviluppano le radici delle piante. Il flusso è discontinuo. Sono sistemi prevalentemente aerobici.
Necessita di almeno due vasche per ogni linea, poste in parallelo, che funzionano a flusso alternato per poter regolare la riossigenazione del letto.
Non si utilizza una granulometria costante per il materiale di riempimento, ma si dispongono alcuni strati di dimensioni variabili (strato di sabbia per la superficie e strato di pietrame sul fondo).

Sistemi a flusso superficiale

Sono costituiti da vasche o canali dove la superficie dell’acqua è esposta all’atmosfera ed il suolo, costantemente sommerso, costituisce il supporto per le radici delle piante acquatiche. La loro costruzione prevede la realizzazione di bacini idrici e/o canalizzazioni aventi il più lungo percorso possibile in relazione alla geometria dell’area a disposizione e aventi una profondità dell’acqua, per favorire i processi biologici utili, dai 40 ai 60 cm.

Macrofite Galleggianti

Attualmente si conoscono vari tipi di piante acquatiche per trattare le acque di scarico, ma quelle con migliori capacità di depurazione e maggiormente utilizzate sono le Lemna (Lemna trisculca, Lemna gibba, Lemna minor, Lemna obscura). La caratteristica principale di tali piante è il rapidissimo tasso di crescita, tale che ogni lemna, durante il corso del proprio ciclo vitale, si può riprodurre da 10 a 20 volte. Il ruolo fondamentale della lemna è quello di costituire una copertura totale della superficie della vasca e consentire così la riduzione e la prevenzione della crescita delle alghe, la stabilizzazione del pH e il miglioramento del processo di sedimentazione. Inoltre la presenza del regime anaerobico impedisce la proliferazione di larve di insetti e la formazione di cattivi odori.
I sistemi a lemna potrebbero presentare problemi in presenza di venti forti che comporterebbero la dispersione delle piante, in tal caso è necessario prevedere opportuni schermi o boe.

Stagni biologici

Sistemi che accelerano il fenomeno della autodepurazione presente in natura. Sono grandi bacini dove i liquami di natura organica vengono depurati attraverso l'azione di microalghe o batteri saprofiti. E' necessario disporre di grandi superfici (alcuni ettari) e di una certa profondità (0,2- 5 mt). Per tale motivo risulta fondamentale un corretto dimensionamento del sistema al fine di evitare disfunzioni e la formazione di cattivi odori. Sono da utilizzare preferibilmente per il settore industriale, agricolo o per piccole comunità e vanno localizzati ad un'adeguata distanza dalle abitazioni.
Stagni anaerobici: profondità 3-5 mt; fermentazione batterica di tipo anaerobico; efficienza BOD 80%.
Stagni facoltativi: profondità 0,7-1,5 mt; fermentazione aerobica in superficie e fermentazione anaerobica sul fondo; efficienza BOD 90 %.
Stagni aerobici: profondità 0,4 mt; fermentazione aerobica; efficienza BOD 90 %
Stagni aerati: profondità 3-4 mt; ossigenazione meccanica forzata; efficienza BOD 90%

Dimensionamento

Metodo sintetico

Il numero di abitanti equivalenti (a.e.) per convenzione si può definire come di seguito riportato:

1 a.e. per camera da letto con superficie fino a 14 m²
2 a.e. per camera da letto con superficie superiore a 14 m²

Vasca Imhoff
Le fosse Imhoff devono avere una capacità minima di 250 litri per abitante equivalente, così ripartite:

comparto di sedimentazione capacità di 50 litri per a.e.
comparto di digestione capacità di 200 litri per a.e.

Pozzetto degrassatore
I pozzetti degrassatori devono essere installati, qualunque sia il recapito finale dello scarico, all’uscita degli scarichi di tutte le acque reflue ad esclusione di quelle provenienti dai WC (lavelli, lavastoviglie, lavatrici, docce etc.)
Orientativamente il volume del degrassatore in rapporto agli abitanti equivalenti dovrebbe essere, per 50-60 a.e, di 3500 litri

Vasca di depurazione
Per gli impianti di fitodepurazione verticali si calcolano, per un filtro di 1 m di profondità, 2-4 metri quadrati a persona collegata. La superficie del filtro dipende dal livello d'inquinamento delle acque di scarico, dalla qualità e dal grado di depurazione da ottenere.

Metodo complesso

Si applicano le seguenti formule:

$LaTeX: \ln{\frac{c_i}{c_o}}= t K_T$

$LaTeX: K_T=K_R \theta_R^{(T_W-T_R)}$

$LaTeX: t=\frac{V_t}{Q}=\frac{A_s y n}{Q}$

$LaTeX: A_s = L W = \frac{Q t}{y n}=\frac{Q \ln{\frac{c_i}{c_o}}}{K_t y n}$

dove:

$LaTeX: A_s$ è l'area del bacino [m²]
$LaTeX: c_o$ è la concentrazione in uscita [mg/l]
$LaTeX: c_i$ è la concentrazione in entrata [mg/l]
$LaTeX: K_R$ è una costante alla temperatura di riferimento $LaTeX: T_R$
$LaTeX: K_T$ è una costante alla temperatura $LaTeX: T_W$
$LaTeX: L$ è la lunghezza del bacino [m]
$LaTeX: n$ è la porosità
$LaTeX: t$ è il tempo di residenza idraulico [day]
$LaTeX: T_W$ è la temperatura dell'acqua nel bacino [°C]
$LaTeX: T_R$ è la temperatura di riferimento [°C]
$LaTeX: V_t$ è il volume effettivo del bacino [m³]
$LaTeX: W$ è la larghezza del bacino [m]
$LaTeX: y$ è la profondità del bacino [m]
$LaTeX: \theta_R$ è il coefficiente di temperatura
$LaTeX: Q$ è la portata[m³/day].

I valori delle costanti possono essere ricavati dalla seguente tabella^[1]:

Parametro	Rimozione BOD	Nitrificazione	Denitrificazione
$LaTeX: T_R$ [°C]	20	20	20
$LaTeX: K_R$ [d^-1]	0.678	0.2187	1.000
$LaTeX: \theta_R$	1.06	1.048	1.15

Flusso sommerso orizzontale:

$LaTeX: A_h = Q_d \frac{(\ln{C_O} - \ln{C_t})}{KBOD}$

dove:
A_h = area superficiale [m²]
Q_d = portata media giornaliera del refluo [m³/day]
C₀ = valore medio di BOD5 in entrata [mg/l]
C_t = valore medio del BOD5 in uscita [mg/l]
KBOD = costante [m/day]
In letteratura sono proposti diversi valori di KBOD, il quale varia anche a seconda della temperatura o del tipo di trattamento , ottenendo così, per gli stessi dati di partenza, superfici che variano da 0,5 a 5 m²/ab. eq.

Flusso sommerso verticale:
Metodo americano
Si calcola il fabbisogno di ossigeno sulla base di 1 kg di O₂ per ogni kg di BOD da rimuovere e di 4,3 kg di O₂ per ogni kg di NH₃ da ossidare.
Si dimensiona il letto verticale considerando un coefficiente di aerazione superficiale pari a 30 gr di O₂ per m² di superficie e si fissa la sua altezza pari a 0.9 mt. Conoscendo quindi il fabbisogno di ossigeno ed il coefficiente di aerazione superficiale si ottiene una superficie che va poi aumentata del 25 %.

Metodo tedesco

$LaTeX: A_s = \frac{OD}{K_a} + 0.25 \frac{OD}{K_a}$

dove:
A_s= area superficiale
OD= domanda di ossigeno = (0,85 x 0,7 x CODinf + 4.3 TKNinf) - 0,1 x 2,9 x TKNinf
K_a= costante = 30 ÷ 56 gr O₂/m²day

Basato su: rimozione del COD (domanda chimica di ossigeno) dell'85%; consumo di ossigeno di 0.7 gr O₂/g COD; richiesta ossigeno per la nitrificazione pari a 4,3 g O₂/g TKN; recupero di ossigeno per denitrificazione di 2.9 gr O₂/g NO₃-Ndenitr assumendo un indice di denitrificazione del 10%.

Note

↑ Reed, 1995.

La consultazione di TecnoLogica è preordinata alla lettura delle avvertenze

[0] Reed, 1995.

[1]