Lezione n. 3 - Acque reflue

Corso di Alta Formazionein

Esperto in trattamenti delle acque reflue finalizzati al loro riutilizzo irriguo

PON 01_01480 INTERRA

Bari, 10 gennaio 2013

Acque reflue: problematiche collegate al riutilizzo in agricoltura

Acque reflue: problematiche collegate al riutilizzo in

agricolturaDr. Antonio Lonigro

Dipartimento di Scienze Agro-Ambientali e TerritorialiUniversità degli Studi di Bari

E’ noto a tutti che il clima dell’Italia meridionale ed insulare è tipico “mediterraneo”, con siccità estiva e piovosità concentrata nel periodo autunno-invernale.

CIO’ DETERMINA

• Costante emungimento dalle falde con relativopeggioramento qualitativo delle acque;

• Deficit di accumulo di acqua nei principali invasi.

EMERGENZA IDRICA NEL SUD ITALIA

Per far fronte al deficit idrico diffuso si possono attuare diverse strategie:

- migliorare l’efficienza d’uso dell’acqua, con lascelta appropriata dei metodi irrigui;

- razionalizzare le variabili irrigue (turno, volumedi adacquamento);

- utilizzare acque non convenzionali.

Per quanto riguarda i primi due aspetti, la letteratura nazionale e

mondiale offre numerosi contributi scientifici, mentre per

il terzo punto

Le nuove prospettive sono orientate sul reimpiego di:

ACQUE REFLUE

ACQUE REFLUE

Acque reflue agro-industrialiReflui zootecnici

Acque reflue urbane

Acque reflue agro-industriali

Svariate sono le attività di tipo agro-industriale presenti sul territorio nazionale,ma noi accenneremo solo a quelle tipichedelle nostre zone e cioè:• Industrie lattiero-casearie;• Industrie della carne (mattatoi);• Industrie enologiche;• Frantoi;• Industrie conserviere


Industrie lattiero-caseariePer poter caratterizzare la composizione deireflui prodotti dall’industria lattiero-casearia è necessario sapere che a questotipo di attività fanno capo diversi tipi dilavorazione che vanno dalla pastorizzazionee sterilizzazione del latte, alla produzione diburro, crema, latte fermentato, condensato,concentrato, fino ai formaggi (freschi,stagionati, cotti, ecc.)


Industrie lattiero-casearieÈ’ evidente che gli inquinanti contenuti negliscarichi delle industrie lattiero-casearie sonorappresentati da residui del latte, dai suoisottoprodotti e da eventuali sostanzeimpiegate nelle lavorazioni; a questi sidovranno aggiungere i prodotti utilizzati nellavaggio e nella disinfezione degli ambienti,delle attrezzature e nei servizicomplementari.


Industrie lattiero-casearie


Industrie lattiero-casearieIl vero problema dei reflui caseari ècostituito dalle grosse quantità di sieroriveniente dalla pressatura del formaggioche significano grosse quantità di sostanzeorganiche in soluzione che inevitabilmenteelevano il contenuto di BOD e di COD neireflui


Industria della carneLe acque di rifiuto degli stabilimenti dimattazione sono costituite in massima parteda acque di lavaggio provenienti dalle variefasi di lavorazione, in cui si riscontranomaggiormente: sangue, escrementi, urine,paglia, contenuti dello stomaco e scarti. Aquesti si devono aggiungere detergenti edisinfettanti sedimentabili


Industria della carne


Industria della carneLa composizione finale sarà caratterizzatada elevati valori di BOD e COD, da alteconcentrazioni di solidi sedimentabili, daelevate quantità di sostanze grasse, sostanzeazotate e di fosforo


Industria enologicaIn base alle caratteristiche delle varielavorazioni, questi effluenti presenterannonotevoli variazioni sia per composizione cheper quantità, non solo nel corso dell’anno maanche nella stessa giornata, per effetto dellavoro che si sta svolgendo.


Industria enologicaIn linea generale al loro interno si riscontrano:•Particelle di tessuti e piante (semi, raspi, cellulosa)•Lieviti•Microrganismi•Zuccheri•Alcool etilico e metilico•Acetone, acido formico, acetico e tartarico•Anidride solforosa e suoi sali•Soluzioni alcaline e tensioattivi usati nei lavaggi


Industria enologica


FrantoiI reflui oleari prodotti dai frantoi, sono costituitidalle acque di lavaggio delle olive, dalle acque divegetazione propriamente dette e dall’acquaaggiunta durante la centrifugazione.L’acqua di vegetazione è costituita da un liquidoscuro a reazione acida con un intenso odore di olio;contiene una notevole quantità di sostanza insospensione rappresentate da frammenti di polpadi olive, sostanze mucillaginose, pectina e piccolequantità di olio in emulsione.


Frantoi


FrantoiQuesto effluente raggiunge carichi inquinantielevatissimi contenendo infatti oltre ad una certapercentuale di composti minerali, molta sostanzaorganica sia disciolta che in sospensione, solopotenzialmente biodegradabile, che innalza dimolto sia il BOD che il COD.Il problema dello smaltimento dei reflui oleari èsempre attuale anche una recente legge ne hafissato il limite per lo spandimento sui terrenifissandolo a 80 m3/ha.


Industrie conserviereI reflui prodotti dalle industrie di conserve vegetali,a causa dei numerosi prodotti trattati e dei diversiprocessi di lavorazione possibili, risultanodifficilmente caratterizzabili.

Il lavaggio ed il risciacquo del prodotto dalavorare, rappresenta in media il 50% del volumedelle acque di processo ed è caratterizzato daconcentrazioni elevatissime di Sali rivenienti dallavaggio della salamoia


Industrie conserviereI volumi di acqua utilizzata nel processo discottatura sono ridotti, ma molto inquinanti, inparticolare per quanto riguarda i valori di BOD5COD e solidi sospesi a causa degli zuccheri, amidi eacidi organici che sotto forma di sostanze insoluzione in sospensione sono asportate dall’acqua.

Acque di lavaggio utensili da cucina, attrezzature,tavoli da lavoro, pavimenti, ecc. caratterizzate davalori di pH molto elevato

Reflui zootecnici

La composizione dei reflui zootecnici varia notevolmente in relazione alla specie,

all’eventuale diluizione con acque di lavaggio, alle modalità di stabulazione e al

tipo/quantità di lettiera

Reflui zootecnici

E’ influenzata, inoltre, da tutti i fattori che determinano le caratteristiche delle deiezioni

tal quali e cioè:Alimentazione, stadio fenologico, razza, ecc.

Reflui zootecnici

Reflui zootecniciGeneralmente, si può affermare che, lo

spandimento dei reflui zootecnici sul terreno resta una pratica vantaggiosa per l’apporto

di nutrienti e di sostanza organica

Le potenzialità negative dei liquami sono in relazione non tanto alle proprie

caratteristiche, quanto alle modalità di gestione e di uso legate alle eccedenze del

carico animale per entità di superficie

Reflui zootecniciResta evidenziato che la capienza degli

ambienti per lo stoccaggio deve essere tale da garantire la maturazione del liquame, intesa soprattutto come riduzione della quantità di

patogeni

E’ consigliabile, in ultima analisi, lo spandimento di tali reflui ad una distanza di

almeno 50 metri (soglia di sicurezza)

dalle abitazioni

Acque reflue urbane

CARATTERISTICHE DEI REFLUI URBANII reflui urbani sono costituiti da una soluzione acquosadebolmente alcalina, molto diluita, contenente sostanzeorganiche ed inorganiche, solidi sospesi grandi e piccoli edispersioni colloidali

Sotto l’aspetto igienico-sanitario, i reflui possono contenerepatogeni per l’uomo e per gli animali (batteri, virus, elminti,funghi e protozoi)

La composizione dei reflui urbani di origine domestica èall’incirca la stessa nelle varie aree urbane, mentre lecaratteristiche microbiologiche risentono molto dello stato dellazona considerata; i coliformi fecali sono distribuitiuniformemente, i patogeni, sono in numero più basso

Il riuso dei reflui urbani in agricoltura pone limiti di

ordine:• Igienico - sanitario

• Legislativo

• Agronomico

Problemi igienico - sanitari I criteri che guidano la scelta di un microrganismo o di un gruppo di microrganismi come indicatori di contaminazione fecale sono basati su:- contemporanea presenza o assenza dell’indicatore o del patogeno;- presenza dell’indicatore e del patogeno in rapporti numerici costanti;- paragonabilità della resistenza del patogeno e dell’indicatore alle condizioni ambientali;

- facilità di rilevazione dell’indicatore.

Il legislatore ha individuato come indicatori:

- Coliformi fecali- Streptococchi fecali- Spore di clostridi solfito-riduttori.

Non esiste un indicatore di inquinamento fecale ideale.Tra i tanti però Escherichia Coli è quello che soddisfa la maggior parte dei requisiti.

Microrganismi patogeni che possono essere presenti nelle acque reflue

Batteri

Virus

Salmonella spp

Shigella spp

Escherichia coli

Vibrio cholerae

Yersinia enterocolitica

Tifo, Paratifo, gastroenterite e setticemia

Dissenteria emorragica

Gastroenteriti, dissenteria, ecc.

Colera

Gastroenteriti acute, artriti, setticemia, eritema nodoso, adeniti acute nei bambini

Microrganismi Sintomi e malattie causate

Adenovirus

Enterovirus

Epatite A virus

Epatite E virus

Rotavirus

Faringite, Congiuntivite, vomito, diarrea

Poliomielite, febbre, diarrea, Meningite, malattie respiratorie, miocarditiEpatite

Epatite

Vomito, diarrea

Microrganismi patogeni che possono essere presenti nelle acque reflue

Protozoi

Elminti

Cryptosporidium parvum

Giardia intestinalis

Entoameba histolytica

Balantidium coli

Sintomi gastrointestinali ed influenzali

Vomito, diarrea

Dissenteria amebica, infezioni

Diarrea, ulcera al colon

Microrganismi Sintomi e malattie causate

Dracunculus medianensis

Ascaris lumbricoides

Ancylostoma duodenale

Taenia saginata

Trichurius

Toxocara

Dracunculosi

Ascariasi

Anemia

Teniasi

Dolori addominali, diarrea

Febbre, dolori addominali

Presenza e/o accumulo di agenti patogeni per l’uomo nel terreno

La persistenza della carica patogena apportata al terreno è fortemente condizionata da una serie di fattori pedoclimatici (Gerba et al., 1975), che consentono, in condizioni ottimali, una sopravvivenza variabile da 2-3 mesi massimo per i coliformi fecali e superiore per gli streptococchi fecali, raggiungendo svariati anni per le uova di elminti del genere Ascaris (Idroser,1987).

Tempi di sopravvivenza dei patogeni nel terreno e sui prodotti a 20 - 30 °C

Patogeni Tempo di sopravvivenzaNel terreno Sui prodotti

VirusEnterovirus

BatteriColi fecaliSalmonella sppVibrio cholerae

ProtozoiEntamoeba histolytica

Elminti: uova

< 100 ma di solito < 20 giorni < 60 ma di solito < 15 giorni

< 70 ma di solito < 20 giorni < 30 ma di solito < 15 giorni< 70 ma di solito < 20 giorni < 30 ma di solito < 15 giorni< 20 ma di solito < 10 giorni < 5 ma di solito < 2 giorni

< 20 ma di solito < 10 giorni < 10 ma di solito < 2 giorni

Molti mesi < 60 ma di solito < 30 giorni

Problemi legislativi

La tutela delle acque dall’inquinamento ha visto la lucecon la legge n. 319 del 1976 (legge Merli) la quale hasancito che l’acqua dopo l’utilizzo debba essere depurata,prima di essere restituita nei corpi recettori naturali.

A questa ne sono seguite altre, quali:- la Delibera del Consiglio dei Ministri del 04/02/1977che indica i limiti per il riuso in agricoltura dei refluitrattati;

- il Piano Direttore a stralcio del Piano di Tutela delle Acque, Regione Puglia, Giugno 2002 che modifica i limiti di alcuni parametri (Cloruri, Boro, E. coli) elevandone leggermente il valore.

- il Decreto Legislativo n. 152 del 11/05/1999, il quale riporta limiti ancora più restrittivi dei precedenti, ed inserisce l’Escherichia coli come unico indicatore dicontaminazione fecale.

- La Legge n. 185/2003 detta “Legge Galli”, ormaiabrogata, che introduce il concetto di risparmio e dirinnovo delle risorse idriche per non pregiudicarel’intero patrimonio idrico, la vivibilità ambientale el’agricoltura

- Strategia Ministero dell’Ambiente anno 2001,individua cinque indirizzi prioritari: incentivarel'attuazione della legislazione vigente; integrare letematiche ambientali in tutte le strategie politiche,economiche e sociali; accrescere laresponsabilizzazione dei cittadini; supportare lacollaborazione con il mercato; incoraggiare lapianificazione e la gestione territoriale.

- il Decreto Legislativo n. 152 del 02/05/2006, il qualeriporta le Norme Tecniche per il riutilizzo delle acquereflue

Limiti applicativiStudi epidemiologici e il crescente inquinamento delle

acque di fiumi e laghi, regolarmente utilizzate per

l’irrigazione, considerano le norme vigenti in Italia

troppo restrittive e non in linea con WHO 1989 e con

US EPA 1992 che vedono l’MPN di coliformi fecali

nelle acque per irrigare ortaggi, anche da consumo

crudo, attestato su 1000/100 ml.

Contrapposizioni nella legislazione italiana• Inesistenza di vincoli legislativi per il riuso a

scopo irriguo delle acque superficiali, anche se contenenti concentrazioni di coliformi superiori agli standard dell’Allegato 5 della Delibera Consiglio dei Ministri del 04/02/1977;

• Nelle acque di balneazione sono previsti limiti di 2000 coli totali e 100 coli fecali;

• Assenza di chiarimenti e definizioni sulla presenza di sostanze chimiche indesiderate (vedi metalli pesanti) nelle acque per uso irriguo.

Da Ing. Amb., 1989.

CONSIDERAZIONI

• Sembrerebbe che da un lato si sia voluta tutelare al massimo la salute dell’uomo nei confronti del rischio infettivo imponendo limiti molto restrittivi sulla presenza di colibatteri;

• mentre dall’altro si sia trascurata la possibilità di contaminazione da composti chimici, alcuni dei quali potrebbero bioaccumularsi lungo la catena trofica fino all’uomo, partendo dal terreno e dalle colture vegetali.

Da Ing. Amb., 1989

Valori limite per il riutilizzo delle acque a scopo irriguo

Piano Direttore Regione Puglia (Giugno 2002)

TSS 10 mg/l COD 50 mg O2/l Ammonio 2 mg/l Cloruri 500 mg/l SAR 10 Boro 2 mg/l C. E. 3 dS/cm Escherichia coli 10 u.f.c./100ml* Salmonella Assente

Decreto Legislativo n. 185 del 12/06/2003

TSS 10 mg/lCOD 50 mg O2/lAmmonio 2 mg/lCloruri 250 mg/lSAR 10Boro 1 mg/l

Escherichia coli 10 u.f.c./100ml*Salmonella Assente

* (80% dei campioni), 100 come valore puntuale max

Problemi agronomici

Le acque reflue possono contenere, sostanze chearrecano danni al terreno, alle colture e allasalute dell’uomo, in particolare:

Sostanze organiche naturali;

Sostanze organiche di sintesi;

Sostanze inorganiche e minerali.

Sostanze organiche di sintesiProvenienti da civili abitazioni, ospedali, industrie, agricoltura, ecc.

Queste sostanze tendono ad accumularsi nel terreno perché degradabili lentamente e possono contaminare le acque di falda e la catena alimentare.

Detersivi, fenoli, solventi organici, solventi clorurati, derivati dell’acido ftalico e policlorodifenoli

Sostanze organiche naturali

Provenienti da scarichi industriali e da allevamenti zootecnici

Sostanze inorganiche e minerali

- materiali solidi in sospensione rappresentati da particelle terrose, minerali argillosi, silicati e carbonati che imbrattano le colture e occludono i manufatti irrigui;- metalli pesanti: Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Pb, Hg, Sn, Zn, Mo (elementi metallici con densità > 5 g cm-3)

Vie di diffusione dei metalli pesanti:Animali

Suolo Vegetali Uomo Ambiente

ORIGINE DEI METALLI PESANTI NEL SUOLO

1) Attività industriali;2) Attività civili;3) Pratiche agronomiche

Il destino del metallo pesante che arriva al terreno dipendeda come esso si distribuisce tra le varie fasi fino al raggiungimento dell’equilibrio.

All’equilibrio la concentrazione della frazione solubile èsolo una modesta percentuale della quantità totale del metallo nel terreno.

Limiti agronomici

• Possibile riduzione della velocità di infiltrazione dell’acqua nel terreno;

• Possibile innalzamento della C.E. dello strato umettato;

• Possibile accumulo di metalli pesanti nel tempo;

• Possibile presenza e/o accumulo di agenti patogeni per l’uomo nel terreno.

Fattori che inducono riduzione della produttività delle colture possono essere

presenti nel refluo o trarre origine dai trattamenti a cui il refluo viene sottoposto

• Metalli pesanti: la loro pericolosità è legata non tanto alla loro concentrazione nei reflui, quanto alla loro tendenza ad accumularsi nel tempo nel terreno, sino al raggiungimento di soglie di rischio (Smith et al., 1996);

• Cloro residuo: deriva dai trattamenti di disinfezione volti all’abbattimento della carica microbica (Fucci, 1991).

Per approfondire lo studio sui rischi igienico-sanitari connessi al riutilizzo

dei reflui urbani depurati sarebbe interessante seguire l’evoluzione, oltre che degli indicatori di contaminazione fecale individuati dal legislatore, anche di alcuni microrganismi patogeni per

l’uomo quali:

Batteri:

Protozoi:

Elminti come presenza/assenza di uova

Giardia lamblia

Cryptosporidium

Salmonella spp

Vibrio Cholerae*

La resistenza di tali patogeni a trattamenti di disinfezione è ben documentata in bibliografia e nei confronti dei quali non si sviluppa

mai nessuna immunità.

Principali fasi in cui si articola la ricerca:

• Individuazione campo sperimentale nei pressi del depuratore comunale di Cerignola (FG);

• Affinamento acque reflue urbane depurate mediante ultrafiltrazione a membrana;

• Caratterizzazione chimico-fisica e microbiologicadelle acque ad uso irriguo;

• Sperimentazione su colture erbacee, con confronto tra:

- due metodi irrigui: subirrigazione capillare e microportata a goccia;

- due tipi di acqua: convenzionale e reflua depurata;

con monitoraggio dei parametri microbiologici,durante l’intero ciclo colturale su acqua, suoloe prodotto commerciabile.

Impianto di DepurazioneComune di Cerignola

Campo sperimentale

PozzoImpianto ZENON

Stra

da c

omun

ale

hollow fiber filtration plant

back to WWTPbuffer tank

to test field

storage tanks

“Subirrigazione capillare”

“Goccia”

Subirrigazione capillare“Goccia”

Principali caratteristiche delle acque utilizzate per l’irrigazione

Convenzionale

TSS 33 mg/lCOD 11 mgO2/lAmmonio 0 mg/lNitrati 22 mg/lFosfati 2,3 mg/lCloruri 327 mg/lSAR 4Boro 0, 3 mg/lC.E. 1,6 dS/m

Reflua depurata

TSS 5 mg/lCOD 58 mgO2/lAmmonio 13,4 mg/lNitrati 6,7 mg/lFosfati 2,3 mg/lCloruri 507 mg/lSAR 12Boro 0,83 mg/lC.E. 2,3 dS/m

Isolamento e conta di colonie di Coliformi totali

Isolamento e conta di colonie di Coliformi fecali

Isolamento e conta di colonie di Escherichia coli

Isolamento e conta di colonie di Streptococchi fecali

Isolamento e conta di colonie di Vibrio cholerae

Primi risultati ottenuti

Principali caratteristiche chimico-fisiche edidrauliche del terreno del sito sperimentale

Sabbia (2,0 > Φ > 0.02 mm) 42,9 %Limo (0,02 > Φ > 0.002 mm) 27,9 %Argilla (Φ < 0.002 mm) 29,2 %Azoto totale (Met. Kjeldhal) 1,1 0/00P2Ο5 assimilabile (Met. Olsen) 50 ppmSostanza organica (Met. Walkley-Black) 1,1 %Calcare totale (Met. Gasvolumetrico) 10,1 %Calcare attivo (Met. Ossalato ammonico) 8,2 %pH (in H2O) 8,4C.E. (da estratto di pasta satura) 1,5 dS/mUmidità alla capacità idrica di campo (- 0,03 Mpa) 23,2 %Umidità al punto di appassimento (- 1,5 Mpa) 14,4 %

Acqua Reflua urbana depurata Acqua Convenzionale

Data prelievo Coliformi Coliformi Escherichia Streptococchi Spore di Clostridi Salmonella Coliformi Coliformi Escherichia Streptococchi Spore di Clostridi Salmonellatotali fecali coli fecali solfito-riduttori totali fecali coli fecali solfito-riduttori

(MPN/100 ml) (MPN/100 ml) (MPN/100 ml) (MPN/100 ml) (u.f.c./100 ml) (u.f.c./100 ml) (MPN/100 ml) (MPN/100 ml) (MPN/100 ml) (MPN/100 ml) (u.f.c./100 ml) (u.f.c./100 ml)27/05/03 1.100 460 0 4 32 Assente26/06/03 110 110 30 0 14 Assente 11.100 1.500 750 0 50 Assente03/07/03 0 0 0 0 0 Assente 11.000 90 90 0 18 Assente09/07/03 4.600 4.600 240 0 0 Assente 11.000 11.000 1.500 28 0 Assente14/07/03 4.600 150 93 0 100 Assente 460 0 0 0 8 Assente21/07/03 930 70 0 9 46 Assente 2.400 150 90 4 50 Assente29/07/03 0 0 0 0 10 Assente 11.000 200 140 9 10 Assente31/07/03 110 110 30 0 14 Assente 11.000 1.500 750 0 50 Assente06/08/03 15 0 0 0 10 Assente 1.100 460 0 4 32 Assente06/08/03 50* 40* 30* 10* Assente 80* 40* 20* 20* Assente11/08/03 50* 20* 10* 10* Assente 60* 30* 10* 15* Assente19/08/03 100* 30* 35* 8* Assente 90* 65* 0* 10* Assente01/09/03 0 0 0 0 20 Assente 90 0 0 9 60 Presente

* valori espressi come U.F.C./100 ml

Indicatori di contaminazione fecale riscontrati nelle acque irrigue

1

10

100

1000

10000

Coliformi totali

Coliformi fecali

Escherichiacoli

Streptococchifecali

Indicatori di inquinamento fecale

MP

N/g

Acqua Reflua urbana depurata

Acqua Convenzionale

Valori medi degli indicatori di inquinamento fecale presentinello strato di terreno 0-10 cm, al momento della raccolta

Prodotto commerciabile - Pomodoro da industria

Tesi Coliformi Coliformi Escherichia Streptococchi Spore di Clostridi Salmonellatotali fecali coli fecali solfito-riduttori

(MPN/g) (MPN/g) (MPN/g) (MPN/g) (u.f.c./g) (u.f.c./25 g)

I R 220 3 3 0 0 AssenteII R 220 220 2 0 0 AssenteIII R 220 220 220 5 0 AssenteIV R 220 220 4 0 0 Assente

I C 7 0 4 0 0 AssenteII C 220 30 3 0 0 AssenteIII C 220 220 220 5 0 AssenteIV C 220 90 90 0 0 Assente

Produzione commerciabile

Tesi irrigate con acqua convenzionale: 60,28 ton/ha

Tesi irrigate con acqua reflua depurata: 57,19 ton/ha

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Lezione n. 3 - Acque reflue