Il tema della decarbonizzazione, ovvero la riduzione dell’impronta di carbonio con un progressivo incremento della produzione di energia rinnovabile, è diventato molto importante in questi ultimi tempi. La decarbonizzazione si riferisce al processo di riduzione delle emissioni di anidride carbonica (CO2) in atmosfera. L’anidride carbonica è uno dei principali gas responsabili dell’effetto serra e del cambiamento climatico, pertanto. la decarbonizzazione è un obiettivo chiave per mitigare gli impatti negativi dovuti al riscaldamento globale.

La decarbonizzazione può riguardare diversi settori e attività che producono emissioni di CO2. Ad esempio, può essere applicata all'industria, all'energia, ai trasporti ed agli edifici. L'obiettivo è ridurre l'uso dei combustibili fossili, come il carbone, il petrolio e il gas naturale, che sono fonti di emissioni di CO2 quando vengono avviati a combustione. Ciò può essere realizzato sostituendo tali combustibili con fonti di energia rinnovabile, come l'energia solare, l'energia eolica e l'energia idroelettrica, che non emettono CO2 durante la produzione di energia.

L'obiettivo del settore idrico è quello di rispondere alle varie esigenze della società per accedere all'acqua pulita e all'igiene per salvaguardare l'ambiente, coerentemente con gli obiettivi di sviluppo sostenibile (SDG). Tuttavia, ora è cruciale che questo settore, responsabile dell'utilizzo delle risorse, agisca anche per contrastare il cambiamento climatico.

A livello globale, le città e le aziende di servizi pubblici stanno compiendo passi significativi per raggiungere emissioni nette pari a zero di carbonio. Per esempio, molte città stanno adottando misure per migliorare l’efficienza nella distribuzione, nella raccolta e nel trattamento delle acque adottando tecnologie per il risparmio idrico, la riduzione delle perdite nelle reti idriche e l’utilizzo di metodi di irrigazione efficienti in agricoltura. Queste azioni comportano il miglioramento dell'efficienza delle attuali pratiche di gestione dell'acqua e l'implementazione di nuovi processi e tecnologie che offrono diverse modalità di utilizzo delle risorse.

Il momento attuale offre una buona opportunità per il settore idrico di diventare un attore chiave per un’economia a basso tenore di carbonio. Il settore idrico sta affrontando la pressione dei cambiamenti climatici per trovare soluzioni sostenibili. Per raggiungere questo obiettivo, è necessario impegnarsi per identificare e applicare tecnologie innovative per il trattamento dell'acqua potabile, nonché per la distribuzione e la gestione delle acque reflue. Ciò richiede l'applicazione di tecniche innovative rese disponibili dalla ricerca, nonché la formazione di partenariati strategici con organizzazioni, compresi i regolatori, per implementare queste soluzioni in modo olistico.

Uno dei modi per facilitare la transizione verso un futuro a basso tenore di carbonio è quello di potenziare le aziende di servizi pubblici ed i loro utenti a adottare modelli basati su dati che possano integrare ed ottimizzare efficacemente dispositivi elettromeccanici intelligenti (pompe, valvole, sensori ed attuatori). In questo modo, i livelli del servizio possono essere ottimizzati riducendo al contempo l'impronta di carbonio.

La decarbonizzazione in un impianto di trattamento di acque reflue

In un impianto di trattamento delle acque reflue, il consumo di energia per operazioni come il pompaggio e l'aerazione contribuisce significativamente alle emissioni di CO2. La quantità di CO2 emessa dal processo di trattamento delle acque reflue può variare a seconda della tipologia di trattamento utilizzato, delle dimensioni dell'impianto e della fonte di energia; ad esempio, negli Stati Uniti, le emissioni di gas serra sono comprese tra <0.1 – 0.65 kg CO2 eq/m3 di acqua trattata (Zib III et al., 2021).

Generalmente, una strategia per ridurre le emissioni di gas serra dagli impianti di trattamento delle acque reflue è quella di aumentare l'efficienza energetica utilizzando fonti di energia rinnovabile come energia solare, eolica o idroelettrica. Un'altra strategia è quella di catturare e utilizzare il metano prodotto durante il processo di trattamento anaerobico come fonte di energia rinnovabile.

Oltre alle emissioni di gas serra, il processo di trattamento delle acque reflue può anche contribuire ad altri impatti ambientali come l'eutrofizzazione e l'inquinamento dei corpi idrici ricettori. Pertanto, l'attuazione di pratiche sostenibili per il trattamento delle acque reflue può contribuire a mitigare questi impatti ambientali riducendo le emissioni di gas serra e contribuendo alla sostenibilità ambientale complessiva.

Vi sono tre comparti che meritano un’attenzione speciale nel contesto di riduzione delle emissioni in un impianto di trattamento:

·         il sollevamento iniziale delle acque reflue,

·         il trattamento biologico (o secondario),

·         la linea di trattamento fanghi.

-          Sollevamento delle acque reflue

Il miglioramento dell’efficienza delle stazioni di sollevamento può essere raggiunto attraverso diverse modalità.

Il primo passo è la corretta selezione dei componenti, il dimensionamento appropriato del sistema ed il controllo/la regolazione. Una corretta selezione dei componenti della stazione di sollevamento (es. pompe, motori ad alta efficienza energetica e accoppiamenti meccanici) gioca un ruolo fondamentale in termini di consumo di energia, costi ed emissioni di gas serra.

Alcune delle misure di attuazione per migliorare l'efficienza del pompaggio e ridurre le emissioni sono:

-          Effettuare un dimensionamento corretto, garantendo che la dimensione dei tubi e delle pompe sia appropriata per garantire la riduzione della pressione di testa, che può contribuire a ridurre la quantità di energia richiesta per il pompaggio.

-          L'implementazione di convertitori di frequenza (Variable Frequency Drives- VFD) può aiutare a ridurre il consumo di energia controllando la velocità del motore della pompa in base alla domanda effettiva di flusso.

-          Ridurre le perdite di pressione riducendo il numero di curve, ottimizzando la disposizione dei tubi e garantendo che i tubi siano puliti può contribuire a migliorare l'efficienza del pompaggio.

-          L'implementazione e l'installazione di sistemi di recupero dell'energia, quali turbine idroelettriche o valvole di riduzione della pressione, possono contribuire a recuperare energia.

-          Effettuare regolarmente la manutenzione delle pompe, assicurandosi che operino alla massima efficienza, può contribuire a ridurre il consumo di energia.

-          Trattamento secondario

Il trattamento secondario negli impianti di depurazione delle acque reflue prevede dei processi biologici come il processo a fanghi attivi, il quale utilizza microrganismi aerobici per rimuovere la sostanza organica e i nutrienti dalle acque reflue. Durante questo processo, la cattura di carbonio può avvenire attraverso diversi meccanismi.

Il trattamento secondario, per quanto riguarda l'uso dell'energia, contribuisce alle emissioni di gas serra attraverso la produzione di CO2 e N2O durante la rimozione del carbonio e dell'azoto dalle acque reflue.

In primo luogo, il carbonio può essere catturato come biomassa o prodotti di stoccaggio dai microrganismi durante l'ossidazione biologica della sostanza organica presente nelle acque reflue. Massimizzando il tasso di crescita della biomassa può aiutare ad aumentare la cattura di carbonio nel processo di trattamento.

In secondo luogo, il carbonio può essere rimosso attraverso l'ossidazione della sostanza organica in condizioni aerobiche (utilizzando ossigeno) o nitrati in condizioni anossiche (processi di denitrificazione). Ciò comporta la produzione di CO2 biogenica come sottoprodotto.

In terzo luogo, durante l'ossidazione dell'ammoniaca in condizioni aerobiche (nitrificazione), parte del carbonio viene convertita in CO2 che poi si rilascia nell’ atmosfera.

L’impronta di carbonio del trattamento secondario può essere ridotta utilizzando diverse strategie come:

-          Utilizzare sistemi di aerazione ad alta efficienza energetica, come i diffusori a bolle fini, che possono aiutare a ridurre il consumo complessivo di energia.

-          Ottimizzare le condizioni operative del processo come la temperatura, i livelli di ossigeno disciolto ed il pH può ridurre il consumo di energia e le emissioni di gas serra.

-          L'uso di fonti alternative di carbonio per alimentare il processo di denitrificazione può aiutare a ridurre le emissioni di gas serra.

-          L'uso di energie rinnovabili come l'energia eolica e solare può ridurre le emissioni di carbonio.

-          Assicurare la regolare manutenzione dei sistemi di aerazione e dei sensori online di ossigeno disciolto, ammoniaca e carbonio totale.

-          Trattamento dei fanghi

Un’altra strategia verso la decarbonizzazione dell’impianto di trattamento delle acque reflue riguarda la linea fanghi.

Per generare energia in modo sostenibile attraverso le acque reflue, gli impianti di depurazione utilizzano la digestione anaerobica che si basa sulla conversione del fango di depurazione in biogas in assenza di ossigeno. La chiave sta nel trovare un equilibrio tra la temperatura e le condizioni di mescolamento per una digestione anaerobica efficace con un’elevata produzione di biogas a costi minimi.

Infatti, il recupero di energia e calore dal biogas tramite combustione in motori cogenerativi può alimentare attrezzature e impianti presso gli impianti di depurazione stessi, riducendo la dipendenza dai combustibili fossili e le relative emissioni di gas serra.

La riduzione delle emissioni fuggitive di metano dovute alla combustione incompleta del biogas o dalla linea fanghi sono altresì importanti per la decarbonizzazione, in quanto il metano è un potente gas serra. Perciò catturando e utilizzando interamente il biogas disponibile, gli impianti di depurazione delle acque reflue possono ridurre la propria impronta di carbonio.

Le vie per la riduzione delle emissioni di carbonio

L'ottimizzazione dei processi negli impianti di depurazione è importante per raggiungere gli obiettivi di qualità dell'effluente e per massimizzare il recupero delle risorse ed incrementare la sostenibilità.

Il settore idrico può inoltre utilizzare gli indicatori chiave di performance (KPI, Key Performance Indicators) che consentono il confronto degli obiettivi di decarbonizzazione tra diversi impianti. Dato il significativo divario nell’ impronta di carbonio tra gli impianti di trattamento delle acque potabili e delle acque reflue, è vantaggioso implementare le migliori pratiche a partire dagli impianti di taglia maggiore aventi KPI di impronta di carbonio maggiori rispetto agli impianti di taglia simile. Ci sono diverse fonti che possono essere utili per approfondire questo argomento, per esempio la guida pubblicata dall’OMS (Organizzazione Mondiale della Sanità) sulle migliori pratiche per la gestione sostenibile dell’acqua, che include anche la riduzione delle emissioni di gas serra. Altre organizzazioni che si occupano di gestione delle acque e di sostenibilità ambientale sono WEF (Water Environment Federation) e AWWA (American Water Works Association) che possono fornire informazioni utili su questo argomento.

Desara Malluta

Laureata in Ingegneria Ambientale e Trattamento Acque, ha maturato esperienze lavorative per tre anni come Ingegnere Ambientale, ha conseguito un Master Scientifico in Gestione del Territorio e delle Acque, Irrigazione Agricoltura al CIHEAM Bari. Attualmente sta affrontando un Dottorato di Ricerca nel settore Trattamento delle Acque legato ai consumi energetici ed all’efficienza energetica.