Contenimento energetico e di Impatto Ambientale nei Servizi Idrici: il caso della Depurazione delle Acque nel Basso Valdarno

MOTIVAZIONI
E’ noto che un aumento della produzione 
energetica comporta inevitabilmente un 
incremento delle emissioni inquinanti, che 
aggravano una situazione ambientale già
adesso molto critica.
Il risparmio energetico (energy saving) è
diventato una pratica necessaria, dal 
momento che la richiesta di energia nel 
nostro paese e nel mondo sta aumentando 
in modo pressoché costante. 
Il piano di efficientamento e 
riorganizzazione dei servizi idrici in atto in 
Italia, e quindi anche in Toscana, ha come 
obbiettivo quello di creare un’industria 
matura e competitiva per garantire 
standard qualitativi in linea con le richieste 
dei clienti –utenti.
Efficentamento e 
riorganizzazione 
servizi idrici
ENERGY SAVING:
Una pratica necessaria
Aumento emissioni 
inquinanti
OBIETTIVI
9 Analisi dei consumi e  dei costi energetici in relazione ai 
rendimenti depurativi degli impianti dell’Ato 2 Basso 
Valdarno
9 Metodo di identificazione impianti a bassa efficienza
energetica
9 Valutazione risparmi energetici ottenibili in relazione alle    
caratteristiche qualitative delle acque immesse 
nell’ambiente
9 Determinazione della riduzione di CO
2
emessa grazie
all’energia elettrica risparmiata dall’ottimizzazione 
degli impianti
INQUADRAMENTO GENERALE DELLA 
TEMATICA ACQUE
livello comunitario e nazionale
A partire dagli anni 70 sono stati elaborati sei 
programmi d’azione a livello europeo con 
interventi in ambito nazionale
Dal terzo programma d’azione (1982-
1986) la protezione dell’ambiente è
stata considerata come presupposto 
del progresso economico, la politica 
ambientale dunque diventa una delle 
componenti della politica economica di 
lungo termine
Politica
strutturale
Con il quarto (1987-1992) e il quinto programma 
di azione (1992-2000)
Sono andati affermandosi 
due
importanti principi
precauzione 
e azione 
preventiva
chi inquina 
paga
SVILUPPO 
SOSTENIBILE
INQUADRAMENTO GENERALE DELLA 
TEMATICA ACQUE
Con il rafforzamento 
della ricerca e lo 
sviluppo di 
tecnologie “più
pulite”
INQUADRAMENTO GENERALE DELLA 
TEMATICA ACQUE
il sesto programma di azione (2002-2010)
Vengono definiti gli 
interventi prioritari che la 
Comunità deve affrontare 
nei prossimi dieci anni
1. cambiamento climatico;
2. natura e biodiversità;
3. ambiente e salute e qualità
della vita;
4. risorse naturali e rifiuti.
Da qui la necessità
di innovare lo 
scenario normativo 
in materia: 
Direttiva 
2000/60/CE del 
23 ottobre 2000
integrata con la 
decisione 
16.12.2001, nota 
anche come 
Water 
Framework
Directive
ƒ Decreto legislativo 1999 n. 152, integrato e corretto dal Decreto legislativo 2000 n. 258
ƒ Decreti 12 giugno 2003 n. 185 e 19 agosto 2003
ƒ Accordo di programma “tutela delle acque e gestione integrata delle risorse idriche”
stipulato nel dicembre 2002 fra la Regione Toscana ed i Ministeri dell’ambiente e tutela 
del territorio, dell’economia e delle finanze, delle infrastrutture e dei trasporti, delle 
politiche agricole e forestali.
ƒ Legge Regionale n. 5 del 23.01.1986 sulla disciplina degli scarichi delle pubbliche 
fognature e degli insediamenti civili 
ƒ Legge Regionale n 81 del 21 Luglio 1995 recante “Norme di attuazione della Legge 
5.01.1994 n. 36”
ƒ Legge Regionale n. 26 del 1997 “Norme di indirizzo per l’organizzazione del servizio idrico 
integrato in attuazione degli artt. 11 e 12 della Legge 5.01.1994 n. 36”
ƒ Legge Regionale n. 91 del 11.12.1998 recante “Norme per la difesa del suolo” 
ƒ Legge Regionale n. 64 del 2001 riguardante le competenze inerenti il settore dello scarico 
delle acque reflue, disciplinato poi con il regolamento di attuazione di cui al DPGR del 23 
maggio 2003 n. 28 R.
ƒ Programmazione e pianificazione dei Piani di Bacino (Legge n. 183 del 1989)
INQUADRAMENTO GENERALE DELLA 
TEMATICA ACQUE
I programmi elaborati in ambito Europeo trovano attuazione in 
ambito locale attraverso il seguente apparato legislativo:
TERRITORIO SU CUI E’ STATO CONDOTTO LO STUDIO
152 impianti di trattamento delle acque di scarico su 64 Comuni
dell’Ambito Territoriale Ottimale n° 2 (Basso Valdarno) della Toscana
Metodo di studio utilizzato
I parametri che caratterizzano una simile analisi 
inducono necessariamente un approccio manageriale di 
tipo Benchmarking anche nei servizi pubblici
Raggiungimento di un elevato 
grado di produttività tramite idee   
innovative e operative ad alta 
efficienza
Metodo dei 
confronti 
interni
Dati analitici 
e di portata
•Acque Spa
•Arpat
Dati consumi 
energetici 
•Ente 
erogatore 
della 
fornitura
Lo scopo finale della 
procedura di metric
benchmarking è quello di 
identificare le aree a bassa 
efficienza che devono essere 
soggette ad ulteriori studi.
DATI
Significatività dell’osservazione:
Dati analitici relativi ai reflui in 
ingresso ed  in uscita dagli 
impianti presi in esame
Medie relative agli anni 
2003-2004-2005
165.000 determinazioni 
analitiche
Dati di consumo energetico
ricavati dalla fatturazione da 
parte dell’ente erogatore del 
servizio
Medie relative agli anni 2003-2004 
e i primi 6 mesi del 2005 per ogni 
impianto preso in esame
Impianti su cui è stata condotta l’analisi
  
n° 
impianti
Potenzialità 
servita A.E. 
% A.E. 
serviti  kWh % kWh kWh / A.E. 
Impianti <2000 A.E. 108 53280 7,29 2331701 9,69 43,76 
Impianti 2000-10000 A.E. 33 145500 19,91 5366925 22,31 36,89 
Impianti 10000-100000 A.E. 13 531970 72,80 16360639 68,00 30,75 
Impianti >100000 A.E. 0 0 0 0 0,00 -
Totale 152 730750 100 24059265 100,00 32,92 
 
Impianti Gestiti da Acque Spa
71%
20%
9%
0%
Impianti <2000 A.E.
Impianti 2000-10000 A.E.
Impianti 10000-100000 A.E.
Impianti >100000 A.E.
\
Delocalizzazione
degli impianti
Tipologia 
kWh/AE 
Impianti <2000 A.E. 
43,76 
Impianti 2000-10000 A.E. 
39,61 
Impianti 10000-100000 A.E. 
30,75 
Impianti >100000 A.E. 
- 
media ATO 2 
 32.92 
  
 
media impianti italiani 
20 
Consumo energetico in relazione alla potenzialità impiantistica
alto costo 
energetico dei 
piccoli impianti
01
2
3
4
5
6
7
8
n
u
m
e
r
o
 
d
i
 
i
m
p
i
a
n
t
i
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 150 160 180 190 290 490
kWh/A.E.
Distribuzione consum i per A.E. (impianti inferiori a 2000 A.E.) 
Si evidenzia una marcata disomogeneità non immediatamente 
riconducibile al particolare tipo di impianto
Questo raggruppamento è caratterizzato da una più omogenea 
distribuzione, il che fa pensare a una più attenta gestione e 
migliore rappresentatività dei dati
0
1
2
3
4
5
6
7
8
n
u
m
e
r
o
 
i
m
p
i
a
n
t
i
20 30 40 50 60 70 80
kWh/A.E.
Distribuzione consumi per A.E. (impianti compresi tra 2000-10000 A.E.)
01
2
3
4
5
6
n
u
m
e
r
o
 
i
m
p
i
a
n
t
i
10 20 30 40 50 60
kWh/A.E.
Distribuzione consumi per A.E. (impianti compresi tra 10000 100000 A.E.)
Raggruppamento più interessante, in cui si ha l’evidente 
constatazione che i consumi tra 20 – 30 kWh/A.E. sono 
i più frequenti, 
Consumo energetico in relazione al carico organico dell’impianto.
Impianti con potenzialità < 2000 A.E.
0,0
100,0
200,0
300,0
400,0
500,0
600,0
- 50 100 150 200 250 300 350
% Carico di COD
k
W
h
/
A
.
E
.
 
Impianti con potenzialità compresa tra 2000 - 10000A.E.
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
- 50 100 150 200 250 300
% Ca r i co  COD
k
W
h
/
A
.
E
.
Impianti con potenzialità compresa tra 10000 - 100000A.E.
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
- 50 100 150 200
% Ca r i co  d i  COD
k
W
h
/
A
.
E
.
la variabile della 
percentuale di carico 
risulta quasi ininfluente 
sul consumo energetico
Valutazioni energetiche in relazione ai rendimenti depurativi
Sui 152 impianti presi in analisi, 44 hanno un valore 
di BOD
5
in uscita superiore a 25 mg/L di O
2
( limiti tab. 1 Allegato 5  Dlgs 152/99).
                                              %  abb. medio  BOD
5
    % abb.medio N 
kWh/A.E. 
 
impianti con BOD
5
 > 25 mg/L di O
2
  68.9          43.7                 41.5 
  
impianti con BOD
5
 < 25 mg/L di O
2
         91.7  50.7                  30.6 
 
gli impianti con minor impatto sull’ambiente, hanno una resa 
energetica migliore rispetto agli impianti con rendimenti inferiori
sprechi energetici sono da ricercare con maggior urgenza proprio là
dove i rendimenti in termini di impatto ambientale sono scarsi
Impianti con potenzialita <2000 A.E.
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
- 50 100 150 200 250 300 350
% carico COD
k
W
/
K
g
 
C
O
D
 
r
i
m
o
s
s
o
Impianti con potenzialità tra 2000 e 10000 A.E.
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
- 50 100 150 200 250 300
% carico COD
k
W
h
/
C
O
D
 
r
i
m
o
s
s
o
Impianti tra 10000 e 100000 A.E.
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
- 50 100 150 200
% carico COD
k
W
h
/
C
O
D
 
r
i
m
o
s
s
o
possiamo affermare che il rendimento energetico è maggiore su impianti che 
lavorano a potenzialità di progetto o superiore
Distribuzione del consumo energetico per COD rimosso sul carico organico dell’impianto
Identificazione dell’area a bassa efficienza energetica
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
0 20.000 40.000 60.000 80.000 100.000
A.E. di esercizio
k
W
h
/
A
.
E
.
 
d
i
 
e
s
e
r
c
i
z
i
o
Area a bassa 
efficienza energetica
L’andamento della linea di tendenza ci permette di identificare i punti 
sopra tale curva come impianti a bassa efficienza energetica.
Gli impianti che si sono collocati all’interno dell’area a bassa efficienza 
(25)
sono 
stati studiati rilevandone le seguenti caratteristiche principali:
•Tipologia impiantistica
•La presenza o meno di vasche di denitrificazione
•Il tipo di ossidazione utilizzata
•Abitanti equivalenti di progetto
•Abitanti equivalenti di esercizio
11 dei 25 impianti, 
risultano essere sotto dimensionati, ovvero accolgono un 
carico superiore a quello di progetto, questo maggior consumo è dovuto 
principalmente  a motivazioni gestionali
per sopperire alle carenze strutturali impiantistiche,  si ha un utilizzo eccessivo 
del comparto aerazione, ovvero il surplus di energia utilizzata non è convertita in 
un maggior potere depurativo
•Volume Annuo Trattato 
•kWh/AE di progetto
•kWh/AE di esercizio
Nei sistemi di aerazione convenzionali per il trattamento dei reflui con fango attivo delle 
acque di scarico, il consumo di energia del comparto aerazione è pari al 45-60 % del totale
Determinazione del risparmio energetico ottenibile
Determinazione Consumo 
Energetico Teorico
 > ≅
 >  ≅
> ≅kWhkgOAORT
hkgORO
kWPteo
/
/
2
22
  
1. Wastewater Engeneering (Metcalf & Eddy, 2003) e Modeling Wastewater Aeration System to discover Energy Saving opportunitas
Pteo = Potenza teoricamente richiesta per il sistema di Aerazione [kW];
RO
2
= Richiesta Totale di ossigeno per Ossidazione e Nitrificazione [kgO
2
/d];
AORT = Efficienza di trasferimento dell’Ossigeno in condizioni operative [kgO
2
/kWh];
1
(1.0)
La determinazione del consumo energetico teorico si basa sull’intero corpo dei dati acquisiti nel corso 
della ricerca in particolare:
TKN in
TKN out
COD in
COD out
N-NO3
Q media
)20(
20,
,
  
 ÷
 ÷
 ≠
 •
 ♦
 ♦
 ♥
 ♣   
  
T
s
WTs
F
C
CC
SORTAORT  Τ∆
 Ε
)(33,442,1)(
,
2
NOxQPSSoQR
bioXO
        
(1.1)
(1.2)
TKN in TKN out N-NO
3
 out COD in COD out Q media
mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mc/d
Baccane 45 21 20 495 35 1174
Torricchio 73 22 17 578 45 1000
Centrale 77 26 3 715 65 720
Vecchiano 67 14 5 701 86 1610
Intercomunale 45 12 3 662 155 17000
Migliarino 74 19 6 646 54 610
Caravaggio 64 21 3 605 75 4260
Ponsacco 45 10 4 348 45 2300
Altopascio 57 14 1 472 57 1780
Ponte a Bagnolo 46 30 29 257 36 580
Calcinaia 32 14 12 217 21 438
Baragaglia 81 33 27 658 149 1330
Il Romito 53 14 6,7 677 42 360
Vaiano 86 11 8 766 24 877
La Fontina 53 16 2 537 245 7050
Pontedera 23 15 10 114 75 4384
San Jacopo 44 14 9 480 46 7423
Pagnana 34 22 18 321 30 14300
Anchione 53 19 6 481 44 400
Ponticelli 42 23 23 271 13 370
Orentano 64 9 2 689 17 275
Stabbia 29 22 21 174 17 750
Cenaia 47 15 7 175 29 685
San Prospero 27 14 12 136 18 3456
Lame di Sotto 58 7 6 843 29 7671
IMPIANTO DI DEPURAZIONE
Parametri utilizzati nella formula (1.0)
Differenza consumo rispetto alla Consumo annuo Consumo annuo Differenza consumo
linea identificazione aerazione teorico aerazione attuale attuale -  teorico
bassa efficienza: kWh kWh kWh kWh
Baccane 99718 123834 210722 86888 41,20%
Torricchio 18336 137313 138499 1187 0,90%
Centrale 41842 125848 155724 29876 19,20%
Vecchiano 96525 236024 298708 62684 21,00%
Intercomunale 13114 1855336 2035037 179701 8,80%
Migliarino 9847 73911 87417 13507 15,50%
Caravaggio 117463 - - - -
Ponsacco 118371 202142 329247 127104 38,60%
Altopascio 37790 188194 164217 -23977 -14,60%
Ponte a Bagnolo 36030 27412 95102 67691 71,20%
Calcinaia 12219 20284 71291 51007 71,50%
Baragaglia 38 150947 115398 -35549 -30,80%
Il Romito 10011 38053 55942 17889 32,00%
Vaiano 14880 116415 128762 12347 9,60%
La Fontina 21 434549 531909 97359 18,30%
Pontedera 413249 19811 735571 715760 97,30%
San Jacopo 37028 533165 723619 190454 26,30%
Pagnana 285833 948672 1449732 501060 34,60%
Anchione 19382 47745 59619 11874 19,90%
Ponticelli 5365 22941 45601 22660 49,70%
Orentano 8317 51999 58022 6023 10,40%
Stabbia 15566 20323 83923 63599 75,80%
Cenaia 4795 53187 73151 19964 27,30%
San Prospero 58110 191798 260294 68495 26,30%
Lame di Sotto 347529 705831 1006454 300623 29,90%
Impianto risp. %
Calcolo del risparmio energetico ottenibile
Riduzione dell’emissione di Anidride carbonica 
Mediamente in Italia, per 
ogni kWh di energia 
elettrica si generano 0,59 
Kg di CO
2
CO
2
=  2.588.226 X 0,59 = 
1.527.053 Kg =
1.527 t   (di CO
2
)
Ottimizzazione
TECNICI GESTIONALI
INTERVENTI
Modifiche strutturali
Sostituzione 
apparecchiature presenti 
nell’impianto 
Installazione di 
apparecchiature di 
comando – controllo
Integrazione delle 
apparecchiature già
esistenti sull’impianto
Applicazione di incentivi 
al personale 
Formazione continua del 
personale, e sviluppo di 
nuovi manuali operativi 
Instaurando un efficace 
strategia di 
comunicazione per 
l’implementazione degli 
interventi 
Standardizzazione 
certificata (ISO 9000, 
ISO 14000, Emas). 
Promuovendo iniziative di 
studio, con il supporto e 
la collaborazione di enti e 
Università
Lo studio condotto ha evidenziato l’efficacia di un approccio interdisciplinare al 
problema della gestione dei servizi idrici e l’importanza di disporre di un sistema 
completo e consistente di dati.
Conclusioni
Le tecniche di Benchmarking, se opportunamente ricalibrate in base ai 
risultati di volta in volta ottenuti, possono effettivamente condurre ad un 
considerevole risparmio energetico ed una conseguente riduzione 
dell’inquinamento da CO
2
L’Energy Saving facendo coesistere aspetti economico-ingegneristici con 
nozioni di scienze della vita e della terra, compresi gli aspetti ecologici, 
chimico-biologici e di monitoraggio del territorio sembra veramente 
attestarsi quale criterio necessario alla base di ogni intervento
Appare altresì evidente l’importanza di gestire tali iniziative con il 
supporto di enti specializzati e delle apposite strutture universitarie che 
costituiscono senz’altro la migliore interfaccia con il crescente  impiego di 
tecnologie avanzate