Introduzione. influenzato dall attitudine delle diverse tipologie di macrofite ad assorbire e

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Con il contributo di: Regione Siciliana Assessorato dei Beni Culturali e dell identità Siciliana Dipartimento dei Beni Culturali e dell Identità Siciliana Centro Studi di Economia Applicata all Ingegneria Corso di formazione su: L utilizzo L dei sistemi di fitodepurazione per il trattamento e il riuso delle acque reflue Catania, Novembre 11, Hotel Nettuno Evapotraspirazione delle macrofite e possibili effetti su fitodisidratazione dei fanghi e sistemi a scarico zero Con il patrocinio di: Prof. Attilio Toscano - Università di Catania Regione Siciliana Assessorato Regionale delle Risorse Agricole e Alimentari Dipartimento Interventi Infrastrutturali in Agricoltura Assessorato Regionale dei Beni Culturali e dell Identità Siciliana Soprintendenza BB.CC.AA. di Catania Assessorato Regionale Territorio ed Ambiente Dipartimento Regionale dell Ambiente Assessorato Regionale dell Energia e dei Servizi di Pubblica Utilità Dipartimento Regionale dell Acqua e dei Rifiuti Agenzia Regionale per la Protezione dell Ambiente Parco dell Etna Associazione Ingegneri Ambiente e Territorio - Sicilia Associazione Italiana per la Ingegneria Naturalistica Sezione Sicilia Associazione Idrotecnica Italiana Sezione Sicilia Orientale Ordine dei Dottori Agronomi e dei Dottori Forestali della Provincia di Catania Ordine degli Ingegneri della Provincia di Catania Introduzione Il bilancio idrico nei sistemi di fitodepurazione può essere significativamente influenzato dall attitudine delle diverse tipologie di macrofite ad assorbire e disperdere l acqua Il processo di evapotraspirazione (ET) nei sistemi di fitodepurazione non stato ancora diffusamente studiato Obiettivi Negli anni 9 e è stato condotto uno studio sperimentale in Sicilia e in Veneto sull ET della Phragmites australis (Cav.) Trin. in impianti di fitodepurazione a scala pilota. Gli obiettivi principali dello studio sono: - Misurare l ET della Phragmites australis in due ambienti differenti - calcolare l evapotraspiraione di riferimento (ET ) - stimare un coefficiente di vegetazione per la Phragmites australis simile al coefficiente colturale (K c ) indicato dalla FAO per le colture agrarie Ubicazione dei siti sperimentali Limena (Veneto) San Michele di Ganzaria (Sicilia) Impianto sperimentale in Veneto Vasche in plastica vasche vegetate vasche di controllo (non vegetate) Dimensioni:,, m =, m Profondità:,9 m Granulometria:,1 mm Vegetazione: Phragmites australis Messa a dimora: marzo Rubinetto cm 9 cm cm Contenitore graduato Impianto sperimentale in Sicilia In cemento armato, parzialmente interrato Impermeabilizzato con guaina letti vegetati letti di controllo (non vegetati) Dimensione: 1, 3, m =, m Profondità:, m Granulometria: -1 mm Vegetazione: Phragmites australis Messa a dimora: giugno Sfalcio: maggio 9 Misuratore di portata influente Piezometro, m Pietrisco vulcanico -1 mm 3, m 1, m Impianto sperimentale in Sicilia sfioro piezometro Misuratore di portata Misuratore graduato per misurare eventuale acqua in eccesso dovuta ad eventi meteorici Metodologia Calcolo di ET Parametri misurati: temperatura dell aria, velocità e direzione del vento, precipitazione, radiazione solare, umidità relativa. Questi parametri consentono di calcolare l ET di riferimento (ET ) mediante la formula di Penman- Monteith (ASCE-EWRI ). R = radiation term of the Penman-Monteith equation A o = aerodynamic term of the Penman-Monteith equation Standardized Reference Evapotranspiration Metodologia Calcolo di K c Secondo l approccio FAO (Irrigation and Drainage Paper No. ) l evapotraspirazione colturale (ET c ) è stimata moltiplicando l evapotraspirazione di riferimento (ET ) per un coefficiente colturale (K c ): ET c = K c Evapotraspirazione di riferimento (mm d -1 ) ET Evapotraspirazione colturale (mm d -1 ) in condizioni ottimali (eccellenti condizioni agronomiche e di disponibilità idrica) K c = ETc ET Coefficiente colturale (adimensionale) Metodologia Misure di ET Periodo di riferimento: maggio 9 3 Settembre 9 Frequenza delle misurazioni: variabile in funzione delle condizioni climatiche Acqua utilizzata: Veneto: la vasche sono state riempite con 1 L di una soluzione contenente ppm di NO 3 - N e ppm di NH -N Sicilia: acque reflue urbane provenienti da un impianto di depurazione di tipo convenzionale (filtri percolatori) Parametri (valori medi) Unità di misura Veneto ph.9. Sicilia EC µs cm -1,3 1,3 TSS mg L -1 n.d. 13 COD mg L -1 n.d. 3. BOD mg L -1 n.d. 1. NH -N mg L NO 3 -N mg L -1 n.d. TN mg L -1 n.d.. TP mg L -1. Metodologia Misure di ET Veneto volume iniziale V1=1L tempo fra misure V V3 V V3 svuotato e misurato immissione volume iniziale V1=1L ET = V + pioggia netta V = V1 V3 Sicilia volume iniziale misure di livello idrico V immissione volume iniziale V1=1.1 m 3 V3 V1=1.1 m 3 ET = V + pioggia netta V = quantità di acqua per ripristinare il volume iniziale (misuratore di portata volumetrico) Condizioni meteorologiche durante il periodo di indagine (1) Rain Minimum air temperature Maximum air temperature Average air temperature SICILY 3 Rain (mm) T ( C) Temperatura dell aria e precipitazione in Sicilia Jun-9 Jul-9 Aug-9 Sep-9 Oct Rain Minimum air temperature Maximum air temperature Average air temperature VENETO Temperatura dell aria e precipitazione in Veneto Rain (mm) T ( C) Jun-9 Jul-9 Aug-9 Sep-9 Oct-9 Wind Speed (ms -1 ) Condizioni meteorologiche durante il periodo di indagine (),,, 3, 3,,, 1, 1,,, Velocità del vento, umidità relativa media e radiazione solare in entrambi i siti sperimentali Veneto Jun-9 Jul-9 Aug-9 Sep-9 Oct-9 3 Sicily Average relative humidity (%) Veneto Jun-9 Jul-9 Aug-9 Sep-9 Veneto Sicily Sicily Solar Radiation (MJm - d -1 ) 1 Jun-9 Jul-9 Aug-9 Sep-9 Oct-9 Results ET calcolato con la formula di Penman-Monteith formula in entrambi I siti sperimentali 7 Veneto Sicily ET (mm d -1 ) 3 1 Jun-9 Jul-9 Aug-9 Sep-9 Oct-9 Risultati Cumulative ET (mm) ET cumulata della Phrgamites, di controllo e di riferimento in entrambi i siti sperimentali ET Veneto ETcon Veneto ETphr Veneto ET Sicily ETcon Sicily ETphr Sicily Sicilia ET media giornaliera = 3,9 mm d -1 Veneto ET media giornaliera =, mm d mm 3. mm Jun-9 Jul-9 Aug-9 Sep-9 Oct-9 Risultati ET cumulata della Phrgamites, di controllo e di riferimento in Veneto 3 3 ET Veneto ETcon Veneto ETphr Veneto Cumulative ET (mm) 1 Mar-9 Apr-9 May-9 Jun-9 Jul-9 Aug-9 Sep-9 Oct-9 Risultati ET (mm) 3 3 ET decadale della Phrgamites, di controllo e di riferimento in entrambi i siti sperimentali ET Veneto ET Sicily ETcon Veneto ETphr Veneto ETphr Sicily ETcon Sicily 1 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd June 9 July 9 August 9 September 9 Risultati Kc decadale in entrambi i siti sperimentali 9 7 K c (ET phr /ET ) 3 Veneto K c medio =. Sicilia K c medio =.3 1 Veneto Sicily 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd June 9 July 9 August 9 September 9 Risultati -day K p Sicily Confronto fra i risultati in Veneto e in Sicily day Kp Linear trend y =,9x R =, day K p Veneto Risultati Carex, Phalaris, Phragmites, Juncus, Typha in Veneto cumulative ET (mm) ET ET Carex ET Phalaris ET Phragmites ET Juncus ET Typha ET Control VENETO -May-9 -Jun-9 -Jul-9 -Aug-9 Risultati Altezza e densità della Phrgamites australis Location Period Mean Height (cm) Mean Density (culms/m ) August 1 Veneto August Sicily August ET è influenzata dalla quantità di biomassa Confronto fra differenti studi Location Nebraska (USA) Northern Germany (Germany) England (UK) Kent (UK) Northeast China (China) Curienne (France) Lesonice (Czech Republic) Rabat (Morocco) Veneto (Italy) Sicily (Italy) Latitude 3' N ' N Wetland type Reed prairie wetland Reed natural wetland Reed natural wetland Size Measurement method Ha BREB Investigation period Early and peak growth ET (mm d -1 ).. Senescence. 3.1 Reference Burba et al., S W model Annual scale.3 3. Herbst and Kappen, Phytometer Annual scale..3 Fermor et al., ' N Reed bed 3 Ha BREB May Aug.. Peacock and Hess, 1 ' N Marsh 9, Ha Eddy Covariance May Sep 3' N Reed Bed. m Measured May Aug 9 7' N 3 3' N 9' N Pilot Reed Bed H-SSF CW Vegetated tank.1 m.97 m Measured May Oct m Measured Six months.. (.1 average) 7.7 (average) 1.7 (average) 7 (average). m. (average) 37 3' N Pilot CW. m Measured June Sep 3.9 (average) Zhou and Zhou, 9 Chazarenc et al., 3 Rozkošný et al., Hamouri et al., 7 This study T ( C) Dati meteorologici San Michele di Ganzaria 9 - Apr-9 May-9 Jun-9 Jul-9 Aug-9 Sep-9 Oct-9 Nov-9 Dec-9 RHaverage Tmin Tmax Taverage RH (%) T ( C) Apr- May- Jun- Jul- Aug- Sep- Oct- Nov- Dec- RHaverage Tmin Tmax Taverage RH (%) WS (m s -1 ) & SR (MJ m - d -1 ) R (mm) WS (m s -1 ) & SR (MJ m - d -1 ) R (mm) Apr-9 May-9 Jun-9 Jul-9 Aug-9 Sep-9 Oct-9 Nov-9 Dec-9 Apr- May- Jun- Jul- Aug- Sep- Oct- Nov- Dec- Rain Wind Speed Solar Radiation Rain Wind Speed Solar Radiation Risultati San Michele di Ganzaria 9 - ET daily rates during 9 and observation period 7 9 ET (mm d -1 ) 3 1 Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Risultati San Michele di Ganzaria 9 - ET, ET con and ET phr cumulate Cumulative ET (mm) ET 9 ETcon 9 ETphr 9 ET ETcon ETphr 9 ETphr media giornaliera =.7 mm d -1 ETphr media giornaliera = 1.7 mm d -1,3 mm,19 mm Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Risultati San Michele di Ganzaria 9 - ET, ET con, ET phr decadale -day average ET (mm d -1 ) ET 9 ETcon 9 ETphr 9 ET ETcon 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd ETphr April May June July August September October November Risultati San Michele di Ganzaria 9 - -day K p K c medio =.9 K c medio =.3 K p decadale 1 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd April May June July August September October November Risultati San Michele di Ganzaria day Kp Linear trend -day Kp 3 1 y =,9x + 1,77 R =, day Kp 9 Plant Height (m), 1, 1, 1, 1, 1,,,,,, Risultati San Michele di Ganzaria 9-1st nd 3rd Plant Height Stem Density 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd Apr- May- Jun- Jul- Aug- Sep- Oct- Nov- 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1 Stem density (stems m - ) Altezza e densità della P. australis nella stagione 1 Total leaves Dead leaves 1 Basal stem diameter 1,,9, Numero di foglie (totali e morte) e diametro del fusto della P. australis nella stagione Leaves (N o plant -1 ) 1 1,7,,,,3, Stem Diameter (cm),1, 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd 1st nd 3rd Apr- May- Jun- Jul- Aug- Sep- Oct- Nov- Risultati San Michele di Ganzaria 9 - Relazione fra lo sviluppo della P. australis e il K p decadale 7 7 -day K p 3 y =,9x -,1 R =,99 -day K p 3 y =,1x -,79 R =, stem density (stems m - ),, 1, 1,, plant height (m) 7 -day K p 3 y =,31x -, R =, total leaves (n plant -1 ) Conclusioni o o o I valori di ET misurati sono molto elevati in estate (fino a volte maggiori di ET ) sia in Veneto sia in Sicily; In Veneto e in Sicilia è stato riscontrato unc omportamento simile e comparabile, nonostante le differenze di latitudine, condizioni climatiche e impianti sperimentali; L ET media giornaliera (in estate) in Sicilia è circa 1. volte maggiore che in Veneto; Dubbi: o Effetto oasi? Scala piccola. Conclusioni - Effetti o In ogni caso il risultati evidenziano che occorre approfondire gli studi su ET poiché determina importanti effetti su: - dimensionamento, idraulica, idrologia, bilancio idrico, modellizzszione; - uso delle CWs per il riuso a scopo irriguo; Effetto NEGATIVO Considerando una ET media pari a mm/d nel periodo estivo, una portata in ingresso di l/s, e una superficie di. m, circa il % del volume immesso viene perso per ET nel periodo in cui le risorse idriche sono più richieste per l agricoltura - sistemi di fitodisidratazione dei fanghi e di sistemi a s scarico zero. Effetto POSITIVO Fitodepurazione a scarico zero Il sistema di smaltimento di Fitodepurazione a scarico zero detti anche ad evapotraspirazione totale sono progettati per non avere uno scarico in uscita (eccetto un eventuale scarico di troppo pieno in caso di piogge molto abbondanti) e quindi sono da utilizzare in situazioni in cui l impossibilità di connettersi alla rete fognaria e l assenza di corpi idrici superficiali. tali sistemi richiedono superfici, che dipendono dalle condizioni meteorologiche e dal fabbisogno idrico per abitante, ma che in ogni caso sono molte estese. Q out = Equazione di continuità: Q out = Q in + P - ET - I Massimo Carico idraulico Q in = ET -P Esempio di dimensionamento (superficie) Q in 1 mm/anno (1 L/m /anno) 1 mm/anno mm/anno Dotazione idrica per 1 A.E: 1 L/giorno =.7 L/anno Area necessaria per 1 A.E.:.7/1 = m Esempio di dimensionamento Fitodisidratazione La fitodisidratazione consiste nella disidratazione e nella stabilizzazione dei fanghi in vasche o bacini impermeabilizzati dotati di sistema di drenaggio, raccolta delle acque ed essenze vegetali. I letti di fitodisidratazione rappresentano una scelta progettuale ottimale per poter garantire buoni risultati di disidratazione e mineralizzazione dei fanghi e allo stesso tempo consentire di contenere i costi di smaltimento e quelli di gestione. Molteplici sono i vantaggi che si possono trarre dalla realizzazione di un impianto di fitodisidratazione: semplicità ed economicità di gestione (assenza di parti meccaniche, bassa manutenzione, consumi di energia minimizzati, assenza di utilizzo di additivi chimici e quindi assenza di costi addizionali); buona capacità di riduzione dei volumi (considerevole riduzione dei solidi totali durante la mineralizzazione, disidratazione dei fanghi superiore al %); riduzione dei costi di gestione del ciclo fanghi di oltre il %; assenza di problemi igienici; buona integrazione paesaggistica dell impianto con il territorio circostante e bassissimo impatto ambientale; possibilità di produrre biomasse utilizzabili per la produzione di energia (sfalci periodici dei fragmiteti). Fitodisidratazione Impianto di disidratazione fanghi in Danimarca Fonte: IWA Impianto di fitodisidratazione di Kambas Danimarca Fonte: Envicare Ltd Impianto di fitodisidratazione di Lobetal Germania - Fonte: AKUT Gmbh
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