Uso sostenibile di acque e biomassa provenienti da zone umide nelle aree interne della Sicilia

Under the current increasing water and energy demand scenario due to climate change phenomena, particular importance is reserved to all the systems and management strategies which allow to achieve good water quality and energy savings. The general aim of this thesis is focused on the enhancement and sustainable use of wastewater (WW) and biomass from natural and treatment wetlands (TWs) for a better resources management. Specifically, this thesis would promote water and energy conservation strategies through (i) the treatment of WW from small and medium-sized civil and agro-industrial settlements, making use of natural treatment systems, to increase the availability of water resources in inner areas of Sicily; (ii) the possibility of using, for bioenergy production by anaerobic digestion, the biomass vegetation from both natural and TWs as energy crop, in order to mitigate the risk of streams flooding and to support the maintenance interventions costs; and (iii) the availability of remote sensed data free that, in combination with GIS tools, allow to monitor riparian ecosystem dynamics to mitigate the effects of natural hazards. In particular, a GIS-based methodology for the identification of giant reed (GR) spatial distribution was implemented, allowing to map GR with an acceptable accuracy value and to quantify its availability in the Calatino area (South-East Sicily, Italy) for biogas and biomethane productions. A Biochemical Methane Potential (BMP) testing approach was used to evaluate the GR aerial biomass potential for biogas production at different harvest times, showing that the retrieval of riparian vegetation for energy purpose represents a sustainable way to recover management costs and to reduce some environmental impacts. Furthermore, the possibility to integrate the bioenergy production into TWs and the horizontal subsurface treatment wetland (HSTW) hydraulic conductivity of the substrate influence on the biomethane yield were investigated. The results showed the successfully possibility of integrating the potential removal role of common reed (CR) vegetation with the bioenergy production into TWs, due to CR has shown the potential to act as an energy crop to produce satisfactory methane yield. Also, HSTW hydraulic conductivity appeared to influence the methane yield by plant growth. In addition, the new century's challenges as global warming and climate change have pushed several authors to study TWs also in terms of environmental sustainability. The effects of solids accumulation on GHG emissions, substrate, plant growth and performance of a Mediterranean HF-TW planted with Phragmites australis were evaluated. Pore clogging appeared to affect carbon dioxide (CO2) emissions, which decreased from the inlet to the outlet. Finally, an analytical method (i.e. P-k-C* model) was calibrated and validated, in order to model the TWs treatment response, simulating, among others, NO3-, COD and microbiological removal through the assessment of the TWs key design parameters. The performance of the model in COD, BOD5 and NO3- simulation at the outlet of all TWs was very good in most of the cases, as also evaluated in terms of R2, NSE and RMSE.

Nell’attuale scenario globale di aumento della domanda di acqua ed energia, dovuto al fenomeno del cambiamento climatico, particolare importanza assumono tutti i sistemi e le strategie di gestione che permettono di raggiungere una buona qualità dell’acqua ed un risparmio energetico. Lo scopo generale di questa tesi è quello di contribuire alla valorizzazione e all’utilizzo sostenibile delle acque reflue e delle biomasse provenienti dalle zone umide naturali e dagli impianti di fitodepurazione per una migliore gestione delle risorse. Nello specifico, questa tesi promuove strategie di conservazione di acqua ed energia attraverso: (i) il trattamento delle acque reflue provenienti da medi e piccoli insediamenti civili e agro-industriali, utilizzando i sistemi di trattamento naturali per aumentare la disponibilità della risorsa acqua nelle aree interne della Sicilia; (ii) l’utilizzo della vegetazione proveniente sia dalle zone umide naturali che dagli impianti di fitodepurazione come coltura energetica per la produzione di bioenergia mediante il processo di digestione anaerobica, al fine di ridurre i costi di gestione e manutenzione della biomassa ripariale e mitigare il rischio idraulico; (iii) la valutazione e il monitoraggio delle dinamiche degli ecosistemi ripariali attraverso la disponibilità di dati telerilevati in combinazione con strumenti GIS. In particolare, è stata messa a punto una metodologia GIS per l’identificazione della distribuzione spaziale della canna comune, che ha permesso di identificarla con buona accuratezza e di quantificarne la sua disponibilità nell’area del Calatino (Sud-Est Sicilia, Italia) per la produzione di biogas e biometano. Inoltre, è stato implementato un approccio per la verifica del potenziale biochimico metanigeno al fine di valutare il potenziale in termini di produzione di biogas della biomassa aerea della canna comune in diverse epoche di raccolta, dimostrando che il recupero della vegetazione ripariale a scopo energetico rappresenta un modo sostenibile per ridurre i costi di manutenzione della biomassa e per l’impatto ambientale. Sono state, quindi, investigate la potenzialità di produrre bioenergia negli impianti di fitodepurazione e l’influenza che la conducibilità idraulica del substrato di un impianto di trattamento naturale a flusso sub superficiale orizzontale ha sulla resa in metano della biomassa. I risultati hanno dimostrato la possibilità di integrare con successo il ruolo depurativo della cannuccia di palude con la produzione di bioenergia in un sistema di fitodepurazione, grazie alla sua soddisfacente resa in metano nonostante non sia una coltura energetica. La conducibilità idraulica osservata nel sistema di trattamento naturale a flusso sub superficiale orizzontale sembra influenzare lo sviluppo delle piante e, di conseguenza, la loro resa in metano. Le sfide del nuovo secolo, come il riscaldamento globale e i cambiamenti climatici, hanno incentivato diversi autori a studiare gli impianti di fitodepurazione anche in termini di sostenibilità ambientale. Sono stati, dunque, valutati gli effetti che l’accumulo di fango all’ingresso degli impianti di fitodepurazione può avere sull’emissione dei gas serra, sulla conducibilità idraulica del substrato, sulla crescita delle piante e sulla performance di un impianto di fitodepurazione situato nel bacino del Mediterraneo e piantumato con la Phragmites australis. Il progressivo ed inevitabile intasamento del substrato in corrispondenza dell’ingresso del refluo all’impianto di fitodepurazione sembra influire sulle emissioni di anidride carbonica, che dai risultati ottenuti diminuiscono dall’ingresso all’uscita del sistema di trattamento. Infine, è stato calibrato e validato un metodo analitico denominato P-k-C*, al fine di ottimizzare la risposta, in termini di trattamento, di un impianto di fitodepurazione, simulando la rimozione degli inquinanti (NO3-, COD e microbiologici) attraverso la stima dei parametri di progettazione del sistema di trattamento. La performance del modello nella simulazione all’outlet di COD, BOD5 e NO3- è stata quasi sempre soddisfacente ed è stata anche valutata in termini di R2, NSE e RMSE.