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Emissioni di gas serra dal sistema fognario
Claudio Lubello
La Gestione Idraulica sul Territorio ed in Ambito Urbano:
Modellazione, Prevenzione e Manutenzione
Con il patrocinio di Firenze, 14 e 15 Aprile 2016
Auditorium Cosimo Ridolfi di Banca CR Firenze
Introduzione
La Gestione Idraulica sul Territorio ed in Ambito Urbano: Modellazione, Prevenzione e Manutenzione – Firenze, 14 e 15 Aprile 2016
Il metano è un potente gas serra (GHG) che contribuisce in modo significativo al cambiamento climatico (IPCC, 2006). Su un orizzonte di 100 anni l’effetto di riscaldamento di una tonnellata di CH4 è equivalente a quello di 25 t di CO2.
I composti organici presenti nelle acque reflue sono una
potenziale fonte emissiva di GHG qualora questi siano trasformati
in metano immesso in modo incontrollato in atmosfera.
La concentrazione globale di metano in atmosfera è aumentata
approssimativamente da 0.7 ppm nel 1750 a 1.8 ppm nel 2013. Il
50% delle emissioni sono dovute ad attività antropiche.
Introduzione
La Gestione Idraulica sul Territorio ed in Ambito Urbano: Modellazione, Prevenzione e Manutenzione – Firenze, 14 e 15 Aprile 2016
Negli studi recenti sulle emissioni fognarie la maggiore
attenzione è stata posta a CH4 e H2S (acido solfidrico) a causa
del potenziale effetto serra del primo e della tossicità del
secondo (1 kg di H2S ha un potenziale di tossicità umana
equivalente a 0,22 kg di 1,4 diclorobenzene). Inoltre H2S può
essere ossidato ad acido solforico (H2SO4) composto molto
aggressivo sulle tubazioni, in particolare quelle in cemento.
LCA Fognatura
La Gestione Idraulica sul Territorio ed in Ambito Urbano: Modellazione, Prevenzione e Manutenzione – Firenze, 14 e 15 Aprile 2016
Fognatura come bioreattore
La Gestione Idraulica sul Territorio ed in Ambito Urbano: Modellazione, Prevenzione e Manutenzione – Firenze, 14 e 15 Aprile 2016
Acqua reflua
Biofilm
immerso
Biofilm
emerso
Sedimenti
Fase gassosa
I principali processi
biologici hanno luogo
nel biofilm immerso e
nei sedimenti fognari.
Processi di conversione del COD
La Gestione Idraulica sul Territorio ed in Ambito Urbano: Modellazione, Prevenzione e Manutenzione – Firenze, 14 e 15 Aprile 2016
Dai dati sperimentali di letteratura
circa il 70% delle perdite di COD
solubile in fognatura è dovuto ad
attività metanogenica.
Una perdita eccessiva di COD nella
rete fognaria può portare ad
abbassamenti nel rapporto COD/N
con difficoltà di denitrificazione
negli impianti di depurazione dotati
di rimozione biologica dell’azoto.
Schema dei processi di conversione biologica in una
fognatura. SRB (linea continua), MB (tratteggio), batteri
fermentatori (tratto punto).
SRB: batteri solfato riduttori MB: metano batteri
Competizione fra SRB e MB nel biofilm
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SRB: batteri solfato
riducenti
MB: metano batteri
SRB vs. MB nei sedimenti fognari
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Fattori che influenzano la produzione di metano
La Gestione Idraulica sul Territorio ed in Ambito Urbano: Modellazione, Prevenzione e Manutenzione – Firenze, 14 e 15 Aprile 2016
Alcuni fattori chiave influenzano la produzione di
metano nelle reti fognarie:
• Tempo di detenzione idraulico (HRT);
• Rapporto A/V (superficie/volume) delle tubazioni;
• Co e t azio e del COD ell’a ua eflua trasportata;
• Temperatura.
Tempo di detenzione idraulico
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Guisasola et al. (2009) hanno trovato che la concentrazione del
eta o dis iolta ell’a ua eflua all’i te o della fog atu a è direttamente proporzionale al tempo di detenzione idraulico (HRT).
Foley et al. (2009) hanno rilevato un incremento della
concentrazione di metano verso valle negli spechi fognari giungendo
quindi a medesime conclusioni. Anche le fluttuazioni
diurne/notturne, con un incremento della concentrazione durante
la notte, misurata da Liu et al. (2015) possono essere
ragionevolmente correlate al tempo di detenzione idraulico,
maggiore la notte per la via delle diminuzione delle portate.
Rapporto A/V
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Un maggiore rapporto fra la superficie interna degli spechi fognari in
rapporto al volume dello stesso rende possibile una maggiore
superficie di biofilm per unità di volume di acqua reflua trasportata,
rendendo possibile un maggiore rateo di produzione del metano.
Tale assunzione è stata rilevata direttamente sul campo da
Guisasola et al. (2000) e Foley et al. (2009).
Temperatura
La Gestione Idraulica sul Territorio ed in Ambito Urbano: Modellazione, Prevenzione e Manutenzione – Firenze, 14 e 15 Aprile 2016
Una temperatura più elevata determina ratei cinetici superiori e
quindi maggiori produzione di metano. Risultati sperimentali, con il
confronto fra periodi estivi ed invernali, confermano questa
osservazione.
Concentrazione COD
Liu et al. (2015) hanno sperimentalmente evidenziato la
correlazione fra produzione di metano e concentrazione di COD
fermentabile.
Esempio di modello empirico
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Esistono in letteratura modelli empirici per la stima della
produzione di metano sia per fognature in pressione che a pelo
libero. Di seguito è riportato il modello proposto da Chaosakul
et al. (2014) basato sul rapporto A/V, HRT e temperatura del
refluo.
CCH4= 6 x 10-5 x (A/V x HRT) x 1.05(T-20) + 0.0015
In cui CCH4 è la concentrazione di metano disciolto (kg/m3); 6 x
10-5 kg/m2 / h è il rateo di attività metanigena del biofilm nello
speco fognario; 1.05(T-20) tie e o to dell’effetto della temperatura.
Emissioni di protossido di azoto
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Se o do l’EPA il p otossido di azoto N2O) ha un potenziale effetto serra su
100 anni pari a circa 310 volte quello della CO2 e quindi oltre un ordine di
grandezza superiore a quello dello stesso metano. Inoltre il N2O è una
fonte di NO e NO2 che partecipano al ciclo catalitico di distruzione
dell’ozo o. No osta te iò gli studi sulle sue e issio i i fog atu a so o molto scarsi se raffrontati con quelli a disposizione per gli impianti di
depurazione.
L’EPA i di a il setto e della gestio e delle a ue eflue o e la VI maggiore fonte antropogenica di protossido di azoto (95 Mt CO2 eq. yr-1 ).
Quantificazione delle emissioni di N2O
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Vista la scarsità di dati a disposizione è difficile una quantificazione delle
emissioni di N2O in fognatura. I primi studi europei (Debrunyn et al., 1994,
Clemens and Haas, 1997) indicavano per fognature miste a gravità valori
compresi fra 0,5 e 3,5 g N2O pe pe so a all’a o. Più e e ti lavo i Willis et al., 2012) negli USA indicano rilevano valori intorno a 0,6 g N2O per
persona all’a o .
Fattori che influenzano la produzione di N2O
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La produzione di protossido di azoto dipende da parametri come il
rapporto fra carbonio ed azoto, carico organico, il regime di aerazione
(ossido-anossico-anaerobico), il pH, la concentrazione di NH4+, NO2-, NO3
-),
osì o e l’a o da za e l’attività di i o ga is i p odutto i di protossido di azoto.
Emissioni annue
• 239,9 t CO2 eq.
Emissioni metano in fognatura
• 22,6 t CO2 eq.
Emissioni indirette fognatura
• 65,8 t CO2 eq.
Emissioni indirette depurazione
Correlazione piogge vs. concentrazione COD
0
100
200
300
400
500
600
0 50 100 150 200 250 300 350
CO
D m
ed
io (
mg
/l)
Precipitazione medie mensili (mm)
Emissioni dirette GHG
Fossa settica Fognatura Depurazione
53 kg CO2e /ab
130
gr/ab
130
gr/ab 107
gr/ab
18
gr/ab
1042
mg/l
1042
mg/l
854
mg/l 42 mg/l
242
mg/l
Diluizione
Degradazione
anaerobica
Degradazione
anaerobica Degradazione
aerobica/ana
Flusso COD
20 kg CO2e
Emissioni dirette GHG
Fossa settica Fognatura Depurazione
130
gr/ab
78
gr/ab 64
gr/ab
15
gr/ab
1042
mg/l
625
mg/l
514
mg/l 35 mg/l
145
mg/l
Diluizione
Degradazione
anaerobica
Degradazione
anaerobica Degradazione
aerobica/ana
Flusso COD
62 kg CO2e/ab 20 kg CO2e 53 kg CO2e /ab
Captazione risorsa;
Pozzi, sorgenti, opere di presa da a ue supe fi iali,…
Potabilizzazione; centrali acquedotto, trattamenti,
disi fezio e,…
Distribuzione; pompaggi, se atoi, ila i, ete tu azio i,…
Co su o d’acqua; domestico, p oduttivo…
Fine Vita, Trattamenti individuali, fognature, depurazione, scarico reflui,
s alti e to fa ghi,…
Analisi del ciclo di vita
Dati kgCO2e/anno , 2014*
26%
Ripartizione emissioni dirette ed indirette fasi servizio idrico
Fosse settiche
Fognatura
Acquedotto
Depurazione
Conclusioni
• La rete fognaria è a tutti gli effetti un reattore biologico in grado di modificare il
contenuto dei substrati presenti nelle acque reflue con importanti ripercussioni
sull’a ie te e sugli i pia ti di depu azio e a valle. • La produzione di gas con effetto serra (e non solo) nella fognatura è un aspetto
non trascurabile in termini assoluti ed il fattore maggioritario nelle emissioni del
servizio idrico integrato.
• I dati sperimentali a disposizione sono ancora insufficienti e sono necessarie
campagne di raccolta dati estese.
• La presenza delle fosse settiche acuisce in modo sostanziale questo fenomeno,
anche se deve essere valutato sperimentalmente con attenzione il rapporto fra
fosse settiche e reti fognarie a valle.