Produzione di biomasse energetiche irrigate con acque reflue depurate tramite sistemi di fitodepurazione

The aim of this study was to evaluate the sustainability of biomass energy production in Mediterranean area, optimizing the use of water resources in both quantitative (deficit irrigation) and qualitative terms (use of wastewater treated by environmental systems, such as constructed wetlands). The research was carried out in an experimental field of Vetiveria zizanoides (L.) Nash, Miscanthus x Giganteus Greef et Deu. and Arundo donax (L.) .), Lytrum salicaria (L.), Typha latifolia (L.), Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steudel e Sorghum bicolour (L.) Moench irrigated with the effluent from the adjacent constructed wetland plant used as tertiary treatment of part of wastewater produced by small urban centre. The volumes of water distributed were about to the 33%, 66% and 100% of evapotranspiration (ETc) losses calculated with the Priestley-Taylor formula, implemented with the data of the meteorological station located close to experimental site. Physical, chemical and microbiological analyses were carried out on wastewater samples; bio-agronomical analysis on herbaceous species were made with the goal to evaluate the main parameters such as dimension, dynamics of the growth , productivity and energy characterization. Furthermore, the productivity and evapotranspiration of Phragmites australis plated in a full-scale and in pilot scale constructed wetland plants were evaluated. The productivity of Arundo donax, Vetiveria zizanoides, Myscanthus x giganteus Sorghum bicolor was significantly higher than that of other species grown in the open field. In particular, Vetiveria was the most productive species with the highest dry biomass (about 77 t ha-1) higher than 126%, 120% and 35% of the highest productivity detected, for miscanthus, sorghum and common reed. As expected, irrigation was beneficial in general and the full ET replenishment (100%) increase the biomass productivity . The results of dry biomass production showed that the beginning of the winter season is the most appropriate period to collect biomass. Beyond this period, the loss of dry biomass due to the senescence of plant tissues, is relevant. Arundo donax showed the greatest energy efficiency, followed by Vetiveria and miscanthus. The dry biomass production of common read planted in the constructed wetland system reached up to about 69 t ha-1and produced a maximum energy power of about 956 GJ ha-1, more than twice that of Arundo donax cultivated in open field. The high vegetative growth of Phragmites australis was associated to a strong evapotranspiration, evapotranspiration rates were 50.4 mm day-1 associated with decadal values of crop coefficient between 0.9 and 7.4.

L’attività di ricerca oggetto della presente tesi di dottorato, è stata finalizzata alla valutazione della sostenibilità in ambiente mediterraneo della produzione di biomasse energetiche ottimizzando l’impiego di risorse idriche sia in termini quantitativi (irrigazione deficitaria) sia in termini qualitativi (utilizzo di acque reflue depurate mediante sistemi di trattamento ecosostenibili, quali la fitodepurazione). L’indagine è stata condotta in pieno campo su parcelle di Vetiveria zizanoides (L.) Nash, Miscanthus x Giganteus Greef et Deuter, Arundo donax (L.), Lytrum salicaria (L.), Typha latifolia (L.), Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steudel e Sorghum bicolour (L.) Moench irrigate con le acque reflue depurate da un adiacente impianto di fitodepurazione che effettua il trattamento terziario di parte dei reflui prodotti da un piccolo centro urbano. L’attività di ricerca ha previsto la restituzione irrigua del 33%, 66% e 100% dell evapotraspirazione colturale (ETc) calcolata mediante la formula di Priestley-Taylor implementata con i dati raccolti da una vicina stazione meteorologica. Nel corso di tre stagioni colturali, sono state condotte analisi chimico-fisiche su campioni di acque irrigue e rilievi bio-agronomici per la valutazione dei principali caratteri morfo-biometrici delle piante erbacee. Infine, sono stati raccolti una serie di campioni della biomassa epigea per la valutazione della produttività delle singole specie erbacee e per la relativa caratterizzazione energetica. L’attività sperimentale è stata integrata da un’indagine condotta su impianti di fitodepurazione, a scala reale e pilota, per la valutazione della produttività e della domanda evapotraspirativa della Phragmites australis in essi vegetata. Dalle indagini è emerso che i quantitativi di biomassa aerea prodotti dall Arundo donax, la Vetiveria zizanoides, il Myschantus x giganteus ed il Sorghum bicolor sono risultati decisamente superiori a quelli delle altre specie coltivate in pieno campo. In particolare, la vetiver è risultata la specie più produttiva con rese massime in biomassa secca pari a circa 77 t ha-1, significativamente superiori di circa il 126%, 120% e 35% alle massime produttività rilevate, rispettivamente, per miscanto, sorgo e canna comune. Per tutte le specie allo studio la completa restituzione dell’evapotraspirato ha determinato una maggiore produttività. I risultati produttivi hanno evidenziato che il periodo più idoneo per effettuare la raccolta della biomassa epigea è l’inizio della stagione invernale. Oltre tale data le perdite di sostanza secca, provocate dai fenomeni di senescenza dei tessuti vegetali, sono risultate rilevanti. Dalla caratterizzazione energetica è emersa la maggiore efficienza dell Arundo donax, seguita dalla vetiver e dal miscanto. Nell’impianto di fitodepurazione la cannuccia di palude ha raggiunto una resa in biomassa secca fino a circa 69 t ha-1, producendo un output energetico massimo di circa 956 GJ ha-1 superiore di ben due volte a quello dell Arundo donax coltivato in pieno campo. Insieme all elevato sviluppo vegetativo della Phragmites australis è stata rilevata una sua consistente domanda evapotraspirativa, con tassi di evapotraspirazione fino 50,4 mm giorno-1 associati a valori decadali del coefficiente colturale compresi tra 0,9 e 7,4.