Curare la acque inquinate con le piante

Le capacità auto-depuranti delle acque di superficie non riescono a far fronte a grossi carichi di inquinanti, come quelli derivanti da collettori fognari non trattati, pena il progressivo degrado della qualità delle medesime. Pertanto occorre trattare le acque reflue e la fitodepurazione è una delle possibili tecniche di tipo naturale che utilizza i vegetali come filtri biologici attivi in grado di ridurre gli inquinanti. I trattamenti di fitodepurazione sono trattamenti biologici secondari (necessitano di un trattamento primario di sedimentazione quale una fossa Imhoff) e/o terziari, di affinamento (che sfruttano la capacità di autodepurazione degli ambienti acquatici). La rimozione dei nutrienti e dei batteri avviene con processi di filtrazione, adsorbimento, assimilazione da parte degli organismi vegetali e con la degradazione batterica. La fitodepurazione avviene in zone umide costruite artificialmente come bacini poco profondi riempiti con substrato e vegetato con piante acquatiche (macrofite igrofile) il cui suolo è mantenuto costantemente saturo di refluo. L’impianto di fitodepurazione è un’alternativa alla depurazione tradizionale rispettosa l’ambiente, vantaggiosa dal punto di vista economico ed ambientale.

Le acque reflue non possono essere reimmesse nell'ambiente tal quali, ma occorre procedere alla loro depurazione per la rimozione dei contaminanti (organici o inorganici) con l’ausilio di trattamenti fisici (sedimentazione, filtrazione, …), chimico-fisici (neutralizzazione, ossidazione, coagulazione, flocculazione, …), biologici aerobici (a film biologico, a fanghi attivi, a biomasse miste), biologici anaerobici e biologici di tipo naturale (percolazione in terreni naturali, stagni biologici e fitodepurazione).

La fitodepurazione è un sistema di trattamento a ridotto impatto ambientale, basato principalmente su processi biologici (ma anche fisici e chimico-fisici) caratteristici degli ambienti acquatici e delle zone umide. Gli impianti di fitodepurazione sono costituiti da ambienti umidi riprodotti artificialmente in bacini impermeabilizzati, attraversati dalle acque reflue, realizzati con materiali tecnologici, ma con l’aspetto di stagni e canneti di buon inserimento ambientale grazie all’inserimento di specie vegetali tipiche delle zone umide (macrofite igrofile). Le piante e, soprattutto, le comunità microbiche che si sviluppano all’interno del sistema sono responsabili del processo depurativo.

Le prime esperienze di utilizzo di detti processi in sistemi controllati furono condotti nella metà degli anni ’50 in Germania, dove li primo impianto di fitodepurazione è stato costruito nel 1977. Successivamente la fitodepurazione è stata applicata per il trattamento delle acque reflue in Danimarca, Austria e Svizzera e nella seconda metà degli anni ’80 in Nord America e Australia.

La fitodepurazione può essere applicata a reflui di diversa tipologia (domestica, industriale, agricola, ecc.) e può essere utilizzata per il trattamento secondario e terziario dei reflui urbani.

Tipologie di fitodepurazione

In relazione al percorso idraulico del refluo, i sistemi di fitodepurazione si distinguono in (Figura 1):

  • SFS-h o HF (Subsurface Flow System - horizontal o Horizontal Flow), sistemi a flusso sommerso orizzontale: sono bacini riempiti con materiale inerte, dove i reflui scorrono in senso orizzontale in condizioni di saturazione continua (reattori “plug-flow”) utilizzando macrofite radicate emergenti;
  • SFS-v o VF (Subsurface Flow System - vertical o Vertical Flow), sistemi a flusso sommerso verticale: sono vassoi riempiti con materiale inerte, dove i reflui scorrono in senso verticale in condizioni di saturazione alternata (reattori “batch”) utilizzando macrofite radicate emergenti;
  • FW o FWS (Free Water o Free Water Surface), sistemi a flusso libero (o superficiale): riproducono una zona palustre naturale, dove l’acqua è a diretto contatto con l’atmosfera e generalmente poco profonda con l’inserimento di idrofite e di elofite.

Le diverse tipologie di sistemi di fitodepurazione possono essere combinate con l’obiettivo di ottimizzare le rese depurative di particolari tipi di refluo (“sistemi ibridi”).

figura 1 - Tipologie di sistemi di fitodepurazione in relazione al percorso idraulico del refluo. Dall'alto al basso: flusso sommerso orizzontale, flusso sommerso verticale, flusso libero o superficiale

La fase di pretrattamento dei reflui è indispensabile per la rimozione dei solidi sedimentabili (trattamento primario), che potrebbero interferire negativamente con il deflusso del liquame nelle vasche. A tale scopo sono frequentemente utilizzate le fosse Imhoff e le fosse settiche a più comparti.

Attualmente in Europa sono in funzione alcune decine di migliaia di impianti di fitodepurazione, la maggior parte dei quali localizzata nei paesi del Nord dove già da molti anni sono utilizzati per la riduzione dell’inquinamento proveniente da piccole e medie utenze. In Europa e in Italia sono maggiormente diffusi (più del 75%) i sistemi a flusso sommerso orizzontale e verticale, utilizzati prevalentemente per il trattamento secondario di acque reflue domestiche e civili. Tali sistemi risultano essere i più appropriati nel contesto europeo in quanto caratterizzati da: facile inserimento ambientale in aree urbane e/o periurbane; elevata efficienza depurativa anche nei mesi invernali (in relazione all’abbattimento dei solidi sospesi, del carico organico e della carica batterica), maggiore semplicità di gestione e manutenzione; assenza di problemi legati all’insorgenza di cattivi odori e alla presenza di insetti, miglior rapporto tra superficie necessaria ed efficacia di trattamento.

Per il trattamento terziario (o post-trattamento) di depuratori vi sono numerose esperienze con sistemi a flusso superficiale FWS, idonee a trattare ingenti quantità di acque con ridotto grado di inquinamento. Inoltre, la realizzazione di questi ultimi sistemi fornisce l’opportunità di ricreare habitat ideali per specie animali (piccoli anfibi, uccelli, etc.) e vegetali (idrofite ed elofite) fortemente a rischio per la progressiva scomparsa dei microhabitat adeguati alla loro riproduzione.

Tutti i sistemi di fitodepurazione devono essere isolati dal terreno circostante tramite una barriera impermeabile, al fine di impedire contaminazioni di suolo e falda, utilizzando argilla o teli resistenti allo sviluppo radicale (HDPE, LDPE o PVC).

Per i sistemi a flusso sub-superficiale il letto di radicazione è costituito da materiale inerte di ghiaia e sabbia con la funzione di supporto della vegetazione e della biomassa adesa (il biofilm, responsabile della depurazione), nonché di filtrazione meccanica e di immobilizzazione di inquinanti per adsorbimento.

Le specie vegetali utilizzate

Le Macrofite acquatiche (o igrofile) comprendono vegetali di dimensioni macroscopiche di prossimità di acque dolci superficiali (lotiche e lentiche), vi appartengono specie della vegetazione acquatica e specie pioniere di greto. Le macrofite sono costituite da fanerogame, alcune pteridofite e numerose briofite. Le specie vegetali utilizzate sono erbacee, perenni, autoctone ed adattate a crescere in suoli parzialmente o perennemente saturi d’acqua (anche eutrofizzata). In relazione all’ambiente di crescita (Tabella 1), possono essere suddivise in:

  • elofite o macrofite radicate emergenti: piante terrestri adattate alla vita su suoli parzialmente o completamente saturi d’acqua (paludi e rive dei laghi). Trovano utilizzo in tutti i sistemi di fitodepurazione;
  • idrofite: sono piante acquatiche perenni le cui gemme si trovano sommerse o natanti (Lemna spp, Potamogeton spp, Nymphaea), ulteriormente suddivise in:
    • pleustofite (o galleggianti): non sono ancorate al substrato e fluttuano liberamente sulla superficie dell’acqua (Lemna, Hydrocaris morsus-ranae). Sono dotate di apparato radicale esteso, efficace nella rimozione dei nutrienti per assunzione diretta, favorevole alla crescita della biomassa adesa ed all’adsorbimento delle sostanze colloidali: pertanto sono particolarmente indicate per trattamenti terziari (rimozione dei nutrienti);
    • rizofite: sono ancorate al substrato del fondo mediante il loro apparato radicale. Esse sono totalmente sommerse (idrofite sommerse) o ancorate al fondo e fluttuanti emergendo dalla superficie solo con i fiori e, talvolta, con foglie galleggianti (idrofite flottanti). L’adozione delle rizofite è scarsamente diffusa nella fitodepurazione e il loro impiego è limitato ad acque pulite ed ossigenate (essendo particolarmente sensibili alle condizioni anaerobiche) o in combinazione con piante emergenti.

Non vanno assolutamente impiegate le specie vegetali esotiche invasive tra cui la peste d’acqua (Elodea canadiensis) di origine nordamericana e il giacinto d’acqua (Eichornia crassipes) tropicale per il rischio si diffondano negli ambienti circostanti compromettendo la biodiversità degli habitat di acqua dolce.

Tabella 1 Piante acquatiche autoctone maggiormente utilizzate per i sistemi a flusso libero in Italia (Fonte: modificato da ISPRA, 2012)

Nome scientifico

Nome comune

Profondità acqua ottimale (cm)

Elofite o macrofite radicate emergenti

 

 

Alisma plantago-acquatica

Mestolaccia

10-20

Butomus umbellatus

Giunco fiorito

10-30

Caltha palustris

Calta

 

Carex fusca, C. hirta, C. elata

Carice

0-10

Eupatorium cannabium

Canapa d'acqua

 

Epilobium irsutum

Epilobio maggiore

 

Gliceria maxima

Gramigna di palude

 

Iris pseudacorus

Iris giallo

0-20

Juncus spp.

Giunco

0-30

Lythrum salicaria

Salcerella

0-30

Mentha acquatica

Menta acquatica

 

Phragmites australis (o communis)

Cannuccia di palude

0-100

Schoenoplectus lacustris(=Scirpus l.)

Giunco da corde

0-100

Sparganium erectum

Coltellaccio, biodo

 

Stachys palustris

Mastricale palustre

 

Thypha latifoli, T. minima, T. angustifolia

Tifa

0-40

Idrofite rizofite sommerse

 

 

Ceratophyllum demersum

Ceratofillo comune

>50

Myriophyllum spicatum

Millefoglie d'acqua

10-20

Potamogeton crispus, P. natans

Lingua d'acqua

> 50

Idrofite rizofite flottanti

 

 

Callitriche stagnalis

Stella d'acqua

 

Hottonia palustris

Violetta d'acqua

 

Nymphaea alba

Ninfea comune

70-110

Nuphar lutea

Nannufera

30-50

Nymphoides peltata

Genziana d'acqua

30

Idrofite pleustofite

 

 

Hydrocaris morsus-ranae

Morso di rana

galleggiante

Lemna spp.

Lenticchie d'acqua

galleggiante

I sistemi più diffusi in Europa sono quelli che utilizzano macrofite radicate emergenti (HF e VF), in particolare il genere Phragmites perché richiede scarsa manutenzione ed ha una capacità di crescita e diffusione elevate. In Italia sono comunemente utilizzate Phragmites australis (da piante radicate o rizomi), Schoenoplectus lacustris e Typha latifolia.

Nei sistemi a flusso sommerso per dimensionare l’altezza dei letti si deve tener conto della capacità di approfondimento dell’apparato radicale (70 cm in Phragmites australis e 30 – 40 cm in Typha latifolia). Nel caso invece dei sistemi a flusso superficiale l’elemento biotico fondamentale per la scelta delle piante è all’altezza dell’acqua (Tabella 1). Per la scelta e la distribuzione delle piante acquatiche in un sistema di fitodepurazione occorre inoltre considerare la reperibilità in vivaio, i costi di acquisto e posa in opera, i costi di manutenzione e le caratteristiche paesaggistico-decorative.

Funzione della vegetazione

Le piante hanno il ruolo di creare un habitat idoneo alla crescita della flora batterica che è la vera protagonista della depurazione biologica.

Le piante acquatiche contribuiscono al recupero delle acque inquinate grazie alla riduzione del volume del refluo attuato con l’assorbimento radicale e la traspirazione fogliare, all’assorbimento di elementi nutritivi (azoto, fosforo e altri microelementi) e tossici. La parte sommersa delle piante acquatiche esplica la duplice funzione di filtro e di supporto per la popolazione microbica (intorno ai rizomi si formano dei micro-ecosistemi capaci di eliminare i microrganismi patogeni).

La maggior parte delle elofite (ad es. Phragmites e Typha) presenta un esteso sviluppo di tessuti aerati (aerenchimi), che consente il trasporto di ossigeno dalle foglie alle radici e alla rizosfera, garantendo l’instaurarsi di microzone aerobiche in ambienti prevalentemente anaerobici, favorendo lo sviluppo di microrganismi aerobi nella rizosfera ed anaerobi nell’ambiente limitrofo (dove l’ossigenazione è praticamente assente). La contemporanea presenza di condizioni aerobiche, anaerobiche ed anossiche è fondamentale per lo sviluppo di diversi tipi di microrganismi che consentono l’ossidazione della sostanza organica, l’ammonificazione, la nitrificazione, la denitrificazione dell’azoto.

 

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Tipologie di sistemi di fitodepurazione in relazione al percorso idraulico del refluo. Dall'alto al basso: flusso sommerso orizzontale, flusso sommerso verticale, flusso libero o superficiale

(Fonte: ISPRA, 2012)

 

 

Tipologie di sistemi di fitodepurazione in relazione al percorso idraulico del refluo. Dall'alto al basso: flusso sommerso orizzontale, flusso sommerso verticale, flusso libero o superficiale

La progettazione dei sistemi di collettamento e di depurazione delle acque reflue urbane, al fine di garantire la qualità delle acque reimmesse nell’ambiente, è normato a livello comunitario, nazionale e regionale.

Gli impianti di fitodepurazione sono caratterizzati da estrema semplicità gestionale, elevata flessibilità funzionale (tollerando oscillazioni di carico organico ed idraulico, per cui risultano adatti al trattamento dei reflui provenienti da agglomerati con popolazione fluttuante) e da bassissimi consumi energetici.

I sistemi di fitodepurazione presentano alcune limitazioni che devono essere valutate in fase di progettazione e di gestione. Una possibile causa di inefficienza può essere rappresentata dalle condizioni climatiche, nel caso dei sistemi a pelo libero, che risentono delle basse temperature invernali. L’efficienza dei sistemi a flusso sub-superficiale, invece, si mantiene buona anche nei mesi invernali: il livello dell’acqua al disotto del suolo vegetato e l’accumulo di detriti vegetali sulla superficie del letto, infatti, offrono una protezione termica maggiore rispetto ai sistemi a flusso superficiale.

Gli impianti a flusso superficiale con flussi molto ridotti possono essere caratterizzati dalla presenza di acqua stagnante favorendo la presenza di zanzare: tale rischio può essere ridotto favorendo continue modificazioni del livello delle acque all’interno del sistema ed introducendo predatori naturali delle larve di zanzara. Nei sistemi ad acqua libera vi può essere l’insorgenza di cattivi odori: l’inconveniente può essere evitato con una appropriata progettazione e manutenzione. Con i sistemi a pleustofite le foglie possono determinare la copertura totale dello specchio, limitando così la penetrazione della luce, con il conseguente sviluppo di alghe fotosintetiche e la diffusione dell’ossigeno nell’acqua dove si instaurano facilmente condizioni anaerobiche.

La disponibilità di ampie superfici da adibire al trattamento e i costi elevati per l’acquisto del terreno possono costituire un limite all’impiego delle tecniche di fitodepurazione. Inoltre non è applicabile per grandi insediamenti urbani in quanto sarebbero richieste superfici molto estese. La fitodepurazione non può quindi sostituire completamente i tradizionali sistemi di depurazione.

La Tabella 2 riporta il confronto sintetico dei limiti e dei pregi di tre tipologie di fitodepurazione.

Tabella 2 Valutazione comparativa delle performance e degli aspetti gestionali e di realizzazione per alcuni

sistemi di fitodepurazione (ISPRA, 2012)

Componente

Indicatori

Sistemi a flusso orizzontale

Sistemi a flusso verticale

Sistemi misti

Efficienza processo depurativo

Rimozione COD-BOD

Rimozione solidi sospesi

Rimozione N

↕

Rimozione P

↕

Rimozione tensioattivi

↕

↕

Rimozione carica microbica

↕

Abbattimento sostanze odorigene

↕

↕

Flessibilità di risposta

Variazioni di carico organico/idraulico

Carico di punta stagionale

Presenza di sostanze tossiche

↕

↕

↕

Oneri economici/di esercizio

Costi di realizzazione

↕

↕

Tempi di messa in esercizio

Consumi energetici

↕

↕

Costi di gestione

↕

↕

Semplicità di gestione

↕

↕

Benefici ambientali e paesaggistici

Superficie occupata

↕

Inserimento paesaggistico

Riqualificazione ambientale (ripristino/costituzione habitat, ecc.)

Legenda:

       

valutazione positiva: pieno raggiungimento degli obiettivi prefissati

↕

valutazione mediamente positiva: obiettivo non del tutto raggiunto

valutazione negativa: obiettivo non raggiunto

ANPA, 2001. Guida alla progettazione dei sistemi di collettamento e depurazione delle acque reflue urbane. Agenzia Nazionale per la Protezione dell’Ambiente - Dipartimento Prevenzione e Risanamento Ambientali. Manuali e Linee Guida 1/2001.

Avolio F. Pineschi G., 2008. Depurazione naturale delle acque. I sistemi di fitodepurazione per il trattamento delle acque reflue. I quaderni de La Ramigna, n.8. WWF Abruzzo

Casarini P., 2003. La fitodepurazione: una tecnologia di depurazione naturale. ARPA della Lombardia – Dipartimento di Pavia

ISPRA, 2012. Guida tecnica per la progettazione e gestione dei sistemi di fitodepurazione per il trattamento delle acque reflue urbane. Delibera del Consiglio Federale dell’Istituto Superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale, seduta del 5 aprile 2012. Doc. n.11/12 – CF. Manuali e linee guida 82/2012.