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Leigue Fernandez, Maria Alejandra (2014) Phytoremediation of differents wastewaters using energy crops. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

The sources of renewable energy acquire considerable interest, if accompanied by a more rational use of energy, to facilitate the transaction by a high use of fossil fuels to a sustainable use of renewable energy. There are many alternative energy source such as wind, solar, geothermal and biomass that fulfil the criteria of sustainability and economic feasibility. Biomass refers to all the vegetable matter that can be obtained from photosynthesis. Biodiesel can be produced from a variety of feedstock; they are renewable, sustainable, biodegradable, and environmentally friendly.
Decentralized wastewater treatment systems are designed to operate at small scale; they not only reduce the effects on the environment and public health but also increase the ultimate reuse of wastewater depending on the community type, technical options and local settings. Used effectively, it promote the return of treated wastewater within the watershed of origin. Aquanova is a flexible system of decentralized processing in which every single supply in term of water resources, organic substance and energy and its subsequent disposal, once it has finished its function (wastewater sewerage, solid waste) is considered as a part of the close loop of the sustainable management. Aquanova provides for the source separation of municipal wastewater in three separate streams (brown waters, yellow waters and grey water) through the use of special toilet. The yellow and grey waters are treated in a wetland system, considered a low energy demand and limited environmental impact technology; these phytotreated waters can be reused for toilet flushing.
Landfill leachate can be defined as the liquid produced from the decomposition of waste and infiltration of rainwater in a landfill; it contains heavy metals, salts, nitrogen compounds and various types of organic matter. Generation of leachate occurs when moisture enters the refuse in a landfill, dissolves the contaminants into liquid phase and produces moisture content sufficient to initiate liquid flow. Leachate varies from one landfill to another, and over space and time in a particular landfill with fluctuations that depend on short and long-term periods due to variations in climate, hydrogeology and waste composition.
Phytoremediation is characterised by biological type treatments, in which the plants growing in water-saturated soil develop a key role for direct action of the bacteria that colonize the root system and rootstock. Practically, it consists of mitigating pollutant concentrations in contaminated soils, water or air with plants able to contain, degrade or eliminate contaminants. It has the advantage to be an in situ technology, but on the other hand it is a quite slow process as it is dependent on a plant's ability to grow in a stressed environment that is not ideal for the normal plant growth. The use of phytoremediation is one possibility to develop an economically and environmentally sustainable management of waste and polluted sites, which is raising interest in recent years.
The present research tested different wastewater streams, by the use of the decentralized Aquanova systems for the domestic wastewaters and landfill leachate. The wastewaters were treated through phytoremediation facilities; for each case of study it has been proposed oleaginous plants- known as energy crops- as species for the phytotreatment; subsequently the cultivated seeds were considered as suitable biomass for the production of biodiesel in a short time. All these aims were developed in four experimental phases; a greenhouse was used to control the temperature and the light exposition of the plants.
The first phase proceed with the phytotreatment using six 300 liters tanks filled with 10 cm coarse gravel and 30 cm of mixture soil, chosen the following crops: Helianthus annus (H), Glycine max (G) and Brassica napus (B). The wastewater components (grey and yellow waters) have been separated through the toilet facilities of the Aquanova project implementation at the LISA laboratory, as mentioned before. Half of the tanks were irrigated with increasing percentage of grey and yellow waters (0.1-3.5% YW and 99.9- 96.5% GW), and the other half with tap water as control units.
In the second phase, old landfill leachate was used as irrigation water. Coarse gravel was arranged in 10 cm drainage layer on the bottom of each pot; pure sand in half pots and a mixture of sand and clayey soil in the other half pots were used to build up a 30 cm deep growing layer. Half of the pots were irrigated with increasing leachate concentrations (2-30 % Leachate; 90 – 70% tap water), and the other half with tap water as control units. Brassica napus grew slowly compared to the other vegetal essences and it did not produce any flower and it was favoured by sand, rather than soil substrate; their response ca be attributed at the captivity inside the greenhouse.
According to the results obtained in the two previous phases, in the third phase Brassica napus was not used anymore. Here, the seeds (H & G) were germinated in LISA laboratory under controlled conditions, using different kinds of substrate and different leachate dilution in order to test the maximum leachate percentage to be used in the irrigation. Glycine max seeds presented better germination at 5% of diluted leachate and in sand substrate, while Helianthus annus seeds had a better germination on soil mixed with concentrated solutions at 10% to 20% of leachate. The irrigation water was decided as a mixture of 20% leachate and 80% grey water. The same greenhouse and the same pots were used, half of those irrigated only with tap water as control.
Last experimental phase was performed in the same (eight) tanks used in phase 1 (four for each species, Helianthus annus and Glycine max) inside the greenhouse. Six tanks were irrigated with the leachate mixture (10 - 60% leachate and 90 - 40% tap water) and the other two with tap water as control.
The results of the whole research can be summarized as removal efficiencies of each tested analytical parameter. Analysis was performed in double. Mass balance of the two representative parameters as nitrogen and phosphorus was performed. The phytotreatment did not inhibit the growth of the species: in fact the energy crops produced bigger biomass and roots length with wastewater feeding rather than with tap water in each experimental phase, in similar way with the production of seeds. Nutrient removal by the plants was fully effective until the flowering point and after that, removal rates started decreasing. As grey water revealed lacking in nutrients, the increasing percentage of urine until 3.5 % in the feeding (phase 1), was crucial for the growth of the plants. The percentage of 20% leachate in the mixture has showed the best results in terms of growth of the plants and Nitrogen & Phosphorus removal efficiencies. The sand was not a good substrate for the growth of the plants, even if the irrigation water was leachate, rich in nutrients, except for Brassica napus. With mixed soil, better performances in removal rates were obtained

Abstract (italiano)

Per far fronte alla crescente necessità di sostituire i combustibili fossili come risorsa energetica si sta ponendo sempre più attenzione all’utilizzo delle sorgenti rinnovabili soprattutto se accompagnato da un uso razionale dell’energia stessa. Tra le sorgenti di energia alternative ormai note come il vento, il sole e la geotermia, anche le biomasse soddisfano i principali criteri di sostenibilità ed di fattibilità economica. Per biomasse si intende tutta quella materia di origine organica che può essere ottenute dalla fotosintesi.
I sistemi di trattamento delle acque decentralizzati sono progettati per lavorare su piccola scala; essi non solo riducono l’impatto sull’ambiente e sulla salute pubblica, ma massimizzano anche il riuso dell’acqua di rifiuto per diversi scopi che dipendono dal tipo di comunità fruitrice del servizio, da opzioni progettuali o dalle località in cui vengono costruiti. Questo riuso delle acque reflue, se utilizzato in modo efficace, favorisce il ritorno delle acque trattate all'interno del bacino di origine. Il Sistema Aquanova è un sistema di trattamento delle acque decentralizzato e flessibile nel quale ogni singolo flusso in termini di risorsa d’acqua, sostanza organica ed energia ed il suo smaltimento finale è considerato come parte di un ciclo chiuso di un sistema di gestione sostenibile. Il Sistema Aquanova prevede la separazione delle acque di rifiuto civili in tre flussi: acque grigie, acque brune e acque gialle (separate tra loro attraverso l’uso di una speciale toilette). Le acque grigie e quelle gialle sono trattate in un sistema assimilabile ad un’area umida; questo fitotrattamento delle acque permette il riutilizzo delle acque reflue negli sciacquoni delle toilette. E’ sistema che si avvale di una tecnologia a basso consumo energetico e con un impatto ambientale limitato.
Il percolato di discarica, può essere definito come il liquido prodotto dalla decomposizione dei rifiuti e infiltrazioni di acqua piovana in una discarica, contiene metalli pesanti, sali, composti azotati e vari tipi di materia organica. La generazione del percolato avviene quando l'umidità entra i rifiuti in una discarica, dissolve i contaminanti in fase liquida e produce umidità sufficiente per avviare il flusso del liquido. Il percolato varia da una discarica all'altra e nello spazio e nel tempo in un particolare discarica con oscillazioni che dipendono da periodi di breve e lungo termine, a causa di variazioni climatiche, idrogeologia e dei rifiuti composizione.
La tecnica della fitodepurazione consiste nell’abbassare le concentrazioni di inquinanti in suoli, acqua o aria contaminati con piante in grado di assorbire, degradare o eliminare i contaminanti stessi. E’ una tecnica caratterizzata da trattamenti di tipo biologico, nei quali le piante, che crescono su un suolo saturo d’acqua, sviluppano un ruolo chiave per l’azione diretta dei batteri che colonizzano il sistema radicale. Oltre ad essere un trattamento in situ, è caratterizzato da un processo lento che dipende dall’abilità delle piante di crescere in un ambiente stressato e non ideale per la loro crescita. Negli ultimi anni si sta guardando all’utilizzo di questa tecnica come alla possibilità di sviluppare un sistema di gestione delle bonifiche dei siti contaminati e delle discariche sostenibile sia dal punto di vista economico che ambientale.
Questo lavoro di ricerca ha voluto testare, con l’ausilio del Sistema Aquanova, la tecnica della fitodepurazione, utilizzando piante oleaginose (note come energy crops) irrigate con diversi reflui e fatte crescere in serra per poter controllare la temperatura e l’esposizione luminosa delle piante. Sui semi ottenuti dalle varie essenze sono state effettuate alcune analisi per testare la loro come materia prima per la produzione di biodiesel.
Il lavoro è stato sviluppato in quattro fasi sperimentali.
Nella prima fase sono state usate sei vasche da 300 litri contenenti 10 cm di ghiaia grossolana, posti sul fondo come strato drenante, e 30 cm di suolo misto, su cui sono state fatte crescere le seguenti piante: Helianthus annus, Glycine max and Brassica napus. Le componenti del refluo usato per l’irrigazione (acqua grigia e acqua gialla) sono state separate attraverso la toilette utilizzata nel Sistema Aquanova che si trova presso il laboratorio LISA del Dipartimento ICEA. La metà delle vasche è stata irrigata con percentuali crescenti di acqua grigia (99.9-96.5%) e acqua gialla (0.1-3.5%), mentre l’altra metà è stata irrigata con acqua di rete ed usata come controllo.
Nella seconda fase sono stati usati dei vasi contenenti tutti 10 cm di ghiaia grossolana, posti sul fondo come strato drenante, e 30 cm di suolo diverso: metà dei vasi sono stati riempiti con solo sabbia, l’altra metà con una miscela di sabbia e terreno argilloso. Metà dei vasi è stata irrigata con acqua di rete miscelata a percentuali crescenti di percolato di una vecchia discarica (2-30 %), mentre l’altra metà è stata irrigata con acqua di rete ed usata come controllo. Le essenze piantate sono state le stesse della prima fase. Alcune di esse, come la Brassica napus, piantate sulla sabbia sono cresciute più lentamente delle altre e senza produrre fiori: questo comportamento può essere attribuito alla crescita in cattività all’interno della serra.
A causa del suo comportamento nelle precedenti fasi l’essenza Brassica napus è stata eliminata dalla terza fase. In questa fase i semi delle essenze Helianthus annus e Glycine max sono stati fatti germinare in laboratorio in condizioni controllate, utilizzando diversi tipi di terreni e diverse percentuali di percolato in acqua di rete, allo scopo di testare la massima percentuale di percolato da usare per l’irrigazione. I semi di Glycine max hanno presentato una migliore germinazione su sabbia irrigata con una percentuale di percolato in acqua pari al 5%, mentre i semi di Helianthus annus hanno germinato meglio sul terreno argilloso irrigato con una percentuale di percolato in acqua pari al 10 e al 20%. Si è quindi deciso di irrigare gli stessi vasi della seconda fase con una miscela contenente il 20% di percolato e l’80% di acqua grigia. La metà dei vasi è stata irrigata con acqua di rete ed usata come controllo.
Nell’ultima fase sperimentale sono state usate le stesse vasche (otto) della prima fase, quattro per ogni essenza (Helianthus annus e Glycine max), all’interno della serra. Sei vasche sono state irrigate con una miscela di percolato (10-60%) e acqua di rete (90-40%), le altre due solo con acqua di rete ed usate come controllo.
I risultati dell’intero lavoro si possono riassumere in termini di efficienza di rimozione di ogni parametro analitico misurato. Le analisi sono state effettuate in doppio ed è stato calcolato il bilancio di massa per i parametri più significativi (fosforo e azoto).
Il fitotrattamento non ha inibito la crescita delle essenze, anzi le piante irrigate con acque di rifiuto, in tutte le fasi, possedevano più biomassa e un apparato radicale più lungo di quelle irrigate con acqua di rete. Le stesse considerazioni si possono fare per la produzione dei semi.
La rimozione dei nutrienti dalle acque di rifiuto ad opera delle piante è stata molto buona fino alla fase di fioritura quando ha cominciato a decrescere. Nella prima fase è stato fondamentale per la crescita delle piante l’apporto di nutrienti dovuto all’introduzione di percentuali sempre maggiori di acque gialle (fino al 3.5%) all’acqua di rete, che di per sé ne è sprovvista. Per quanto riguarda l’irrigazione con miscele di percolato, la migliore efficienza di rimozione di azoto e fosforo in aggiunta ad una buona crescita delle piante, si è avuta con la miscela al 20%.
La sabbia, tranne nel caso del Brassica napus, non si è rivelata un buon substrato di crescita nemmeno quando l’acqua di irrigazione era il percolato, ricco di nutrienti. I migliori risultati per quanto riguarda le velocità di rimozione dei nutrienti dall’acqua di irrigazione si sono ottenuti quando il substrato di crescita era il suolo misto

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Lavagnolo, Maria Cristina
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 26 > Scuole 26 > SCIENZE DELL'INGEGNERIA CIVILE E AMBIENTALE
Data di deposito della tesi:30 Gennaio 2014
Anno di Pubblicazione:30 Gennaio 2014
Parole chiave (italiano / inglese):trattamento delle acque reflue, fitodepurazione, colture energetiche/wastewaters treatment phytoremediation, energycrops
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 08 - Ingegneria civile e Architettura > ICAR/03 Ingegneria sanitaria-ambientale
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale
Codice ID:6742
Depositato il:14 Nov 2014 13:54
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