Vulnerabilità e resilienza del sistema fognatura-impianto di depurazione: prospettive di recupero dell'acqua

The aim of the current work is a methodological and procedural approach based on the characterization and modelling of the system composed by the sewerage and the wastewater treatment plant, in a resource recovery perspective. The process is applied to an Italian case study (municipality of Caneva). In recent years, also in relation to the purpose set by European regulation, a new approach in the urban drainage systems management was introduced providing the components in an integrated and synergic view. In such perspective, in the current study, particular attention has to be focused on the interaction between the sewage system, wastewater treatment plant and the receiving water body using both numerical simulation tools and freshwater consumption indicators. The work started with the modelling of the Caneva sewage-wastewater treatment plant system using suitable software. Specifically, the operation of the sewer network is simulated through EPA-SWMM, and the wastewater treatment plant processes through GPS-X. High-quality modelling enables events of varying duration and magnitude to be simulated and the integrated behavior of the sewage system-wastewater treatment plant-receiving water body to be analyzed. However, to reliably implement a numerical model, it is necessary to perform its calibration and subsequent validation. These two steps are mandatory for proper modelling and consist in adapting the model parameters to close the gap between simulated and measured outcomes. The proposed methodology can simulate the operation of the integrated system from a qualitative-quantitative point of view and can be considered as a useful tool to prevent potential problems resulting from wastewater discharge. To support modelling, indicators can be introduced to assess the anthropic impact on nature. Specifically, through the grey water footprint indicator, an environmental sustainability analysis is conducted under different scenarios. This tool's evaluation demonstrated the wastewater treatment plant benefits, as grey water footprint is reduced. However, the so-called pre-industrial levels cannot currently be reached, although discharge limits are legally respected. Nitrogen and phosphate components result in the greatest impact on the receptor watercourse. Therefore, the reclamation of these compounds would promote environmental protection and reduce dependence on raw materials. As regarding innovative reclamation techniques, the applicability of the Sonozone technology (combination of low-frequency ultrasound pretreatment and ozone disinfection) is evaluated to ensure safe wastewater recovery. The process was tested on a pilot plant, intended as a transition from a semi-continuous laboratory scale to a full-scale plant operating continuously. The treatment efficiency was evaluated according to the main control parameters (total suspended solids, organic matter, nitrogen, phosphorous and microorganisms). The laboratory tests showed, against a progressive removal of pollutants, a remarkable retention of nutrients (nitrogen and phosphorous), highlighting the opportunity of reclaiming wastewater in agriculture. Moreover, as ultrasound and ozone require high amounts of energy, the feasibility of the process must be assessed through an energy analysis based on the pollutant removal capacity. Nevertheless, the installation of small, decentralized, energy-independent plants within urban drainage systems aim to reduce nutrient leakage to surface waters and promote water recovery prospects.

L'obiettivo del presente lavoro è fornire un approccio metodologico e procedurale basato sulla caratterizzazione e sulla modellazione del sistema fognatura-impianto di depurazione in una prospettiva di recupero della risorsa idrica. Il metodo proposto è applicato ad un caso studio: il comune di Caneva. Negli ultimi anni, anche in relazione agli obiettivi fissati dalla normativa europea, si è imposto un nuovo approccio nella gestione dei sistemi di drenaggio urbano, secondo cui le singole componenti sono considerate in modo integrato e sinergico. In questa prospettiva, nello studio in esame, è stata posta particolare attenzione riguardo l'interazione tra la fognatura, l'impianto di depurazione e il corso d’acqua recettore mediante l’utilizzo sia di strumenti di simulazione numerica che di indicatori di consumo di acqua dolce. Il lavoro è iniziato con la modellazione del sistema fognatura-impianto di Caneva utilizzando software appropriati. Nello specifico, il funzionamento della rete fognaria è stato simulato attraverso EPA-SWMM mentre i processi depurativi con l’ausilio di GPS-X. Tale modellazione consente di simulare eventi di differente durata ed intensità ed analizzare il comportamento integrato del sistema fognario, dell'impianto e del corpo idrico ricevente. Tuttavia, allo scopo di implementare in modo affidabile il modello numerico, è stato necessario eseguirne la calibrazione e la successiva validazione. Questi due processi sono fondamentali per una corretta modellazione e consistono nel modificare i parametri del modello affinché i risultati simulati coincidano con quelli misurati in campo. La metodologia proposta consente di simulare il funzionamento del sistema integrato da un punto di vista quali-quantitativo e può essere considerata uno strumento utile per prevenire potenziali problemi derivanti dallo scarico delle acque reflue. A supporto della modellazione, è possibile introdurre indicatori per valutare l'impatto antropico sulla natura. In particolare, attraverso l'impronta delle acque grigie è stata condotta un'analisi di sostenibilità ambientale in diversi scenari. L’analisi di questo strumento ha dimostrato i benefici che gli impianti di depurazione apportano all’ambiente riducendo l'impronta delle acque grigie. Tuttavia, sebbene i limiti di scarico siano legalmente rispettati, attualmente non è possibile raggiungere i cosiddetti livelli preindustriali. Il maggiore impatto sul corso d'acqua recettore è provocato dall’azoto ed il fosforo: una loro ulteriore diminuzione ridurrebbe la dipendenza dalle materie prime tutelando così l'ambiente. Per quanto riguarda le tecniche innovative di recupero, nel presente lavoro è stata valutata l'applicabilità della tecnologia Sonozono (combinazione di un pretrattamento ad ultrasuoni a bassa frequenza e di una disinfezione con ozono) al fine di garantire un recupero sicuro delle acque reflue. Il processo è stato testato su un impianto pilota, inteso come transizione da una scala di laboratorio semi-continua a un impianto in scala reale che opera in modo continuo. L'efficienza del trattamento è stata analizzata in base ai principali parametri di controllo (solidi sospesi totali, materia organica, azoto, fosforo e microrganismi). I test di laboratorio hanno mostrato, a fronte di una progressiva rimozione degli inquinanti, una notevole ritenzione di nutrienti (azoto e fosforo), evidenziando l'opportunità di recuperare le acque di scarico in agricoltura. Inoltre, poiché gli ultrasuoni e l'ozono richiedono elevate quantità di energia, la fattibilità del processo è stata valutata attraverso un'analisi energetica basata sulla capacità di rimozione degli inquinanti. Tuttavia, l'installazione di piccoli impianti decentrati ed energeticamente indipendenti all'interno dei sistemi di drenaggio urbano mira a ridurre le dispersioni di nutrienti nelle acque superficiali e a promuovere prospettive di recupero dell'acqua.