ITTO20010691A1 - Sistema di fitodepurazione artificiale. - Google Patents
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Description
Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo: "Sistema di fitodepurazione artificiale"
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un sistema di fitodepurazione artificaie.
I sistemi di fitodepurazione artificali, anche noti con il termine inglese "Constructed Wetlands", sono sistemi artificiali utilizzati per il trattamento delle acque inquinate.
L'acqua possiede intrinsecamente la capacità di autodepurarsi, ossia di eliminare, o comunque ridurre, la concentrazione di sostanze inquinanti attraverso meccanismi di tipo chimico-fisico e biologico, ma nel caso di elevate concentrazioni di inquinanti è necessario utilizzare sistemi appositamente progettati in grado di favorire questo processo.
Tali sistemi progettati prendono appunto il nome di sistemi di fitodepurazione artificiali.
I sistemi di fitodepurazioni artificiali sono generalmente costituiti da un letto filtrante di materiale poroso inerte sul quale sono poste a dimora piante del tipo macrofite radicate emergenti ed attraverso il quale vengono fatte passare le acque inquinate.
A seconda della tecnologia impiegata, i sistemi di fitodepurazione artificiali possono essere suddivisi in:
- Constructed Wetlands a flusso orizzontale sub superficiale (S.F.S.); e
Constructed Wetlands a flusso verticale intermittente (V.I.S).
Entrambi i sistemi sopra citati sono costituiti da vasche o canali, con fondo impermeabilizzato con uno strato di argilla oppure teli in polietilene ad alta densità (HDPE), riempiti di un letto di materiale inerte poroso che può avere granulometria costante o variabile.
I materiali inerti di riempimento comunemente utilizzati a questo scopo sono sabbia e ghiaia.
Le caratteristiche geotecniche di questi materiali hanno mediamente i valori sotto riportati :
Porosità % 48 ÷ 52
Permeabilità m/h 230 ÷ 320
0 min - max mm 2-10 ÷ 4-10
Il letto di materiale inerte, oltre ad agire da filtro, costituisce anche il substrato su cui si sviluppano le radici delle macrofite emergenti utilizzate per la fitodepurazione.
A questo scopo possono essere utilizzate macrofite emergenti di vario genere, tra le quali citiamo a titolo illustrativo la cannuccia di palude (Phragmites australis) , la tifa (Typha latifoglia) , il giunco (Scripus lacustris).
La profondità del letto è generalmente compresa tra 0,5 e 1 m, a seconda del tipo di macrofita utilizzata .
Ad esempio, per la Phragmites australis l'altezza del letto è generalmente di 0,8 m.
In entrambi i tipi di sistemi sopra citati il refluo è alimentato attraverso tubature in modo tale per cui il livello dell'acqua si mantiene sempre al di sotto della superficie del letto. Il fatto che il letto sia saturo di acqua ma non completamente sommerso consente di ridurre gli insetti e la formazione di odori, ed inoltre permette di evitare che il liquido geli nella stagione invernale .
Il fondo dei sistemi S.F.S. e V.I.S. è generalmente piano o presenta una leggera pendenza verso valle (dell'112%) per facilitare il drenaggio dell'acqua. La superficie superiore è generalmente invece orizzontale.
La differenza tra i sistemi S.F.S ed V.I.S. consiste nel fatto che nei primi il refluo viene alimentato in continuo e scorre attraversando il letto in senso orizzontale, mentre nei secondi il refluo in ingresso viene distribuito ad intermittenza su tutta la superficie del letto, attraversandolo perpendicolarmente per percolazione .
In entrambi i sistemi sopra citati la vegetazione gioca un ruolo fondamentale poiché trasferisce l'ossigeno attraverso i sistemi radicali e i rizomi fino in fondo ai bacini di trattamento e assicura la formazione, sotto il livello dell'acqua, di un ambiente adatto per l'insediamento dei microrganismi aerobici responsabili del trattamento biologico.
Le macrofite radicate emergenti presentano infatti un'alta capacità di trasferimento dell'ossigeno dalle parti aeree alle parti sommerse della pianta. L'ossigeno atmosferico viene quindi assorbito dalle foglie e dagli steli e trasferito e rilasciato a livello della rizosfera.
Pertanto, nel letto anaerobico si creano microzone aerobiche attorno alle radici ed ai rizomi e si determinano le condizioni indispensabili per un efficace svolgimento dei processi biologici di rimozione degli inquinanti.
Tra le macrofite emergenti sopra citate la più efficace, soprattutto per l'abbattimento batterico, è la Phragmites australis che, grazie alla particolare struttura del suo aerenchima, crea una zona ossidante attorno alle radici favorendo così lo svolgimento dei processi ossidativi .
Queste essenze vegetali crescono sviluppando un denso intreccio di rizomi e radici che, attraversando il letto in senso verticale ed orizzontale, contribuiscono a creare le caratteristiche idrauliche del letto indispensabili per ottenere un flusso ottimale all'interno del sistema.
E' stato stimato che le macrofite possono trasferire da 5 a 45g di ossigeno al giorno per metro quadro di superficie umida, a seconda della densità delle piante, della richiesta di ossigeno da parte del suolo saturo e delle caratteristiche di permeabilità della radici.
In particolare per quanto riguarda la Phragmites, il processo di trasferimento dell'ossigeno risulta particolarmente efficace ed inoltre i suoi rizomi, penetrando più profondamente rispetto a quelli di altre specie, riducono le zone in cui possono avvenire processi anaerobici che porterebbero allo sviluppo di gas maleodoranti quali ammoniaca, idrogeno solforato, mercaptani, ecc .
Nei sistemi di fitodepurazione l'efficienza depurativa si mantiene abbastanza costante durante tutto 1'anno poiché i processi depurativi si verificano soprattutto a livello dell'apparato radicale che, essendo sommerso, risente poco delle variazioni climatiche esterne ed è attivo anche nei mesi più freddi; inoltre l'accumulo di lettiera in superficie contribuisce a creare una protezione termica.
L'assorbimento dei nutrienti, in particolare azoto e fosforo, da parte di queste essenze vegetali è estremamente ridotto rispetto alla quantità di nutrienti rimossa attraverso i processi biochimici che si svolgono nella rizosfera, il che determina una scarsa produzione di biomassa vegetale .
Ciò consente di ridurre la necessità di rimuovere periodicamente la biomassa vegetale, consentendo una ridotta e agevole manutenzione eseguibile anche da personale non specializzato.
Generalmente, la piantumazione di 4 piantine/m<2 >assicura una buona copertura del letto ed una propagazione delle piante in tempi brevi.
Tuttavia, entrambi i sistemi sopra descritti hanno una capacità depurativa assai limitata e per ottenere risultati soddisfacenti è necessario disporre di superfici di trattamento piuttosto estese .
Utilizzando tali sistemi, infatti, la superficie minima richiesta per l'ottenimento di un effluente finale conforme alle norme vigenti (tabella A del decreto legge n. 152 dell11/5/1999 , allegato 5) è, per trattamenti di reflui di civile abitazione, di 3-5 m<2 >per abitante equivalente, con portate idrauliche medie di 0,1-0,15 m<3 >al giorno per abitante equivalente.
Per questo motivo l'utilizzo dei sistemi di fitodepurazione artificiali, in particolare in Italia dove scarseggiano le aree disponibili, non è riuscito ad imporsi come in altre nazioni, se non limitatamente a piccoli impianti con un numero limitato di utenze.
Lo scopo della presente invenzione è pertanto quello di aumentare la capacità depurativa di sistemi di fitodepurazione, sia del tipo S.F.S che del tipo V.I.S., consentendo una riduzione delle superfici di trattamento necessarie per ottenere effluenti conformi alle norme vigenti.
Tale scopo è stato raggiunto mediante un sistema di fitodepurazione secondo il preambolo della rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il letto di materiale inerte è costituito da zeolitite .
La zeolitite è una roccia di origine vulcanica contenente una quantità di zeolite naturale che varia da circa il 20 al 90%.
Le zeoliti sono alluminosi licati idrati di metalli alcalini ed alcalino terrosi appartenenti alla famiglia dei tectosilicati.
La loro struttura tridimensionale è caratterizzata dalla presenza di larghe cavità intercomunicanti fra loro e con l'esterno mediante canali .
Per questo motivo le zeoliti presentano una elevata superficie specifica che si aggira mediamente, a seconda della specie, tra i 200-500 m<2>/g.
Tale elevata superficie specifica risulta particolarmente vantaggiosa per l'impiego delle zeolititi come materiale di riempimento in sistemi di fitodepurazione, poiché consente una maggior crescita e moltiplicazione dei microrganismi responsabili dei processi di degradazione della materia organica.
Inoltre, grazie all'elevata capacità di scambio cationico caratteristica delle zeoliti, questi minerali sono in grado di assorbire diverse specie di cationi dai reflui inquinati e di trattenerli all'interno della propria struttura, lasciando defluire l'acqua così purificata.
Successivamente, di nuovo per scambio cationico, i cationi assorbiti verranno riceduti molto lentamente all'esterno (ad eccezione del CrIII che rimane immobilizzato nella zeolite) e verranno dunque resi disponibili all'azione ossidante dei microrganismi presenti nella rizosfera.
Poiché le dimensioni del diametro interno dei canali variano a seconda della specie di zeolite considerata, ciascuna specie di zeolite è caratterizzata da una precisa selettività nei confronti di cationi differenti.
Ad esempio, le zeolititi a base di phillipsite o clinoptilolite hanno una spiccata selettività verso lo ione ammonio ed i radionuclidi, mentre la zeolitite a base di chabasite ha una spiccata selettività verso i metalli pesanti.
In particolare, lo ione ammonio - che tra i vari cationi inquinanti è quello presente generalmente alla maggior concentrazione - viene catturato dalla zeolitite per scambio cationico e poi riceduto a livelli di concentrazione più bassi e tali per cui i microrganismi presenti nella rizosfera, quali nitrosomonas e nitrobacter, lo possono ossidare a ione nitrato, che viene in parte utilizzato dalle piante e in parte ridotto ad azoto gassoso (N2) dai batteri denitrificanti, e quindi rilasciato nell 'atmosfera.
Anche i metalli pesanti, quando sono presenti nel refluo, vengono catturati dalla zeolitite e poi riceduti a livelli di concentrazione inferiori e tali per cui le radici delle piante li possono assorbire e trasferire nella parte aerea (fusto e foglie) , dove si accumulano.
Periodicamente, quando viene effettuato lo sfalcio delle piante, i metalli pesanti recuperati dal refluo potranno essere asportati con il verde. Gli sfalci potranno essere inceneriti e le ceneri, opportunamente inertizzate, potranno essere smaltite .
Pertanto, nei sistemi di fitodepurazione della presente invenzione vengono utilizzate come materiale di riempimento zeolititi preferibilmente a base di analcime, chabasite, clinoptilolite, faujasite, laumontite, mordente, phillipsite o loro miscele. Ancor più preferibilmente, tali zeolititi presentano una capacità di scambio cationico compresa tra 0,3 e 2,5 meq/g, più preferibilmente tra 0,6 e 1,8 meq/g.
Inoltre, tali zeolititi hanno un contenuto di zeolite preferibilmente compreso nell'intervallo di 30 a 80%, ancor più preferibilmente 50 a 70%.
Inoltre, in una forma di realizzazione particolarmente preferita dei sistemi di fitodepurazione della presente invenzione, le macrofite radicate emergenti utilizzate per la fitodepurazione sono piante micorrizate.
Il termine "micorriza" (dal greco mikes: fungo e riza: radice) indica un'associazione simbiotica tra funghi e radici di piante.
E' noto che le micorrize sono molto utili per l'ospite che le possiede: il fungo assorbe elementi nutritivi dal terreno (in particolare fosforo, azoto e potassio oltre ad alcuni microelementi) e li cede alla pianta, svolgendo così un ruolo biofertilizzante .
La formazione di micorrize porta alle piante anche altri vantaggi, quali ad esempio una maggiore conduttività idrica radicale, cioè una maggiore capacità di assorbire acqua attraverso le radici.
Inoltre, la formazione di micorrize protegge la pianta dall'attacco di alcuni patogeni radicali.
La somma di questi effetti garantisce alla pianta micorrizata una migliore crescita rispetto a quella non micorrizata.
L'utilizzo di piante micorrizate in sistemi di fitodepurazione presenta ulteriori vantaggi specifici, legati all'incremento della massa radicale e all'aumento della capacità esplorativa del suolo da parte delle radici . Inoltre è stato osservato che la presenza delle micorrize aumenta il trasferimento di ossigeno dalla parte aerea alla parte sommersa, potenziando così i processi biochimici che si svolgono nella rizosfera.
In particolare, le piante micorrizate sono in grado di esercitare un assorbimento migliore e più selettivo dei vari metalli pesanti eventualmente presenti nei reflui.
Le piante micorrizate da utilizzarsi nei sistemi di fitodepur azione della presente invenzione sono ad esempio ottenibili a partire da inoculi micorrizici arbuscolari .
A questo scopo, sono maggiormente preferite la Phragmites australis, la Typha latifoglia ed il Scripus lacustris micorrizate da simbionti fungini appartenenti ai generi Glomus, Sclerocystis, Scutellospora, Acaulospora, Entrophspora e Gigaspora .
E' stato valutato che i sistemi di fitodepur azione secondo tale forma di realizzazione preferita, in cui il letto è costituito da zeolitite e le piante sono micorrizate, necessitano per trattare acque reflue di civile abitazione solo di 0,5-1,5 m<2 >di superficie per abitante equivalente con portate idrauliche di 0,2-0, 3 m<3 >per abitante equivalente per giorno.
In altre parole, i sistemi di fitodepur azione secondo tale forma di realizzazione consentono di ottenere ottimi risultati riducendo a meno di 1/3 la superficie di trattamento necessaria per abitante equivalente e raddoppiando la sua portata idraulica.
Grazie all 'incremento della loro capacità depurativa, i sistemi di fitodepurazione dell'invenzione possono quindi essere utilizzati per trattare sia scarichi industriali che scarichi urbani, in particolare:
- acque reflue di civile abitazione con utenze fino a 2000 abitanti equivalenti (A.E.)
- acque reflue di campeggi o gruppi di case
- acque reflue di siti rurali
- acque reflue da lavorazioni agro-alimentari
- percolati da discarica trattati in situ
- acque superficiali da potalizzare.
Un altro possibile impiego dei sistemi di fitodepurazione dell'invenzione è per la riduzione del problema dell 'inquinamento residuo dei reflui provenienti dai depuratori .
A tale scopo, tra lo scarico del depuratore ed il recettore può essere interposto un sistema di fitodepurazione, il che consente da un lato di migliorare la qualità delle acque reintrodotte nell 'ambiente e dall'altro di sopperire ad eventuali malfunzionamenti del depuratore stesso.
L'esempio che segue viene fornito esclusivamente a scopo illustrativo e non deve essere inteso a limitare la portata della presente invenzione come definita nelle annesse rivendicazioni.
ESEMPIO
Questo esempio riporta i risultati ottenuti nell 'ambito di una sperimentazione realizzata su un refluo derivante da impianto chimico/fisico, trattato per circa un anno mediante una Constructed Wetland costruita in lamiera di ferro ed avente le seguenti caratteristiche:
lunghezza 2,50 m
Larghezza 1,25 m
Altezza 0,90 m
Superficie 3,125 m
Volume 2,812 m<3>
volume zeolitite 2,500 mc
La wetland era alimentata da un tubo da 2,5 cm di diametro e lungo 1,2 m con fori di distribuzione, posto sul letto di zeolitite ad una estremità della vasca.
Dall'altra estremità, sul fondo della vasca, fuoriusciva un tubo dal diametro di 4 cm raccordato ad un tubo di raccolta forato posto al fondo della vasca e ricoperto dalla zeolitite.
Questo tubo era raccordato ad un sifone situato a 5 cm sotto il livello raggiunto dal letto della wetland.
Come materiale di riempimento è stata utilizzata una zeolitite naturale a base di chabasite e phillipsite avente una concentrazione di zeolitite totale del 61% ed una capacità di scambio cationico media di 1,12 meq/g rispetto allo ione ammonio ed un'area specifica di 265 m<2>/g.
La zeolitite utilizzata aveva le seguenti granulometrie espresse in mm: 0,5-1,5, 1-3, 3-6, 8-15.
Essa è stata sistemata nella vasca a partire dal fondo come segue:
La quantità totale di zeolitite utilizzata era di 2100 Kg.
Come piante palustri sono state messa a dimora 16 Phragmites australis micorrizate da simbionti fungini appartenenti ai generi Glomus, fornite da vivaio da una ditta specializzata nel settore.
Le acque da trattare provenivano da un impianto chimico-fisico ed erano prefiltrate.
Considerate le caratteristiche del refluo (del quale si riportano più avanti le analisi) la portata alla wetland è stata fissata in 12 1/ora, pari a 288 1/giorno.
La sperimentazione è stata portata avanti esattamente per 323 giorni.
Il primo campione di acqua trattato è stato prelevato al 150° giorno (dopo 43200 litri di refluo trattato) , in un periodo in cui le piante non si erano ancora sviluppate completamente.
La tabella 1 riportata la concentrazione dei vari inquinanti presenti nel refluo in ingresso ed in uscita (ossia prelevato al 150° giorno) , dai quali sono state calcolate le percentuali di abbattimento .
Tabella 1
Il secondo campione di acqua è stato prelevato il 322° giorno (dopo 92.736 litri di acque reflue trattate) in un periodo in cui lo sviluppo delle piante, anche se non completato, era in un buono stato di avanzamento. La tabella 2 riporta i risultati ottenuti .
Tabella 2
Questi risultati, ottenuti in neanche 12 mesi di sperimentazione e con le piante palustri non ancora completamente sviluppate (necessitano di almeno 18/24 mesi) e pertanto con un ridotto contributo al trattamento, già permettono di evidenziare come il sistema di fitodepurazione artificiale oggetto della presente invenzione sia molto efficace nel purificare le acque reflue, anche quando queste presentano un carico di inquinanti particolarmente gravoso come quello della sperimentazione sopra riportata.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Sistema di fitodepurazione artificiale del tipo a flusso orizzontale sub superficiale (S.F.S.) o a flusso verticale intermittente (V.I.S) comprendente un letto di materiale inerte su cui sono poste a dimora macrofite radicate emergenti, caratterizzato dal fatto che detto materiale inerte è zeolitite contenente zeolite naturale.
- 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detta zeolitite ha un contenuto di zeolite nell'intervallo di 30 a 80%.
- 3 . Sistema secondo la rivendicazione 2 , in cui detta zeolitite ha un contenuto di zeolite nell'intervallo di 50 a 70%.
- 4 . Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, in cui detta zeolite naturale è scelta nel gruppo che consiste di analcime, chabasite, clinoptilolite, fauj asite, laumontite, mordente, phillipsite e loro miscele.
- 5 . Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 4, in cui detta zeolite ha una capacità di scambio cationico nell'intervallo di 0,3 a 2,5 meq/g.
- 6. Sistema secondo la rivendicazione 6, in cui detta zeolite ha una capacità di scambio cationico nell'intervallo di 0,6 a 1,8 meq/g.
- 7. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 6, in cui detta zeolite ha granulometria compresa nell'intervallo di 0,5 e 35 mm.
- 8. Sistema secondo la rivendicazione 7, in cui la la granulometria della zeolitite è variabile all'interno del letto.
- 9. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui dette macrofite emergenti sono micorrizate.
- 10. Sistema secondo la rivendicazione 9, in cui dette macrofite emergenti micorrizate sono ottenibili a partire da un inoculo micorrizico arbuscolare .
- 11. Sistema secondo la rivendicazione 9 oppure 10, in cui dette macrofite emergenti sono scelte dal gruppo che consiste di Phragmites australis, Tyfa, Scirpus e loro combinazioni.
- 12 .Uso di un sistema di fitodepurazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti per il trattamento di acque reflue di civile abitazione.
- 13 .Uso di un sistema di fitodepurazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti per il trattamento di scarichi industriali.
- 14 .Uso di un sistema di fitodepurazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti per il trattamento di acque reflue provenienti da siti rurali .
- 15. Uso di un sistema di fitodepurazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti per il trattamento di percolati da discarica.
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