PROCESSI E TECNOLOGIE INNOVATIVE PER IL TRATTAMENTO DELLE ACQUE
RECUPERO DI RISORSE ED ENERGIA DAL TRATTAMENTO DI REFLUI

Missione 2, Componente 4: Tutela del territorio e della risorsa idrica

Trattamento sostenibile delle acque; Tecnologie innovative di trattamento acque; Riutilizzo effluenti depurati e fanghi; Recupero di energia e risorse; Rimozione di composti tossici e persistenti.

In accordo con il PNRR:
….l’eliminazione dell’inquinamento delle acque e del terreno, e la disponibilità di risorse idriche (es. infrastrutture idriche primarie, agrosistema irriguo, fognature e depurazione), aspetti fondamentali per assicurare la salute dei cittadini e, sotto il profilo economico, per attrarre investimenti….
….dove possibile, gli impianti di depurazione saranno trasformati in “fabbriche verdi”, per consentire il recupero di energia e fanghi, e il riutilizzo delle acque reflue depurate per scopi irrigui e industriali.
le attività di ricerca condotte dall’IRSA nell’ambito delle aree tematiche riportate rispondono all’esigenza di ridurre/eliminare le fonti di inquinamento ambientale prodotte da acque di scarico urbane e industriali mediante sviluppo di tecnologie depurative ad alta efficienza ed in linea con le esigenze della sostenibilità ambientale il cui ambizioso obiettivo è quello di “full recovery and zero discharge”.
La protezione ambientale e il disinquinamento di aree compromesse richiede infatti lo sviluppo di tecnologie caratterizzate da elevate efficienze depurative in grado di produrre acqua depurata di elevata qualità che, nell’ottica degli impianti di depurazione quali “fabbriche verdi”, possa essere riutilizzata in vari ambiti (irriguo, produzione di energia, ricreativo, industriale, ricarica delle falde, potabile, ecc..) nel caso di reflui urbani e all’interno del ciclo di produzione per i reflui industriali.
E’ importante, inoltre, sottolineare che l’incremento demografico e lo sviluppo economico degli ultimi decenni e, nel caso specifico dell’Italia, la sovrapposizione stagionale della domanda da parte di alcuni settori produttivi (agricoltura, turismo) hanno condotto ad un marcato incremento dei consumi idrici e di energia che richiede un incremento delle risorse disponibili. Le acque reflue domestiche oltre al loro rilevante contenuto in sostanze fertilizzanti, hanno la non comune caratteristica di essere “acque dolci” e come tali preziose offrendo una disponibilità non stagionale ma continua. Non è più sostenibile, infatti, soddisfare i crescenti fabbisogni idrici di una agricoltura sempre più esposta ai cambiamenti climatici con nuovi invasi o prelievi dalle falde. Recuperare e valorizzare gli ingenti quantitativi di acqua che vengono scaricati dai depuratori non solo può contribuire a mitigare le ricorrenti crisi idriche che affliggono il mondo agricolo ma può dare un concreto sviluppo a nuove filiere nel settore delle bio-agri energie.
Le esigenze di un efficace trattamento e riutilizzo sono ancor più evidenti nel settore industriale in cui le acque di scarico sono caratterizzate dalla presenza di inquinanti tossici e persistenti che se dispersi nell’ambiente costituiscono un serio pericolo per la salvaguardia ambientale e della salute umana. E’ necessario pertanto integrare strategie gestionali nel ciclo produttivo che minimizzino il consumo delle acque favorendone il riciclo supportato da efficienti tecnologie per il trattamento.
Un contributo per far fronte all’incremento della richiesta di energia (stimato nel 35% pro-capite tra il 2010 e il 2030) e alla riduzione dei gas serra al 55% nel 2030 (e al raggiungimento della neutralità climatica nel 2050) può essere fornito dalle acque reflue urbane. Esse costituiscono una fonte di energia rinnovabile che può essere utilizzata sia per il condizionamento degli edifici e sia per la produzione di acqua sanitaria (voci responsabili del 35% delle emissioni totali di CO2), riducendo così la richiesta di energia primaria e, quindi, l’emissione di gas serra. Inoltre, al carico di inquinanti organici e ai fanghi che si formano durante il processo depurativo è associato un contenuto di energia che può essere recuperato mediante processi biologici a basso impatto con produzione di combustibili alternativi quali metano o idrogeno.
La depurazione spinta, il riutilizzo delle acque reflue e dei fanghi ed il recupero di risorse ed energia sia nel settore urbano che industriale richiedono lo sviluppo di nuove filiere di trattamento e di gestione delle acque depurate sulle quali è focalizzata l’attività dell’IRSA nel settore delle tecnologie che fa tesoro di un patrimonio di esperienze e competenze costruite nel corso di un lunghissimo periodo seguendo l’evoluzione dei sistemi depurativi sia a livello nazionale che internazionale.

……. gli investimenti previsti nella linea di intervento 4.4 mirano a rendere più efficace la depurazione delle acque reflue scaricate nelle acque marine e interne, anche attraverso l’innovazione tecnologica….

L’esigenza di elevati standard qualitativi degli effluenti depurati al fine di proteggere le acque marine ed interne, è uno dei temi centrali dell’attività dell’Istituto che ha condotto allo sviluppo di sistemi innovativi di trattamento sia per reflui urbani che industriali basati sia su processi biologici che di ossidazione avanzata in grado di migliorare sensibilmente la qualità degli effluenti finali, anche in termini di inquinanti persistenti e tossici e di ridurre la produzione di fanghi e l’emissione di odori. Le competenze presenti in Istituto consentono di seguire tutto l’iter evolutivo delle tecnologie partendo dalla scala di laboratorio, curandone il trasferimento alla scala pilota e dimostrativa sino alla brevettazione e all’applicazione in piena scala.

……la rete fognaria e depurazione italiana, obsoleta e non sempre presente, risulta spesso non in linea con le Direttive europee…….

Le competenze dell’IRSA nella progettazione e nella gestione degli impianti di depurazione consentono di pianificare efficacemente l’upgrading di reti fognarie e degli impianti esistenti con diversi approcci. Per gli aspetti ingegneristici l’impiego di modelli matematici di dimensionamento e verifica degli impianti di trattamento consente di verificare “in tempo reale” lo stato attuale di funzionamento dell’impianto e simulare gli scenari futuri per diverse strategie di upgrading al fine di effettuare le scelte ottimali.

L’attività nel settore modellistico è complementare alla caratterizzazione microbiologica delle specie batteriche che catalizzano i processi biologici e l’Istituto è dotato di strumentazione all’avanguardia e competenze professionali in grado di caratterizzare i microrganismi con obiettivi che vanno dal monitoraggio alla caratterizzazione funzionale per l’ottimizzazione delle prestazioni e la diagnostica in caso di malfunzionamento dell’impianto.

L’IRSA è inoltre in grado di fornire supporto alle amministrazioni centrali per l’adeguamento delle normative nazionali a quelle europee e per la revisione di queste ultime, con particolare riferimento al settore delle acque (ad es. Direttiva reflui urbani 91/271/EEC, Water Framework Directive, ecc.)

…..gli impianti di depurazione saranno trasformati in “fabbriche verdi”, per consentire il recupero di energia e fanghi, e il riutilizzo delle acque reflue depurate per scopi irrigui e industriali…

Le attività di ricerca dell’Istituto nel settore depurativo dei reflui urbani sono focalizzate su tecnologie innovative di trattamento che, operando con processi biologici, rispondono ai requisiti di sostenibilità nell’ottica del “3R concept” ossia RIDUZIONE di consumi energetici, spazi e impatti, RIUTILIZZO di acqua depurata, RECUPERO di energia e risorse. Vengono investigati a diversa scala, dal laboratorio al pilota, sistemi di depurazione che soddisfano tali requisiti e, rispetto ai trattamenti convenzionali, presentano, in linea con l’approccio delle “fabbriche verdi”, una serie di vantaggi quali la produzione di energia sia nella linea acque (a bassa o alta entalpia) che nella linea fanghi, la ridotta produzione di fanghi, il possibile recupero di nutrienti per l’agricoltura e la riduzione delle volumetrie e del footprint degli impianti.

L’Istituto è anche tra i pionieri nello sviluppo di innovative tecnologie bioelettrochimiche di depurazione che, sfruttando la capacità di microrganismi “elettro-attivi”, consentono di produrre direttamente energia elettrica, idrogeno e/o altri prodotti chimici di interesse dal trattamento di acque reflue. Questi nuovi approcci consentono di ribaltare l’attuale paradigma della depurazione, trasformando gli impianti di trattamento in potenziali bioraffinerie del futuro.

La possibilità di utilizzare gli effluenti degli impianti di depurazione come una risorsa aggiuntiva in grado di integrare le disponibilità idriche convenzionali in diversi ambiti (irriguo, industriale, potabile) è ormai consolidata e regolamentata in ambito europeo (ad esempio il Regolamento EU-2020/741 per il riuso irriguo). L’IRSA, anche grazie all’esperienza acquisita collaborando con istituzioni ed organismi europei e internazionali, può offrire un importante contributo all’identificazione e alla messa in atto delle più opportune strategie e/o schemi di processo per il riutilizzo degli effluenti depurati ad uso irriguo e la conservazione delle risorse idriche.

Le attività di ricerca condotte presso l’IRSA per il riutilizzo dei fanghi in agricoltura sono improntate alla valorizzazione del loro contenuto di carbonio e nutrienti che ne fanno un prezioso ammendante. Obiettivo primario è il miglioramento della qualità dei fanghi prodotti per un riutilizzo in sicurezza con lo sviluppo di processi di trattamento per la rimozione di agenti patogeni e composti tossici.

……migliorando lo stato di qualità ecologica e chimica dell’acqua, la gestione a livello di bacino e l’allocazione efficiente della risorsa idrica tra i vari usi/settori (urbano, agricoltura, idroelettrico, industriale…

Il miglioramento dello stato di qualità ecologica e chimica dell’acqua richiede la riduzione degli impatti antropici a cui il contributo delle emissioni acquose originate dalle attività industriali fornisce un consistente apporto. Ancor di più che per le acque reflue urbane, il trattamento dei reflui industriali rappresenta una sfida in considerazione della tossicità e persistenza nell’ambiente che caratterizzano gli inquinanti di origine industriale. Le attività in corso in Istituto in tale settore hanno come obiettivo quello di sviluppare processi e tecnologie in grado di garantire elevati livelli di rimozione degli inquinanti e al tempo stesso, nell’ottica della sostenibilità, consentire il recupero di energia e componenti con significativo valore di mercato quali ad esempio metalli, acidi volatili etc… In termini di efficiente allocazione delle risorse nel settore industriale, l’obiettivo è quello di minimizzare i consumi delle acque e massimizzarne il riuso all’interno ciclo produttivo.

Gli obiettivi menzionati sono quelli raccomandati dalla Direttive Europee “Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC) (96/61/EC)” e “Industrial Emissions Directive (IED) (2010/75/EU)” che prevedono nel trattamento dei reflui industriali l’impiego delle “Best Available Technologies (BATs)” ossia le migliori tecnologie disponibili in grado di garantire la massima efficienza in termini di salvaguardia della salute umana e dell’ambiente.

Progetti attivi nel 2021 (i dati si riferiscono al budget totale dei progetti):

2 Progetti istituzionali Europei/internazionali (593.523 €)
6 Progetti istituzionali nazionali/regionali (1.507.922 €)
8 Progetti commerciali (552.136 €)

Brevetti e software registrati:

• Impianto per il trattamento dei reflui urbani (2017). Brevetto n. 10220117000130809
• Processo per la produzione di biogas tramite digestione anaerobica di fanghi di depurazione pretrattati chimicamente (2016) invenzione per brevetto n. IT201600121031A1;
• Plant and method for treating urban waste water (2019): Patent WO 2019097463 (PCT) attualmente applicato in piena scala con la stipula di un contratto di sfruttamento commerciale;
• BICARBO (1998) – Procedimento per la determinazione della concentrazione di bicarbonati in soluzioni contenenti anche altre coppie acido-base deboli, particolarmente per processi biotecnologici e relativa apparecchiatura. Nr. Brevetto: 01289962;
• ASCAM (Activated Sludge Computer Aided Modelling) (1999): software per il dimensionamento e l’analisi dinamica di impianti a fanghi attivi operanti la rimozione biologica di substrato carbonioso, azoto e fosforo. Numero di riferimento: 001322.

Presenza in organismi di supporto alle Istituzioni:

• EC Mission Assembly on Soil Health and Food.
• Water Europe – Working Group on Water and Agri-food;
• Water Reuse Europe;
• EC/DG ENV Ad-hoc Task Group (ATG) on Water Reuse;
• Ambiente: Piattaforma italiana del Fosforo;
• Ambiente: Tavolo tecnico sulla definizione di criteri di indirizzo nazionali per gli impianti di dissalazione;
• Ambiente: Gruppo di lavoro sul regolamento EU 2020/741 sul riuso delle acque;
• Regione Puglia: Gruppo di lavoro per la definizione del piano regionale per la gestione dei fanghi di depurazione.

Presenza in organismi di orientamento strategico della ricerca:

• L’Istituto è attivamente coinvolto nelle attività dell’IWA (International Water Association) associazione di riferimento per le attività di ricerca sulle acque a livello mondiale. In particolare è coinvolto nei gruppi specialistici: Sustainability in the Water sector, Chemical industries, Anaerobic Digestion, Modelling and Integrated Assessment, Microbial Ecology and Water Engineering.

Partecipazione al Network scientifico internazionale NORMAN – Network of reference laboratories, research centres and related organisations for monitoring of emerging environmental substances.