I sistemi di drenaggio urbano nelle città di tutto il mondo sono sempre più gravosi da sostanze nutritive in eccesso, soprattutto azoto (N) e fosforo (P) - che provengono da deflusso agricolo, scarichi industriali, acque reflue domestiche e acque urbane.

Comprensione delle terre artificiali

Cosa sono le isole artificiali?

Le zone umide artificiali, conosciute anche come zone umide costruite, sono sistemi fatti dall'uomo destinati a replicare i processi fisici, chimici e biologici che si verificano negli ecosistemi naturali delle zone umide.

Tipi di terre artificiali

Ci sono diverse configurazioni comuni utilizzate nelle applicazioni di drenaggio urbano:

  • Surface Flow Wetlands (SFWs): L'acqua scorre liberamente sul substrato e attraverso la vegetazione emergente. Queste sono molto simili alle paludi naturali e forniscono un eccellente habitat naturale.
  • Le zone umide di flusso di superficie (SSFWs): L'acqua si muove orizzontalmente o verticalmente attraverso un substrato poroso (gravel o sabbia) sotto la superficie. Questo disegno riduce l'allevamento di zanzare e riduce l'esposizione umana agli agenti patogeni.
  • Sistemi ibridi:[] Combinando più tipi di zone umide in serie (ad esempio, flusso verticale seguito da flusso orizzontale) può ottimizzare la rimozione di diversi nutrienti e altri inquinanti, fornendo un trattamento robusto attraverso diverse condizioni di flusso.

Componenti chiave e loro ruoli

Ogni umidita artificiale ha quattro componenti essenziali che lavorano insieme per ridurre i carichi nutrienti:

  • Substrate (suolo, ghiaia, sabbia): Fornisce supporto fisico per le piante, offre superficie per biofilm microbici, e facilita la filtrazione di solidi sospesi e nutrienti legati al particolato.
  • Vegetation (emergente, sommerso, galleggiante):] Le piante assorbono i nutrienti direttamente per la crescita, trasportano l'ossigeno alla zona radice (supportando i microbi aerobici), e il flusso lento dell'acqua per promuovere la sedimentazione.
  • Le comunità microbiali:[ I batteri e i funghi attaccati alle radici delle piante e le particelle substrate effettuano trasformazioni chiave come la nitrificazione (conversione dell'ammoniaca al nitrato) e la denitrificazione (conversione del nitrato al gas di azoto innocuo).
  • Percorso di flusso dell'acqua:[ Il tempo di residenza idraulico, la profondità dell'acqua e il regime di flusso determinano quanto i inquinanti lunghi sono esposti ai processi di trattamento.

Meccanismi di rimozione Nutriente nelle isole artificiali

Ridurre l'azoto e il fosforo nel drenaggio urbano comporta una suite di processi fisici, chimici e biologici interdipendenti, che comprendono questi meccanismi è fondamentale per la progettazione di zone umide che soddisfano specifici obiettivi di riduzione dei nutrienti.

Aspirazione delle piante

Le piante umide assorbono l'azoto disciolto (come nitrato, ammonio) e il fosforo (come ortosfato) dalla colonna d'acqua attraverso le loro radici. Una parte significativa di questi nutrienti è incorporata nella biomassa vegetale – foglie, gambi e radici.

Trasformazioni microbiche

I microbi sono i cavalletti di lavoro di rimozione dei nutrienti, in particolare per l'azoto.

  • [[LT][FLT]][[[FLT]]]] In zone aerobiche (vicino alla superficie dell'acqua o intorno alle radici vegetali), i batteri ossidanti dell'ammoniaca convertono l'ammonio (NH]4[FLT:[[[[6]]]]][FLT]]][[FLT]]]]]][[[[[[[[[[[FLT]]]]]]]]]]]]]]]]]]][[[[[[[[[[[[[[[[[[[[FLT]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]][[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[
  • Denitrificazione:[ Nelle zone anaerobiche (profondità nel substrato o nel sedimento), i batteri denitrificanti convertono il nitrato in gas di azoto (N2[]]), che sfugge innocuo all'atmosfera.

Per il fosforo si verifica un'assimilazione microbica, ma è spesso temporanea a meno che i microbi non vengano rimossi dal sistema.

Sedimentazione e filtrazione

Le acque tempestive e le acque reflue spesso portano solidi sospesi che contengono azoto e fosforo di particolato. Come l'acqua rallenta nel bacino della zona umida, queste particelle si stabiliscono per gravità. Gli strati del substrato filtrano anche fisicamente le particelle più sottili.

Sorpzione e Precipitazione Chimica

Il fosforo può legarsi a particelle di suolo, minerali di argilla e ossidi metallici (soprattutto ferro, alluminio e calcio) attraverso l'assorbimento. Alcuni substrati, come calcare o supporti appositamente progettati, sono scelti per la loro elevata capacità di assorbimento del fosforo.

Considerazioni di progettazione per le impostazioni urbane

L'attuazione delle zone umide artificiali in aree urbane densamente sviluppate presenta sfide e opportunità uniche. I vincoli del sito, le infrastrutture di drenaggio esistenti e i modelli di uso del terreno devono essere considerati tutti.

Requisiti spaziali e collocamento

Le zone umide artificiali richiedono una certa impronta rispetto alla zona di scarico, in genere 1–5% dell'area di cattura contribuendo ad un trattamento efficace delle acque di tempesta. Nelle città in cui la terra è scarsa, le opzioni di collocamento creativo includono spazi verdi nei parchi, nelle paludi stradali, nei lotti industriali abbandonati e l'integrazione delle zone umide nei bacini di controllo delle inondazioni esistenti.

Progettazione idraulica

La zona umida deve essere dimensionata per gestire i flussi di picco dagli eventi di tempesta, fornendo tempo di conservazione sufficiente per la rimozione dei nutrienti.

  • Tempo di conservazione idraulico (HRT): L'acqua di tempo medio passa nella zona umida. Per la rimozione dei nutrienti, 3-7 giorni è comune, anche se i tempi più brevi possono essere utilizzati per il pretrattamento.
  • Profondità dell'acqua:[ La maggior parte delle zone umide operano con profondità di 0,3-0,6 m per zone poco profonde e piscine leggermente più profonde.
  • Distribuzione:[] Strutture di ingresso come le intrecci o tubi forati si diffondono uniformemente per evitare cortocircuiti.

Clima e Prestazioni stagionali

L'efficienza di rimozione dei nutrienti può variare con i cicli di temperatura, di precipitazioni e di crescita stagionale. I climi freddi riducono l'attività microbica e l'assorbimento delle piante, portando a ridurre i tassi di rimozione in inverno. Le strategie di progettazione per mantenere le prestazioni durante tutto l'anno includono bacini più profondi per il buffering termico, l'uso di specie vegetali a freddo tolleranti, o l'integrazione della zona umida con il flusso di subsuperficiale per isolare la zona di trattamento.

Sistemi di pretrattamento e di Bypass

Per proteggere la zona umida da carichi e detriti pesanti, devono essere installati dispositivi di pretrattamento come bacini sedimentari, separatori di olio-grit o forebay a monte. Inoltre, per grandi eventi di tempesta, un sistema di bypass può indirizzare il flusso in eccesso intorno alla zona umida per evitare il lavaggio di inquinanti accumulati e danni alla vegetazione.

Vantaggi Oltre la riduzione dei nutrienti

Mentre la riduzione del carico nutriente è l'obiettivo primario, le zone umide artificiali offrono una vasta gamma di co-benefici che li rendono un'opzione preferita per il drenaggio urbano sostenibile.

Gestione urbana delle tempeste

Le zone umide attenuano i flussi di picco di tempesta, immagazzinando temporaneamente il runoff, riducendo il rischio di inondazione nelle aree a valle, ricaricando anche le acque sotterranee (se progettate per l'infiltrazione) e riducendo il volume di scarico ai sistemi di fogna combinati, facilitando la pressione sugli impianti di trattamento delle acque reflue.

Biodiversità e creazione di habitat

Nelle città costruite, questi spazi verdi-azzurri agiscono come pietre ecologiche, sostenendo la biodiversità urbana. Possono essere progettati con vari microhabitat: acqua aperta, palude emergente e prato bagnato, per attrarre una varietà di specie.

Valore ricreativo ed estetico

Le zone umide ben progettate esaltano l'attrattiva visiva dei quartieri, offrendo ai residenti un'oasi naturale. I sentieri, i passerelle e le piattaforme di visione trasformano i bacini di trattamento in servizi comunitari che promuovono il benessere fisico e mentale.

Resilienza Climatica e stoccaggio del carbonio

Le piante e i suoli di Wetland sequestri il carbonio, contribuendo alla mitigazione dei cambiamenti climatici, forniscono anche il raffreddamento rasatura ed evapotratraspirativo, riducendo l'effetto dell'isola di calore urbano. Nelle città costiere, le zone umide possono tamponare contro le sovratensioni della tempesta e l'aumento del livello del mare se integrato con la gestione della litorale.

Sfide e soluzioni

Nonostante la loro promessa, le zone umide artificiali non sono una soluzione a misura unica, ma devono essere affrontate sfide comuni attraverso un'attenta pianificazione e manutenzione.

La zanzara in allevamento

L'acqua stagnante nelle zone umide può diventare un terreno fertile per le zanzare, sollevando le preoccupazioni per la salute pubblica.

  • Progettazione per flusso subsuperficiale dove possibile.
  • Mantenere il movimento dell'acqua attraverso pompe di ricircolo o cascate.
  • Caldare pesce mangia zanzare (ad esempio, Gambusia) in zone di acqua aperta.
  • Garantire una corretta gestione della vegetazione per evitare la formazione eccessiva di ombreggiatura e detrito.

Requisiti di manutenzione

Le prestazioni a lungo termine dipendono da attività di manutenzione regolari:

  • Rimozione del divisorio[] da preibays e celle principali ogni 5-10 anni.
  • Gestione della venatura[[]] inclusa la raccolta per rimuovere i nutrienti accumulati e controllare le specie invasive.
  • Ispezione di ingresso/uscita[] per evitare l'intasamento.
  • Monitoring della qualità dell'acqua[[]] per garantire obiettivi di rimozione sono soddisfatti.

La creazione di un piano di manutenzione e di un finanziamento dedicato durante la fase di progettazione impedisce la trascuratezza.

Variabilità delle prestazioni

L'efficienza di rimozione nutriente può variare a causa di eventi tempestivi casuali, siccità o carichi di urti inquinanti. Utilizzando più celle umide in parallelo o serie fornisce ridondanza.

Disponibilità e Costo del terreno

Tuttavia, se confrontato con i costi di capitale e operativi degli impianti di trattamento convenzionali, le zone umide si rivelano spesso più economiche rispetto a una durata di 20-30 anni. L'associazione con i dipartimenti dei parchi, utilizzando facilitazioni o impilando funzioni delle zone umide con altre infrastrutture verdi (ad esempio, bioswales, giardini piovosi) può ridurre i costi netti del terreno.

Studi di casi e dati di performance

Le implementazioni del mondo reale dimostrano l'efficacia delle zone umide artificiali nella riduzione dei carichi nutrienti dal drenaggio urbano.

Lake Manassas, Virginia, Stati Uniti

Il sistema Broad Run Constructed Wetland, un sistema a 27 acri che tratta le acque di tempesta da un spartito di 3400 acri, ha ottenuto una rimozione coerente del 40-60% dell'azoto totale e del 50-70% del fosforo totale dalla sua costruzione nel 2008. La zona umida ha anche ridotto i flussi di picco del 50%, riducendo significativamente l'erosione a valle.

Pechino, Cina – Iniziativa della città dello sposo

Nell’ambito del programma Sponge City della Cina, numerose zone umide artificiali sono state integrate nelle reti di drenaggio urbano. Nel distretto di Yizhuang, un sistema di bagnato di 15 ha tratta i flussi combinati di fogna e acqua piovana, raggiungendo la riduzione totale di azoto del 55% e le riduzioni di fosforo del 70%. Le zone umide forniscono anche lo spazio di archiviazione e ricreazione.

Waikato, Nuova Zelanda—Creazione pastorale

In zone urbane, le zone umide a bordo del campo sono state installate per intercettare il flusso ricco di sostanze nutritive. Uno studio di 12 zone umide costruite nella regione di Waikato ha trovato tassi di rimozione medi del 50% per l'azoto e del 45% per il fosforo. Lo studio ha sottolineato che le zone umide con tempi di conservazione più lunghi (>5 giorni) hanno eseguito significativamente meglio.

Questi esempi dimostrano che con un'adeguata progettazione e manutenzione, le zone umide artificiali possono ridurre in modo affidabile i carichi nutrienti del 40-70% o più, rendendoli un componente affidabile delle strategie di gestione dei nutrienti urbani.

Integrazione con i sistemi di drenaggio urbano

Per massimizzare l'impatto, le zone umide artificiali non devono essere considerate come soluzioni standalone ma come parte di un "treno di trattamento" integrato che include il controllo sorgente, la gestione del trasporto e le fasi di lucidatura.

Approccio del treno di trattamento

I tipici treni urbani di drenaggio partono con tetti verdi, pavimentazioni permeabili e raccolta delle acque piovane per ridurre il deflusso alla fonte. L'eccesso di scarico passa poi attraverso biosvegli o canali erbosi che forniscono un trattamento preliminare e un'infiltrazione. Infine, l'acqua entra in una zona umida costruita per lucidare prima dello scarico per ricevere le acque.

Retrofitting Existing Infrastructure

Molte città hanno stagni o bacini di detenzione esistenti che possono essere rettituiti in zone umide aggiungendo piante umide, modificando l'idrologia e introducendo zone poco profonde. Tali retrofit sono spesso più economici della costruzione di nuove zone umide e possono convertire le infrastrutture sottoutilizzate in beni di trattamento e di habitat preziosi.

Monitoraggio intelligente delle terre

I progressi nella tecnologia dei sensori e l'IoT consentono il monitoraggio in tempo reale del livello dell'acqua, del flusso, delle concentrazioni nutrienti e della salute delle piante. I sistemi di controllo automatizzati possono regolare le profondità dell'acqua o il routing del flusso per ottimizzare la rimozione in base ai carichi in arrivo.

Conclusioni

Le zone umide artificiali rappresentano una soluzione potente e naturale per ridurre i carichi nutrienti nei sistemi di drenaggio urbano. Impiegando l'assorbimento delle piante, l'attività microbica, la sedimentazione e la sorprazione, questi sistemi possono ottenere notevoli riduzioni di azoto e fosforo, spesso 40–70%, mentre offrono una serie di co-benefici, tra cui il controllo delle inondazioni, la creazione di habitat, lo stoccaggio del carbonio e il valore ricreativo.